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Le statistiche sono allarmanti: solamente nelle case degli Stati Uniti si verifica uno spreco d’acqua di circa 900 miliardi di litri d’acqua ogni anno. Per capire cosa ciò significhi, quella è l’acqua sufficiente per rifornire di questo prezioso bene circa 11 milioni di case all’anno1. E altri paesi, dall’Europa all’Asia, si trovano ad affrontare sfide simili. Ad aggravare questo problema, per i prossimi anni sono previste significative carenze idriche2.
Ma il rimedio è a portata di mano. La tecnologia ad ultrasuoni fornisce ai contatori acqua installati negli edifici intelligenti e nelle città intelligenti la capacità di rilevare e localizzare le perdite di una goccia ogni pochi secondi. Città come Austin e Anversa installano contatori d’acqua intelligenti ad alta tecnologia che forniscono ai clienti le informazioni di cui hanno bisogno per trovare le perdite e conservare l’acqua, aiutando al tempo stesso le aziende a identificare le perdite nelle tubature e nelle reti idriche.
“L’acqua che abbiamo oggi è l’unica acqua che avremo mai“, dice Holly Holt-Torres, responsabile per la conservazione delle acque di City of Dallas Water Utilities. “Dobbiamo conservarla. E la tecnologia ci permetterà di farlo sempre meglio“.
Ma la tecnologia ultrasonica ha applicazioni che vanno oltre i contatori dell’acqua. La stessa tecnologia può essere utilizzata in sistemi che misurano il flusso di gas naturale e persino rilevare la miscela di gas che scorre nei tubi. Può persino aiutare i medici a regolare l’erogazione di ossigeno nelle apparecchiature chirurgiche.
Trasportati dal flusso.
Le tecnologia ad utrasuoni, ovviamente, non è nuova. I pipistrelli, ad esempio, usano un segnale ad ultrasoni per evitare gli ostacoli e catturare insetti di notte. E in più applicazioni high-tech, gli ultrasuoni vengono utilizzati per discernimento materiale, evitare collisioni tra automobili e nell’imaging industriale e medico.
Ora viene utilizzato nei contatori dell’acqua e in altri flussometri. I contatori tradizionalmente fanno affidamento su un sistema elettromeccanico con un ingranaggio rotante che utilizza un elemento magnetico per generare impulsi. Ma, come nel caso dei termostati, dei motori e di molti altri dispositivi di tutti i giorni, i sistemi elettromeccanici nei misuratori di portata stanno rapidamente per essere sostituiti da quelli elettronici.
In questi ultimi, una coppia di trasduttori ultrasonici inseriti nel tubo misura la velocità delle onde acustiche nel fluido. La velocità di propagazione delle onde acustiche è una funzione della viscosità, della portata e della direzione del fluido che fluisce attraverso il tubo. Le onde ultrasoniche viaggiano a velocità diverse e la precisione della misura dipende dalla qualità del trasduttore, dai circuiti analogici di precisione e dagli algoritmi di elaborazione del segnale. I trasduttori acustici o ultrasonici sono materiali piezoelettrici che convertono i segnali elettrici in vibrazioni meccaniche ad una frequenza relativamente elevata di centinaia di kilohertz. In genere, una coppia di trasduttori ultrasonici nell’intervallo di 1-2 MHz deve essere ben calibrata per misurare con precisione il flusso. I trasduttori costituiscono una parte significativa del costo del misuratore di portata. Il sistema di sensori deve assorbire pochissima energia per garantire una durata della batteria di 15-20 anni.
Il chip di misurazione del flusso avanzato di Texas Instruments, l’MSP430FR6043, include un esclusivo front-end analogico e un algoritmo, che migliora in modo significativo la precisione riducendo nel contempo i costi e il consumo energetico. L’architettura di misurazione del flusso sfrutta la progettazione analogica ad alte prestazioni, gli algoritmi avanzati e l’elaborazione integrata per mitigare la necessità di una costosa coppia di trasduttori ultrasonici. Gli algoritmi analogici di front end e di elaborazione del segnale compensano la scarsa qualità del trasduttore.
Conta ogni goccia
Un tipico misuratore di portata ad ultrasuoni trasmette un’onda ultrasonica e misura il ritardo differenziale del ricevitore per stimare la velocità del flusso. Le misurazioni del ritardo vengono solitamente gestite da un circuito convertitore digitale che monitora lo zero crossing della forma d’onda ricevuta. La sfida con l’approccio tradizionale è che non è abbastanza sensibile da rilevare i livelli di flusso con elevata precisione.
L’architettura TI utilizza un front-end analogico intelligente dotato di un convertitore analogico-digitale ad alte prestazioni per migliorare la qualità segnale-rumore e superare le inesattezze di calibrazione. Questo approccio presenta diversi vantaggi:
- Può raggiungere una maggiore precisione riducendo le interferenze e migliorando il rapporto segnale-rumore.
- L’architettura può misurare un’ampia gamma dinamica di flusso, da una manichetta antincendio a una piccola perdita.
- Utilizzando un driver a tensione inferiore, è possibile risparmiare in modo significativo in termini di consumi e costi. La corrente media per una misurazione al secondo è inferiore a 3 microampere. Ciò si traduce in una durata della batteria di oltre 15 anni.
- Può rilevare turbolenze, bolle e altre anomalie di flusso, che è importante per l’analisi del flusso e la manutenzione delle tubazioni.
- La tecnologia è poco sensibile alle variazioni di ampiezza nelle due direzioni del flusso, che possono verificarsi in acqua e gas a portate maggiori.
Molte altre tecnologie TI sono fondamentali per un flussometro ad alte prestazioni. Un microcontrollore a bassa potenza con front-end analogico integrato ad ultrasuoni, un riferimento di clock ad alte prestazioni, una gestione della corrente e un adattamento dell’impedenza ultra-preciso dei driver di trasmissione e dei percorsi dell’amplificatore di ricezione sono esempi di tecnologie di differenziazione aggiuntive in questi misuratori di portata.
Insieme, queste tecnologie possono aiutare a conservare una delle nostre risorse più preziose.
Scopri di più sulle soluzioni di rilevamento a ultrasuoni per dispositivi di misurazione del flusso a potenza ultrabassa.
Leggi il Corporate Citizenship Report per scoprire come TI si impegna a conservare l’acqua e altre risorse.
1 Environmental Protection Agency
