高端访谈

超声波技术让水表加速迈入智能化时代

于寅虎 2017/11/14 17:39:00

编者按:权威数据表明,因为整个水测量系统和计量系统不完整或准确度不高,导致管网损失,从自来水公司出来再分布到各个用户的家庭水损失高达30%,其中核心原因是由传统机械水表造成的,如何更新升级机械水表使之更智能化成为水务公司当前迫切的需求。日前,德州仪器公司推出了业界最先进的智能水表技术解决方案,希望可以加速水表智能化的进程,德州仪器中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇先生接受了笔者的专访。


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德州仪器中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇


水表从信息化走向更加智能化

有数据显示,在美国有80%的水务公司已经在投入或者有一些公司已经计划在更新水务计量的基础设施。通过给水表加装信息模块或更换先进的电子水表等基础设施的更新,能够提高运营效率和减少管网水的损失。

有个市场分析报告指出,整个水表智能化市场潜力非常巨大,智能水表的市场规模将从2016年的26亿美元规模增长到2025年的72亿美元。

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水表从信息化走向更加智能化的趋势同样开始出现在中国,而这一趋势的背后是对新型技术与半导体产品的新需求。

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针对基础设施的智能化改造,基于成本的考虑水务公司正在采取两种方式实施。

第一种方式是在传统机械水表上加装信息通讯模块,增加自动抄表或实时监测水网运行状况的通信功能,这样可以把水表的实时动态数据上传至系统管理中心。

第二种方式是部署全新的全电子化水表,其中超声波水表因维护简单且通讯方便成为首选。特别指出的是,超声波水表还能够实现各种水质或者水成分的检测,它能够给水务公司在水成分的分析上提供更有效的一种手段,从而把水表从信息化时代推向智能化时代。

 

使用超声波技术进行流量计量

超声波技术已在民用、医疗和军事应用中有上百年的历史,最新的超声波应用已发展到工业和汽车市场的自动化中。超声波技术的非接触性质使其成为水务、医疗、制药、军事和工厂等液体流量计量的绝佳选择,其操作环境也大大超出人们所了解的范围。

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基于超声波技术的液体流量计可用于住宅和工业环境中,包括住宅和工业仪表中的简易功用表(气表、水表、热量计)或危险液体或气体用混合器(石油、采矿、废水处理、油漆、化学品);

与传统机械式流量计相比较,超声波传感技术非常精确(<±1%),具有较长使用寿命(> 10年),可以方便地检测不同成分的液体或气体,并调整介质和管道腐蚀污染的影响。超声波仪表没有活动部件,因此无需重新校准。

据刁勇介绍,用于流量测量的超声波频率范围为100kHz至4MHz。使用一定频率的电脉冲信号激发超声波传感器从而产生相应频率的超声波,并使用同一声波传输路径从两个对立的方向在不同时段发射声波并测量声波传输时间TOF(记为上行传输时间和下行传输时间, Time of flight)。通过计算上下行传输时间的绝对时间差,进而计算出实际流量。

安装在流管内部或外部的一对或多对超声波传感器可以用来测量TOF。超声波传感器的选择取决于待测流体的介质类型。通常,待测流体为液体时使用频率大于等于1MHz的超声波传感器,待测流体为气体时使用频率小于等于500kHz的超声波传感器。

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超声波测量原理和常见的超声波传感器布置拓扑


刁勇表示,超声波测量水的计量方式有非常明显的优势,第一个优势是精度高,可以达到±1%的精度。特别是在小流量的情况下,传统机械表可能已经没有办法计量,但超声波的计量方式依然可以工作。

第二个优势,和传统机械表相比,超声波是全电子的水表,在它里面没有机械叶轮,没有机械磨损,所以它的寿命非常长。寿命长,对水务公司来讲有一个好处,维护成本相对来讲、人工成本会得到进一步降低。因为超声波水表仅仅从成本上来讲,会比现在传统的机械水表单体成本贵,但考虑到它的维护和寿命长的话,总体对水务公司来讲运维成本会降低,这一点也是吸引现在的一些水公司希望转到超声波计量方面的很重要的因素。

 

智能化水表的全集成超声波传感MCU

针对智能水表技术发展方向和市场需求,德州仪器推出了全新的超声波测量芯片MSP430FR6047解决方案和可部署在传统水表的上无线通讯解决方案。


据刁勇介绍,一方面该公司推出了基于MSP430能够把水计量精度提高到业界最高水准的超声波技术方案。另一方面针对现有的水表基础设施,也有新的参考设计用来增加自动抄表或实时监测水网运行状况的通信功能。

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这颗超声波测量芯片采用了独特的高速ADC来实现超声波测量的新技术,它在精确度和准确度方面都有大大的提高。在功耗方面它传承了MSP430在低功耗上的DNA,它在每秒测量一次的情况下,功耗可以做到3μA的水平,它还可以实现非常低流量的检测,每小时一升,水基本上在滴漏,一滴滴的情况下,还可以实现计量,而且精度也可以做得非常不错。

为了让客户在使用这个产品的时候能够非常方便,德州仪器还提供相关的帮助客户去开发的软件和硬件工具。在这一名为“超声波设计中心”里,把所有的客户需要去做配置,需要做调试的功能都集成在这上面了。这个设计中心可以实现IDC波形采用,可以把超声波的波形捕捉下来。

另外,德州仪器还准备了一个基础的超声波测量软件库,这个库对客户来讲不用去从头开发,它只要在“超声波设计中心”里,把它的超声波的频率和它需要的各种各样的幻灯器做进去一配置,实际上这个超声波设计中心就可以帮客户自动产生计量的代码。

刁勇继续介绍道,为了配合这种需求,德州仪器还准备了一款基于FR6047的开发板。这个开发板可以直接跟客户自己选择的超声波接口的换能器进行连接,连接上之后,和它的水表管端连上后就可以工作了。在这个板子上,可以扩展很多新的功能,包括温度测量或者增加无线通信的功能。在这个板子上,在这个部分它就是一个换能器,客户不用买额外的单片机的换能器了,实际上就可以通过这个传感器对MSP430FR6047进行编程和二次开发。

 

给传统水表添上无线通信功能

针对一些表厂希望对现在的水表增加通信功能这一需求,德州仪器推出了两个新的参考设计方案。


据刁勇介绍,第一个是用LC传感器,以电感作为传感,就是现在这种无磁水表,我们用到CC1350无线MCU,在它的片上会带无线、带MCU,还有我们叫做SCE传感器控制引擎,用来做传感器控制的一个模块。这个芯片是用来可以实现无磁水表的计量。另外它还支持2.4G和Sub-1  GHz的无线通信,它在测量的时候,做无磁水表测量的时候功耗只有4μA。

改进现有的机械水表.jpg

第二个是支持无线M-Bus的方案。无线M-Bus,在欧洲用得会比较多的一种无线抄表方式,在欧洲很多国家已经在采用,现在在欧洲也有专门针对M-Bus的标准。在中国有很多的表厂也做一些出口市场,虽然在中国水表用M-Bus比较少,但是在中国很多表厂也在考虑做M-Bus无线通信技术,它的主要市场会出口到欧洲或者其他一些水厂需要M-Bus。

无线M-Bus参考方案运行在在德州仪器的CC1310芯片上,它是Sub-1  GHz带cortex  MCU的一个SOC,它可以支持M-Bus的协议站。CC1310在868MHz频段内可以支持M-Bus所有的模式,功耗也可以做得非常的优秀。

德州仪器