Las estadísticas son alarmantes: solo en los Estados Unidos, las fugas domésticas desperdician alrededor de 900 mil millones de galones de agua cada año. Para poner ese número en perspectiva, es suficiente agua para abastecer a unos 11 millones de hogares al año. Y otros países, desde Europa hasta Asia, enfrentan desafíos similares. Para agravar este problema se prevé la escasez de agua.
Pero la ayuda está aquí. La tecnología ultrasónica brinda a los medidores de agua instalados en edificios inteligentes y ciudades inteligentes la capacidad de detectar y localizar fugas tan pequeñas como una gota cada pocos segundos. Las ciudades desde Austin hasta Amberes están instalando medidores de agua inteligentes de alta tecnología que brindan a los clientes la información que necesitan para encontrar fugas y conservar agua mientras ayudan a las empresas de servicios públicos a identificar fugas de infraestructura en tuberías viejas y tuberías de agua rotas.
“El agua que tenemos hoy es la única que tendremos”, dice Holly Holt-Torres, gerente de conservación de agua de la Ciudad de Dallas Water Utilities. “Tenemos que conservarlo. La tecnología nos permitirá hacerlo a un nivel cada vez más alto ".
Pero esta tecnología ultrasónica tiene aplicaciones que se extienden más allá de los medidores de agua. La misma tecnología se puede utilizar en medidores que miden el flujo de gas natural e incluso detectan la mezcla de gas que fluye a través de las tuberías. Incluso puede ayudar a los profesionales médicos a regular el suministro de oxígeno en el equipo quirúrgico.
Siguiendo la corriente
Las ondas ultrasónicas, por supuesto, no son nuevas. Los murciélagos, por ejemplo, usan rango ultrasónico para evitar obstáculos y atrapar insectos por la noche. Y en aplicaciones de más alta tecnología, se utiliza en el discernimiento de materiales, la prevención de colisiones en automóviles y la obtención de imágenes industriales y médicas.
Ahora se utiliza en medidores de agua y otros medidores de flujo. Los medidores tradicionalmente se han basado en un sistema electromecánico con un eje o engranaje giratorio que utiliza un elemento magnético para generar pulsos. Pero, como es el caso de los termostatos, motores y muchos otros dispositivos cotidianos, los sistemas electromecánicos en los medidores de flujo están pasando rápidamente a sistemas electrónicos.
En estos sistemas, un par de transductores ultrasónicos inmersivos mide la velocidad de las ondas acústicas en el fluido. La velocidad de propagación de la onda acústica es función de la viscosidad, el caudal y la dirección del fluido que fluye a través de la tubería. Las ondas ultrasónicas viajan a diferentes velocidades dependiendo de la rigidez del medio por el que viajan.
La precisión de la medición depende de la calidad del transductor, los circuitos analógicos de precisión y los algoritmos de procesamiento de señales. Los transductores acústicos o ultrasónicos son materiales piezoeléctricos que convierten las señales eléctricas en vibraciones mecánicas a una frecuencia relativamente alta de cientos de kilohercios. Por lo general, un par de transductores ultrasónicos en el rango de 1-2 MHz deben estar bien emparejados y calibrados para medir el flujo con precisión. Constituyen una parte importante del costo del medidor de flujo. El sistema de sensores debe funcionar a muy baja potencia para garantizar una duración de la batería de 15 a 20 años.
El chip de medición de flujo avanzado de nuestra empresa, el MSP430FR6043, incluye un algoritmo y una interfaz analógica única, que mejora significativamente la precisión al tiempo que reduce el costo general y el consumo de energía. Nuestra arquitectura de medición de flujo aprovecha el diseño analógico de alto rendimiento, los algoritmos avanzados y el procesamiento integrado para mitigar la necesidad de un costoso par de transductores ultrasónicos. Los algoritmos de procesamiento de señal y de interfaz analógica compensan la falta de coincidencia del transductor.
Haciendo que cada gota cuente
Un medidor de flujo ultrasónico típico transmite una onda ultrasónica y mide el retardo diferencial en el receptor para estimar la velocidad del flujo. Las mediciones de retardo generalmente se manejan mediante un circuito convertidor de tiempo a digital que monitorea el cruce por cero de la forma de onda recibida. El desafío con el enfoque típico es que no es lo suficientemente sensible para detectar niveles de flujo con alta precisión.
Nuestra arquitectura implementa una interfaz analógica inteligente con un convertidor de analógico a digital de alto rendimiento para mejorar la calidad de la señal a ruido y superar las imprecisiones de calibración. Este enfoque tiene varios beneficios:
- Puede lograr una mayor precisión al reducir la interferencia y mejorar la relación señal-ruido.
- La arquitectura puede medir un amplio rango dinámico de flujo, desde una manguera contra incendios hasta una pequeña fuga.
- Al usar un controlador de voltaje más bajo, se ahorra significativamente en energía y costos. La corriente promedio para una medición por segundo es menos de 3 microamperios. Esto se traduce en una duración de la batería de más de 15 años.
- Puede detectar turbulencias, burbujas y otras anomalías de flujo, lo cual es importante para el análisis de flujo y el mantenimiento de las tuberías.
- La tecnología es robusta a las variaciones de amplitud en las dos direcciones del flujo, que pueden ocurrir en agua y gas a velocidades de flujo más altas.
Muchas otras tecnologías de TI son fundamentales para un caudalímetro de alto rendimiento. Un microcontrolador de baja potencia con interfaz analógica ultrasónica integrada, una referencia de reloj de alto rendimiento, una administración de energía de corriente de baja inactividad y una adaptación de impedancia ultraprecisa de las rutas del controlador de transmisión y del amplificador de recepción son ejemplos de tecnologías diferenciadoras adicionales en estos medidores de flujo.
Juntas, estas tecnologías pueden ayudar a conservar uno de nuestros recursos más preciados.