As estatísticas são alarmantes: só nos Estados Unidos, vazamentos domésticos desperdiçam cerca de 900 bilhões de galões de água por ano. Para colocar esse número em perspectiva, é água suficiente para abastecer cerca de 11 milhões de residências anualmente. E outros países - da Europa à Ásia - enfrentam desafios semelhantes. Para agravar este problema, estão as esperadas faltas de água.
Mas a ajuda está aqui. A tecnologia ultrassônica oferece aos medidores de água instalados em edifícios e cidades inteligentes a capacidade de detectar e localizar vazamentos tão pequenos quanto uma gota a cada poucos segundos. Cidades de Austin a Antuérpia estão instalando hidrômetros inteligentes de alta tecnologia que fornecem aos clientes as informações de que precisam para encontrar vazamentos e conservar água, ao mesmo tempo em que ajudam as concessionárias a identificar vazamentos de infraestrutura em canos antigos e canos de água quebrados.
“A água que temos hoje é a única que teremos”, disse Holly Holt-Torres, gerente de conservação de água da City of Dallas Water Utilities. “Temos que conservar. A tecnologia nos permitirá fazer isso em um nível cada vez mais alto. ”
Mas essa tecnologia ultrassônica tem aplicações que vão além dos medidores de água. A mesma tecnologia pode ser usada em medidores que medem a vazão de gás natural e até detectam a mistura do gás fluindo em tubulações. Pode até mesmo ajudar os profissionais médicos a regular o fornecimento de oxigênio em equipamentos cirúrgicos.
Seguindo com o fluxo
As ondas ultrassônicas, é claro, não são novas. Os morcegos, por exemplo, usam ultrassom para evitar obstáculos e pegar insetos à noite. E em aplicações de alta tecnologia, é usado no discernimento de materiais, prevenção de colisões em automóveis e imagens industriais e médicas.
Agora está sendo usado em hidrômetros e outros medidores de vazão. Os medidores tradicionalmente contam com um sistema eletromecânico com um fuso giratório ou engrenagem que usa um elemento magnético para gerar pulsos. Mas - como é o caso com termostatos, motores e muitos outros dispositivos do dia-a-dia - os sistemas eletromecânicos em medidores de vazão estão mudando rapidamente para sistemas eletrônicos.
Nestes sistemas, um par de transdutores ultrassônicos imersivos mede a velocidade das ondas acústicas no fluido. A velocidade de propagação da onda acústica é uma função da viscosidade, taxa de fluxo e direção do fluido que flui através do tubo. As ondas ultrassônicas viajam em velocidades diferentes, dependendo da rigidez da mídia pela qual estão viajando.
A precisão da medição depende da qualidade do transdutor, do circuito analógico de precisão e dos algoritmos de processamento de sinal. Transdutores acústicos ou ultrassônicos são materiais piezoelétricos que convertem sinais elétricos em vibrações mecânicas em uma frequência relativamente alta de centenas de quilohertz. Normalmente, um par de transdutores ultrassônicos na faixa de 1-2 MHz deve ser bem combinado e calibrado para medir o fluxo com precisão. Eles representam uma parte significativa do custo do medidor de vazão. O sistema do sensor deve operar com energia muito baixa para garantir uma vida útil da bateria de 15-20 anos.
O chip de medição de fluxo avançado da nossa empresa, o MSP430FR6043, inclui um front end analógico exclusivo e algoritmo, que melhora significativamente a precisão enquanto reduz o custo geral e o consumo de energia. Nossa arquitetura de medição de fluxo aproveita o design analógico de alto desempenho, algoritmos avançados e processamento integrado para mitigar a necessidade de um par caro de transdutores ultrassônicos. O front end analógico e os algoritmos de processamento de sinal compensam a incompatibilidade do transdutor.
Fazendo cada gota contar
Um medidor de fluxo ultrassônico típico transmite uma onda ultrassônica e mede o atraso diferencial no receptor para estimar a taxa do fluxo. As medições de atraso são geralmente tratadas por um circuito conversor de tempo para digital que monitora o cruzamento de zero da forma de onda recebida. O desafio da abordagem típica é que ela não é sensível o suficiente para detectar níveis de fluxo com alta precisão.
Nossa arquitetura implanta um front end analógico inteligente com um conversor analógico-digital de alto desempenho para melhorar a qualidade sinal-ruído e superar imprecisões de calibração. Essa abordagem tem vários benefícios:
- Ele pode alcançar maior precisão reduzindo a interferência e melhorando a relação sinal-ruído.
- A arquitetura pode medir uma ampla faixa dinâmica de fluxo, desde uma mangueira de incêndio até um pequeno vazamento.
- Ao usar um driver de voltagem mais baixa, ele economiza energia e custos significativamente. A corrente média para uma medição por segundo é inferior a 3 microampères. Isso se traduz em uma vida útil da bateria de mais de 15 anos.
- Ele pode detectar turbulências, bolhas e outras anomalias de fluxo, o que é importante para a análise de fluxo e manutenção dos dutos.
- A tecnologia é robusta para variações de amplitude nas duas direções do fluxo, que podem ocorrer na água e no gás em vazões mais altas.
Muitas outras tecnologias de TI são críticas para um medidor de fluxo de alto desempenho. Um microcontrolador de baixa potência com front-end analógico ultrassônico integrado, uma referência de relógio de alto desempenho, um gerenciamento de energia de baixa quiescência atual e correspondência de impedância ultraprecisa do driver de transmissão e dos caminhos do amplificador de recepção são exemplos de tecnologias adicionais de diferenciação nesses medidores de fluxo.
Juntas, essas tecnologias podem ajudar a conservar um de nossos recursos mais preciosos.