Bun venit apometrelor în Secolul 21

8 IULIE 2015

Pic. Pic. Pic. Poată că nu realizaţi, dar acest sunet probabil că se aude chiar acum undeva în casa voastră.
Apa. Ea este resursa care trebuie cel mai judicios gestionată de pe întreaga planetă. Obţinerea unei ape mai curate pentru fiecare poate să fie efectiv o problemă de viaţă şi de moarte. Gestionarea resurselor de apă este o provocare serioasă astăzi. Apa este scump de curăţat şi dificil de furnizat acolo unde este nevoie. De fapt, conectarea oamenilor la apă curată este una dintre marile provocări ale secolului 21.

de Kris Ardis, Ddirector Executiv pentru produse legate de energie, Maxim Integrated ( www.maximintegrated.com)

Cu aşa o miză importantă, Internetul Lucrurilor (IoT)1 şi reţelele de utilităţi inteligente au oportunitatea de a îmbunătăţi lumea prin implementarea de tehnologii de măsurare precisă şi sigură a debi­tului de apă. Companiile de utilităţi trebuie să înţeleagă şi să monitorizeze modul în care apa este consumată 2 astfel încât ele să poată să estimeze necesităţile de apă. Apometrele de astăzi nu ajută prea mult la identificarea risipei. Datorită rarităţii tot mai mari a resurselor de apă, cu toţii trebuie să ştim unde se duce fiecare picătură de apă curată. Pe scurt, ne trebuie o reţea de apometre inteligente prezente peste tot.
La această dată, tehnologia de măsurare inteligentă a consumului de apă s-a concentrat pe reţele de comunicaţii – comunicând datele către companiile de utilităţi. În acelaşi timp, precizia acestor apometre a fost suspect de ridicată. De fapt, tehnologia de măsurare sigură a debitului de apă bazată pe soluţii compacte nu a putut trece de la aplicaţiile de nişă pentru pieţele de precizie super-ridicată la aplicaţiile de masă… până de curând.
Prin urmare, măsurarea debitului de apă astăzi este o afacere imprecisă şi scumpă, nici pe departe gata pentru ca IoT să ofere avantaje pentru managementul apei, nici pe departe ca omenirea să înceapă să înţeleagă cu adevărat unde se duce apa noastră curată. Din fericire, acest lucru este pe cale să se schimbe. Există acum noua tehnologie a apometrelor compacte care este mult mai precisă şi mult mai sigură decât apometrele tradiţionale mecanice. Aceste dispozitive noi compacte cu ultrasunete sunt gata pentru epoca IoT.

Starea pe termen lung a măsurării debitului de apă

Nu ignoraţi picătura de apă pe care aţi auzit-o acum câteva minute. Gândiţi-vă în schimb la daunele asupra fundaţiei şi la mucegaiul care probabil vă invadează casa chiar acum. Apometrul vostru, în acest timp, ignoră cu siguranţă această scurgere.
Standardele curente ale apometrelor nu s-au schimbat de decenii 3 şi permit o cantitate substanţială de pierderi în sistem. Apometrelor nu li se cere să măsoare sub o pierdere de 360 galoane (n.red. aproximativ 1363 litri; 1 galon = 3.785412 l) pe zi, deoarece aceasta este limitarea apometrelor meca­nice de astăzi. Este de asemenea dificil de garantat precizia acestor apometre pe o perioadă de timp. Imaginaţi-vă pentru un moment ce însemnă 360 de galoane pe zi. Cu această “scurgere” aţi putea umple o piscină de 20000 de galoane (75700 litri) în mai puţin de 2 luni. Aţi putea oferi apă de băut pentru 400 până la 700 de oameni pe zi. Aţi putea trage apa la toaletă de 60 de ori pe zi, sau aţi putea asigura 4 duşuri de câte 10 minute pe zi.
Este această teamă doar subiect de scandal? Privim specificaţiile existente şi creăm teamă, nesiguranţă şi dubii? Nu. Risipa apei curate prin scurgeri este reală. În Statele Unite ale Americii se pierd în acest fel la nivel casnic peste 1 trilion de galoane de apă pe an; 10% din toate casele au scurgeri datorate neetanşeităţilor de cel puţin 90 de galoane pe zi (aprox.340 l). 4 Estimări bazate pe cercetări atente arată că “în ţările în curs de dezvoltare aproape o jumătate din apa din sistem este pierdută prin neetanşeităţi, prin furt şi management defectuos, sau este contaminată.” 5 Pe plan mondial, un procent semnificativ de apă curată este pierdută înainte de a ajunge la destinaţie.
Ce tragedie! Cum să ne gândim la căi mai eficiente de livrare a apei curate dacă nu ştim unde se duce atâta apă? Cum putem să luăm decizii inteligente despre apă când nu putem determina cu precizie dacă o clădire pierde prin neetanşeităţi volumul de apă al unei piscine? De ce suntem în această situaţie?

Măsurarea consumului de apă cu un dispozitiv mecanic

Nu este nicio conspiraţie. Măsurarea debitului de apă este dificilă. Cea mai evidentă cale de măsurare a debitului de apă este tocmai aceea care a fost folosită de zeci de ani – cu un dispozitiv mecanic. O turbină aflată în interiorul dispozitivului de măsurare se roteşte proporţional cu cantitatea de apă ce trece, determinând în acest fel debitul de apă. Această abordare permite companiilor de utilităţi să factureze clienţii individuali pentru o va­loare aproximativă a cantităţii de apă utilizate. Această metodă este imperfectă. În consecinţă, imprecizia dispozitivului de măsurare mecanic limitează posibilităţile noastre de a determina precis unde dispare apa irosită. Ea limitează de asemenea, posibilitatea managementului apei de a se integra în epoca modernă, incluzând aici IoT.
Apometrele mecanice tradiţionale larg utilizate astăzi suferă de două defecte majore. Primul este fizică pură. Pentru a pune în mişcare rotorul este nevoie de o cantitate minimă de debit prin dispo­zitiv. Rotorul are o rezistenţă ce trebuie depăşită pentru a asigura rotaţia. Aceasta este forţa conducătoare din spatele standardelor apometrelor de astăzi ce limitează efectiv precizia la un sfert de galon pe minut (aproximativ 1 l/min).
Al doilea defect major pentru măsurarea mecanică îl reprezintă contaminarea. Imaginaţi-vă filtrele de la chiuveta din bucătărie sau de la cada de baie. În afară de momentul instalării, l-aţi mai văzut vreodată complet curat? Este foarte probabil că se acumulează depuneri. Acum imaginaţi-vă problema la nivelul apometrelor cu rotor mecanic. Apometrele sunt în general testate pentru o precizie de 1% pe domeniul de debit aşteptat. Depunerile mine­rale şi alte elemente corozive din apă influenţează rapid precizia oricărui apometru mecanic. 6 De fapt, studii recente asupra apometrelor mecanice au arătat că mai mult de 89% dintre diferitele tipuri de apometre erau imprecise. 7 Apometrele mecanice se decalibrează în mai puţin de doi ani. Atunci când funcţionează prost, în mod uzual ele merg mai “încet”, însemnând că o companie de utilităţi nu va şti exact unde se consumă apa. De-a lungul timpului companiile de utilităţi au acceptat că o cantitate de apă se va trece la pierderi, care nu sunt facturate. Pentru a rămâne pe profit, ele trebuie să împartă costul pierderilor la toţi consumatorii.

Îmbunătăţirea preciziei de măsurare cu apometre compacte

Dacă apometrele mecanice au asemenea imperfecţiuni, ce soluţii alternative există? În mod cert, o soluţie compactă va rezolva problemele contaminării. Există două soluţii compacte tipice utilizate astăzi în măsurarea debitelor de apă.
Prima soluţie compactă este magnetică. Ca principiu, un câmp magnetic este generat şi detectat printr-un lichid conductiv; câmpul detectat va fi proporţional cu debitul de lichid. În practică, debit­metrele magnetice pot fi foarte precise, dar necesită convertoare A/D de înaltă precizie pentru rezoluţia măsurării, solicitând un consum energetic ridicat şi costuri generale ridicate. În vreme ce această rezoluţie (şi energie consumată şi cost BOM) poate fi practică pentru contoarele de distribuţie apă sau contoare de referinţă, ea nu este practică pentru apometrele rezidenţiale sau debitmetrele omniprezente.
A doua soluţie compactă utilizează pulsuri ultraso­nice pentru a măsura debitul de apă. Principiul ge­neral este că două elemente piezoceramice într-o conductă de apă vor trimite şi recepţiona pulsuri ultrasonice prin apă. Apa care curge prin dispozitiv va îmbunătăţi sau diminua viteza pulsurilor ultrasonice. Senzorii de pe fiecare parte vor citi apoi şi analiza pulsurile pentru a determina faza delta a semnalului analogic recepţionat, iar cu ajutorul acesteia se calculează debitul de apă. Tehnicile convenţionale de a gestiona măsurarea pulsurilor sunt scumpe şi consumatoare energetic deoarece procesoarele DSP şi convertoarele A/D de mare viteză şi înaltă precizie recepţionează pulsurile ultrasonice, corelează şi determină debitul de apă. Din nou, costurile şi consumul energetic fac din acest mecanism unul neacceptabil pentru măsurarea debitului de apă.
Fiind dată această situaţie, se mai miră cineva că marea majoritate a apometrelor rezidenţiale sunt mecanice? Mai mult, nu este de mirare de ce nu vedem debitmetre peste tot pe reţea. Nu vom vedea dispozitive de măsurare a debitului pe electrocasnice precum încălzitoare de apă, sisteme de stropire, duşuri, rezervoare de gaz natural sau propan etc. până când măsurarea debitului va deveni mai economică energetic şi mai ieftină.

Soluţii de măsurare precise şi accesibile pentru măsurarea debitelor de apă

Cu apometre compacte atât de mari consumatoare şi scumpe, nu este surprinzător că măsurarea debitelor de apă este încă blocată în secolul 20, şi este incapabilă de a se alătura IoT.
Avem cu siguranţă nevoie de o tehnologie compactă, economică şi eficientă energetic care să poată măsura cu precizie debitele de lichid.

Figura 1: Corpul debitmetrului este ţeava prin care curge fluidul. Pentru debitmetru ultrasonic, corpul conţine elemente piezoelectrice şi oglinzi ce generează, absorb şi reflectă undele ultrasonice

Acum trebuie să vorbim despre convertoare TDC (time-to-digital). Un circuit TDC recepţionează un semnal de start şi stop şi raportează cu precizie intervalul de timp. Sună simplu, dar dacă vă spun că măsoară precis o diferenţă de timp în picosecunde fără să necesite un ceas de ordinul THz (1000GHz)? Circuitul consumă un curent de ordinul micro­amperilor?
Un debitmetru ultrasonic bazat pe TDC (Figura 1) utilizează şi el elemente piezo pentru a trimite semnalele în amonte şi aval şi măsoară diferenţa de timp (care este momentul în care intervine TDC). Totuşi, semnalele de start şi stop necesită o condiţionare semnificativă pentru ca noi să obţinem o măsurare precisă, precum drivere pentru elementele piezo, amplificarea semnalului recepţionat şi compensarea temperaturii. Mai mult, precizia sistemului poate fi semnificativ îmbunătăţită prin adăugarea unei logici de control particulare pentru a realiza câteva funcţii: lansarea şi măsurarea unor pulsuri multiple, declanşarea sigură la primul semnal piezo, înregistrarea istoricului, manipularea datelor de calibrare şi stocarea de intrări multiple înainte de activarea microcontrolerului sistemului (Figura 2).

Figura 2: O diagramă bloc a sistemului pe cip, debitmetru înalt integrat MAX35101. Observaţi circuitul de măsurare integrat TDC şi condiţionarea semnalului analogic în AFE (analog front-end).

Sistemul pe cip (SoC) pentru măsurarea debitului MAX35101 rezolvă problemele legate de energie şi cost ale debitmetrelor compacte şi va ajuta ca măsurarea cu înaltă precizie a debitului să poată deveni omniprezentă. Acest sistem integrează un circuit de măsurare TDC, condiţionare de semnal analogic, şi micro-DSP-ul şi logica necesare pentru a oferi o măsurare extrem de precisă. Se rezolvă toate problemele care ne împiedicau să urmărim apa irosită sau care nu permiteau alăturarea la conectarea IoT specifică secolului 21.

Care sunt avantajele tangibile ale acestei tehnologii? Sunt multe.

Precizie îmbunătăţită. Standardele de măsurare de astăzi necesită o precizie la debit mic de un sfert de galon pe minut. MAX35101 poate obţine o precizie de 1% la 1/16 galoane pe minut (aprox. 0,24 l/min), care este noul nivel de măsurare propus curent, 8 şi el poate detecta scurgeri la viteze mult mai mici. (nu aveţi nevoie de o precizie de 1% pentru a spune că există o scurgere.)
Longevitate îmbunătăţită. Fără a avea componente în mişcare, un debitmetru compact este mai puţin sensibil la coroziune sau la depuneri ce cauzează curent decalibrarea debitmetrelor meca­nice. Aceste dispozitive de măsurare pot rămâne în lucru pentru mai mult timp, menţinându-şi precizia.
Cost de proprietate îmbunătăţit. Cu dispozitive de măsurare mecanice, precizia dvs. se va deteriora sau va trebui să înlocuiţi apometrul la fiecare câţiva ani. Un apometru compact va dura mult mai mult. Companiile de utilităţi vor vedea costurile operaţionale scăzând substanţial în ceea ce priveşte întreţinerea şi schimbarea dispozitivelor de măsurare.
Cost îmbunătăţit BOM. Sistemele pe cip debitmetre ultrasonice nu necesită multe alte lucruri pentru a executa o măsurare precisă. Este un contrast important cu alte tehnologii compacte de măsurare ce necesită procesoare DSP şi convertoare A/D de înaltă precizie.
Consum energetic redus. Sistemul pe cip pentru măsurarea debitului nu va necesita costuri ridicate pentru baterie, deoarece adaugă un consum de numai câţiva microamperi sistemului de măsurare. Companiile de utilităţi vor fi de asemenea capabile să reducă dimensiunea bateriilor – o altă economie.

Trecere dincolo de măsurarea convenţională a consumului de apă

Aş vrea să ştiu câtă apă fierbinte consum la un duş, împreună cu o maşină de spălat vase sau cu o maşină de spălat rufe. Aş vrea să detectez scurgeri sau debite excesive în sistemul de stropire din grădină. Tocmai am înlocuit capul de stropire. Cât timp a curs apă fără rost (irosindu-se şi omorând plante) până să văd şi să repar sistemul?
Debitmetrul pe cip MAX35101 este gata pentru a răspunde acestor provocări. El are consumul energetic redus şi longevitatea necesare pentru a fi implementat economic. Este mic şi integrabil în factori de formă modeşti, şi este suficient de precis pentru a detecta debite mici. Apometrele se pot alătura acum IoT.
Putem să ne imaginăm în mod realist debitmetre omniprezente în viitorul apropiat? Sigur că da. Bine aţi venit în secolul 21■

Despre autor
Kris Ardis este Director Executiv pentru produsele legate de energie la Maxim Integrated. El lucrează la Maxim de 17 ani. Ardis este licenţiat în informatică la University of Texas.

Bibliografie
1 Pentru mai multe despre părerea autorului cu privire la IoT şi tehnologiile de măsurare inteligente puteţi accesa nota de aplicaţie Maxim Integrated 5725, “Silicon, Security, and the Internet of Things,” http://www.maximintegrated.com/AN5725.
2 Veţi găsi câteva statistici interesante – poate chiar surprinzătoare – despre consumul de apă în interiorul şi exteriorul unei locuinţe tipice din Statele Unite la Washington Suburban Sanitary Comission, din 13 mai 2014, http://www.wsscwater.com/home/jsp/content/water-usagechart.faces.
3 Primul standard a fost propus în 1921. Vedeţi notele de presă la www.nrdc.org/media/2013/130326.asp.
4 Se estimează că mai mult de un trilion de galoane de apă (aproape 4 trilioane de litri) se pierd în fiecare an în casele din Statele Unite ale Americii şi 10% dintre case au pierderi ce conduc la irosirea a peste 90 de galoane de apă (aprox. 350 litri) pe zi. Datele sunt furnizate de Agenţia de Protecţie a Mediului din SUA (EPA) prin programul WaterSense, http://www.epa.gov/WaterSense/pubs/fixleak.html.
5 ”Global Reach, Global Touch, 2010 Sustainability Report”, Itron, pag. 9, https://www.itron.com/about/Documents/sustainability-2010report.pdf.
6 Vedeţi studiul asupra degradării dispozitivelor de măsurare realizat în Tinley Park, IL, U.S.A., unde s-a observat că “apometrele mecanice uzuale sunt deteriorate de pietriş”. Articolul complet “Replacing Mechanical Meters Saves Money, Increases Accuracy,” poate fi găsit la WaterWorld, www.waterworld.com/articles/print/volume-24/issue-5/ace08/replacing-mechanical-meters-saves-money-increases-accuracy.html.
7 “Water Meters, Response to California Energy Commission, 2013 Pre-Rulemaking Appliance Efficiency”, California Statewide Utility Codes and Standards Program, 9 mai 2013, pag. 6, http://www.energy.ca.gov/appliances/2013rulemaking/documents/responses/Water_Appliances_12-AAER-2C/California_IOU_Response_to_CEC_Invitation_to%20Participate-Water_Meters_2013-05-09_TN-70791.pdf. Vedeţi de asemenea “Accuracy of In-Service Water Meters at Low and High Flow Rates”, Water Research Foundation, 14 septembrie 2010, pag. 37, http://www.waterrf.org/resources/webcasts/Lists/Webcasts/Attachments/34/4028Slides.pdf.
8 În martie 2013 NRDC (Consiliul de Apărare a Resurselor Naturale) în parteneriat cu companiile de utilităţi din SUA au făcut o propunere de a reduce risipa de apă. S-a propus “revizuirea standardelor de precizie pentru noile apometre către Comitetul de Standardizare în Măsurare al AWWA (American Water Works Association). Propunerea vrea să se opună irosirii apei prin scurgeri de nivel redus şi vrea să îmbunătăţească gestionarea sistemului de alimentare cu apă”. NRDC doreşte un test de detecţie la debite de până la 1/16 galoane/minut sau 0,01m3/oră. Se doreşte determinarea cu precizie între 80% şi 101% a apei ce trece actual prin debitmetru. Pentru propunerea completă vedeţi http://docs.nrdc.org/water/files/wat_13032601a.pdf.

Maxim Integrated
www.maximintegrated.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *