Ultraschall-Sensorik Ein SoC für den Wasserzähler

Nicht nur der Strom-, sondern auch der Wasserzähler soll in ein Datennetz eingebunden werden. Dazu ist es nötig, den bislang meist analogen Zählvorgang zu digitalisieren. Damit solch ein System nicht selbst zu viel Energie verbraucht, ist es sinnvoll, die Mikrocontroller des Zählers zu entlasten und ein spezielles System-on-Chip einzusetzen.

Der Markt für Ultraschall-Wasserzähler verspricht in naher Zukunft hohe Wachstumsraten. Als nicht-invasive Methode für die Durchflussmessung eignet sich diese für die Abrechnung des monatlichen Trinkwasserverbrauchs, aber auch für den Einsatz in Industrie und Agrarwirtschaft, um beispielsweise verbrauchte Volumina zu bestimmen oder – unter Mithilfe von Regelungstechnik – komplette Prozesse zu optimieren.

Das System-on-Chip (SoC) »TDC-GP30« (Bild 1) von Acam befreit den Mikrocontroller (MCU) des Zählers von den Berechnungen der Signalauswertung.

In der Norm EN 24006 sowie in der Richtlinie über Messgeräte 2004/22/EG der Europäischen Union und der OIML (Organisation Internationale de Métrologie Légale) werden die rechtlichen Anforderungen an die eichfähige sowie eichpflichtige Durchflussmessung näher definiert [1].

Mechanische Wasserzähler sind heute immer noch klar am weitesten verbreitet. Elektronik hat hier noch keinen entscheidenden Einzug gehalten. Das wird sich aber in den nächsten Jahren Schritt für Schritt ändern. Mechanische Systeme ganz ohne Elektronik sind zwar bei den reinen Herstellungskosten nicht zu unterbieten, aber die Summenkosten über die komplette Lebensdauer liegen deutlich über denen von Ultraschall-Wasserzählern. Die Vorteile von »Smart Metering« sind dabei noch nicht berücksichtigt und kommen noch hinzu.

Ein Faktor der Summenkosten ist die Alterung: Mechanische Zähler verschleißen mit der Zeit, und die Messung wird dadurch ungenauer. Sie messen weniger als tatsächlich verbraucht wird. Ein anderer Punkt ist die Leckage-Erkennung. Ein mechanischer Zähler mit seinen beweglichen Teilen hat einen höheren Anlauffluss, der mit dem Alter auch steigt. Ultraschall kommt heute langzeitstabil auf weniger als 1 l/h. Für die Leckage-Erkennung ist das ein wichtiger Vorteil.

Generell lassen sich die Vorzüge der Ultraschall-Durchflussbestimmung gegenüber der mechanischen Volumenbestimmung so zusammenfassen: 

  • Ohne mechanische Zählwerke gibt es auch keinen mechanischen Verschleiß, sodass die Präzision der Messung bis zum Ende der Lebenszeit erhalten bleibt. 
  • Aufgrund des niedrigen Stromverbrauchs und der langzeitstabilen Messgenauigkeit kann eine geeichte Messeinheit über mindestens zwei Eichperioden in Betrieb bleiben. 
  • Die Produktionskosten sind inzwischen deutlich niedriger als die von Hybridzählern (elektronisch abgetastetes mechanisches Zählwerk) und sinken weiter. 
  • Messeinheiten können je nach Applikation fast vollständig aus Kunststoff hergestellt werden. Das Verbauen von Messing ist nicht mehr notwendig. 
  • Wegen der fehlenden mechanischen Teile beeinflussen Schwebeteilchen, Schmutz oder Sand die Langzeitstabilität und die Genauigkeit der Messung nicht. 
  • Die Strömungsrichtung wird zuverlässig erkannt. Bei Rückfluss kann entsprechend gemessen oder reagiert werden. 
  • Moderne Geräte können selbst geringste Flüsse messen. Lecks, Leitungsbrüche aber auch tropfende Wasserhähne lassen sich einfach erkennen und umgehend melden. 

Das neue SoC TDC-GP30 liegt seit Anfang 2014 als Beta-Muster vor und wird von Kundenseite untersucht. Die Bemusterungsphase der Serienversion ist für das 4. Quartal dieses Jahres vorgesehen.

So rechnet das System-on-Chip

Das IC führt alle notwendigen Kompensationsalgorithmen und Linearisierungen aus und berechnet den eichfähigen Durchfluss. Dies wirkt sich ganz erheblich auf die Stromaufnahme des Systems aus. Eine niedrige Stromaufnahme ermöglicht es, zwei unabdingbare Forderungen zu erfüllen: So ist es bei einer Einsatzzeit über mindestens zwei Eichperioden möglich, dass das Messgerät mit einer kostengünstigen Batterie in der Größe einer AA-Zelle auskommt, außerdem können Wasserzähler mit der notwendigen hohen Messfrequenz betrieben werden. Acam empfiehlt hier mindestens 6 Hz bis 8 Hz.

Der GP30 funktioniert als komplette Frontend-Lösung mit integrierter digitaler Signalverarbeitung (32-Bit-Mikroprozessor) bis zum eichfähigen Ausgangssignal und stellt bis zur Volumenausgabe über UART, Puls und SPI eine echte Single-Chip-Lösung dar (Bild 2). Entsprechend dient die nachgeschaltete Standard-MCU ausschließlich für das Management des Messgerätes und für die externen Schnittstellen wie beispielsweise Funk.

Das System-on-Chip ist wie sein Vorgänger »GP22« mit einer Temperaturmessung für Wärmemengenzähler ausgestattet, die im finalen Baustein 4-Draht-fähig sein wird. Bei einer Messrate von 8 Hz, typisch für Ultraschall-Wasserzähler, benötigt der gesamte GP30 inklusive aller Berechnungen und mathematischen Korrekturen des Flusses etwa 7 μA. Dabei entfallen circa 2 μA auf permanente Funktionen wie 1,8-V-LDO und 32-kHz-Oszillator, außerdem 5 µA auf die Messung und Berechnung des Flusses. Davon benötigt der Prozessor etwa 2,2 µA, was knapp 0,3 μA pro Messung und Sekunde ergibt. Ein solcher Wert lässt sich mit einer Low-Power-Standard-MCU nicht erreichen. Weitere Stromoptimierungen sind im finalen Chip vorgesehen und durch »intelligenten« Firmware-Code realisierbar.

Es ergibt sich eine klare Strukturierung der Aufgaben in Messwertverarbeitung bis zum eichfähigen Durchflusswert und zur Temperatur (GP30) auf der einen Seite sowie beim Gerätemanagement (diverse Schnittstellen, Datensicherheit etc. sind Aufgaben der MCU) auf der anderen Seite. Die komplette elektronische Hardware eines Volumenmessteils mit einem GP30 besteht nur noch aus wenigen Komponenten und ist damit recht platzsparend (Bild 3). Sie kann beispielsweise komplett in einen Standard-Transducer integriert werden, was weitere Wertschöpfungen in der gesamten Kette ermöglicht.

Die Entwicklung von Volumenmessteilen oder eichfähigen Zählern unterstützt Acam mit Entwicklungs- und Evaluierungs-Kits. Der GP30 lässt sich mit diesen Werkzeugen konfigurieren und/oder programmieren. Optional will das Unternehmen auch eine Messwert-Firmware anbieten, die parametisierbar Fluss und Temperatur berechnet.

Der integrierte 32-Bit-Mikroprozessor ist natürlich in Assembler programmierbar. Assembler, Debugger und Programiertools werden in der Evaluierungssoftware enthalten sein. Die Programmierung des GP30 erfolgt in-Circuit in wenigen Millisekunden mit wenigen hundert Mikroampere Strom, sodass dies auch problemlos im Batteriebetrieb mit hochohmigen Batterien (beispielsweise Lithiumthionylchlorid-Akkus) vorgenommen werden kann.