Neue Messtechnik für Wasserzähler Wenn Trinkwasser knapp wird, zählt jeder Tropfen

Dr. Ahmad Bahai, Technikchef bei Texas Instruments und Direktor des TI Corporate Research, Kilby Labs.
Dr. Ahmad Bahai, Technikchef bei Texas Instruments und Direktor des TI Corporate Research, Kilby Labs.

Lecks in der Trinkwasserversorgung zu erfassen ist eine Herausforderung - auch in Smart Buildings und Cities. Dr. Ahmad Bahai, Technikchef bei Texas Instruments und Direktor des TI Corporate Research, beschreibt ein neues Messverfahren, das sogar einen Tropfen registrieren kann.

Die Statistiken sind alarmierend: allein in den USA gehen durch Leckagen in Haushalten jährlich rund 3,4 Mrd. m3 Wasser verloren. Um einen Eindruck von dieser Menge zu bekommen: damit könnten etwa 11 Mio. Haushalte in den USA ein ganzes Jahr auskommen [1]. In anderen Ländern, ob in Europa oder Asien, ist die Lage ähnlich. Verschärft wird dieses Problem durch die zu erwartende Wasserknappheit [2].

Hilfe ist jedoch in Sicht, denn mithilfe der Ultraschalltechnik sind elektronische Wasserzähler in Smart Buildings und Smart Citys in der Lage, Leckagen festzustellen und zu lokalisieren, durch die nur alle paar Sekunden ein Tropfen verlorengeht. Städte von Austin bis Antwerpen installieren High-Tech-Wasserzähler, die den Kunden die nötigen Informationen geben, um Leckagen aufzuspüren und Wasser zu sparen. Den Wasserversorgern wiederum wird dabei geholfen, Leckagen in der Infrastruktur, die durch alternde Rohre und gebrochene Hauptleitungen verursacht werden, festzustellen.

»Das Wasser, das wir heute haben, ist das einzige Wasser, das wir jemals haben werden«, sagt Holly Holt-Torres, der bei der Wasserversorgung von Dallas/Texas für das Wassersparen zuständig ist, und fügt hinzu: »Wir müssen sparsam damit umgehen, und dies wird uns mit hochkarätiger Technik immer besser gelingen.«

Die Ultraschalltechnik kann jedoch nicht nur in Wasserzählern eingesetzt werden, sondern auch in Zählern, die beispielsweise die Durchflussmenge von Erdgas oder sogar die Zusammensetzung eines durch ein Rohr fließenden Gases feststellen kann. In der Medizin kann diese Technik unter anderem helfen, die Sauerstoffversorgung von Patienten zu regulieren.

Durchfluss messen per Ultraschall

Natürlich ist die Ultraschalltechnik nichts Neues. Sie wird beispielsweise von Fledermäusen genutzt, um trotz Dunkelheit Entfernungen zu erfassen, Hindernisse zu umfliegen und Insekten zu fangen. In anspruchsvolleren technischen Anwendungen dient sie zur Materialbestimmung, zur Kollisionsvermeidung in Kraftfahrzeugen sowie in industriellen und medizinischen Messgeräten für den Blick unter die Oberfläche – als eine Alternative zum Röntgen.

Inzwischen kommt die Ultraschalltechnik auch in Wasserzählern und anderen Durchflussmessern zum Einsatz. Traditionell basierten solche Zähler (Bild 2) auf einem elektromechanischen System mit einer sich drehenden Spindel oder einem Getriebe, wobei ein magnetisches Element Impulse erzeugt. Ebenso wie bei Thermostaten, Motoren und vielen anderen Gegenständen des täglichen Gebrauchs, werden auch in Durchflussmessern die elektromechanischen Systeme rasch durch elektronische ersetzt.

In diesen elektronischen Verbrauchszählern wird die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit durch ein Paar Ultraschallwandler gemessen, die von der jeweiligen Flüssigkeit umspült werden. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Ultraschallwellen ausbreiten, ist eine Funktion der Viskosität, der Durchflussrate und der Flussrichtung der Flüssigkeit im Rohr.

Abhängig von der Konsistenz des Mediums, das sie durchqueren, breiten sich Ultraschallwellen unterschiedlich schnell aus. Die Messgenauigkeit richtet sich nach der Qualität des Wandlers, der Präzision der verwendeten analogen Schaltungen und den eingesetzten Signalverarbeitungs-Algorithmen.

Akustik- oder Ultraschallwandler basieren auf piezoelektrischen Materialien, die elektrische Signale in mechanische Vibrationen von relativ hohen Frequenzen im dreistelligen kHz-Bereich wandeln. In der Regel muss ein Ultraschallwandler-Paar im Bereich von 1 bis 2 MHz genau aufeinander abgestimmt und kalibriert werden, um die Durchflussrate präzise messen zu können.

Diese Wandler machen einen entscheidenden Anteil an den Kosten eines Durchflussmesser aus. Nicht zuletzt muss das Sensorsystem mit sehr wenig Strom auskommen, damit die verwendete Batterie 15 bis 20 Jahre hält.

Der von Texas Instruments angebotene Mikrocontroller für Durchflussmesser MSP430FR6043 [3] enthält eine spezielle analoge Eingangsstufe und einen Algorithmus, der einerseits die Genauigkeit deutlich verbessert und andererseits sowohl die Gesamtkosten als auch die Stromaufnahme verringert.

Damit lassen sich Durchflussmesser ohne kostspieliges Ultraschallwandler-Paar realisieren – nur auf der Basis einer hochleistungsfähigen Analogschaltung, fortschrittlichen Algorithmen und Embedded-Prozessor-Technik. Tatsächlich werden Ungenauigkeiten zwischen den beiden Schallwandlern durch die analoge Eingangsstufe und die Signalverarbeitungs-Algorithmen kompensiert.

Jeder Tropfen zählt

Ein typischer Ultraschall-Durchflussmesser sendet eine Ultraschallwelle aus und misst am Empfänger die Laufzeitdifferenz, um daraus die Durchflussrate abzuschätzen. Für die Laufzeitmessungen ist in der Regel ein Zeit-Digital-Umsetzer zuständig, der die Nulldurchgänge des empfangenen Signals erfasst.

Problematisch an dieser verbreiteten Technik ist, dass sie nicht empfindlich genug ist, um die Durchflussmengen mit hoher Genauigkeit zu messen. In der Schaltung von Texas Instruments wird eine prozessorgesteuerte analoge Eingangsstufe und ein leistungsfähiger AD-Umsetzer eingesetzt, um das Signal-Rauschverhältnis zu verbessern und Ungenauigkeiten bei der Kalibrierung zu vermeiden. Dieses Verfahren bietet eine ganze Reihe Vorteile:

  • Es kann eine höhere Genauigkeit erreichen, indem Interferenzen reduziert werden und der Signal-Rauschabstand zunimmt.
  • Die Schaltung kommt bei der Durchflussmessung auf einen großen Dynamikbereich – vom tropfenden Wasserhahn bis zum Feuerlöschschlauch.
  • Dank der Verwendung eines Treibers mit niedrigerer Spannung verringern sich die Stromaufnahme und die Kosten erheblich. Die durchschnittliche Stromaufnahme bei einer Messung pro Sekunde ist kleiner als 3 µA, was eine Batterielebensdauer von mehr als 15 Jahren ergibt.
  • Turbulenzen lassen sich ebenso detektieren wie Blasen oder andere Durchfluss-Anomalien. Dies wiederum ist wichtig für die Durchfluss-Analyse und die Instandhaltung der Rohrleitungen.
  • Die Technik ist unempfindlich gegenüber Amplituden-Variationen in den beiden Flussrichtungen, zu denen es bei Wasser und Gas kommen kann, wenn die Durchflussraten hoch sind.

Für einen leistungsfähigen Durchflussmesser bietet Texas Instruments viele weitere Techniken, mit entscheidenden Vorteilen, z.B.: ein stromsparender Mikrocontroller mit integrierter analoger Ultraschall-Eingangsstufe, eine leistungsfähige Taktreferenz, ein Power-Management mit geringer Ruhestromaufnahme und eine äußerst präzise Impedanzanpassung von Sendertreiber und Empfängerverstärker.

Gemeinsam in einem elektronischen Durchflussmesser eingesetzt, können diese Techniken dabei helfen, sparsam mit einer unserer wertvollsten Ressourcen umzugehen.

Im Bericht zur unternehmerischen Verantwortung von Texas Instruments [4] ist mehr darüber zu erfahren, wie sich TI für den sparsamen Umgang mit Wasser und anderen Ressourcen einsetzt.

 

Literatur

[1] Statistics and Facts. United States Environmental Protection Agency (EPA), www.epa.gov/watersense/statistics-and-facts?HQS=corp-ino-null-thinkinn-blog-null-20190625-WWE.

[2] Brown, T. C.; Mahat, V.; Ramirez, J. A.: Adaptation to Future Water Shortages in the United States Caused by Population Growth and Climate Change. Earth's Future, 2019, H. 3, S. 211–337, DOI: 10.1029/2018EF001091, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018EF001091?HQS=corp-ino-null-thinkinn-blog-null-20190625-WWE&.

[3] MSP430FR6043 – Ultrasonic sensing MSP430 microcontrollers for gas and water flow metering applications. Texas Instruments, www.ti.com/product/MSP430FR6043?HQS=corp-ino-null-thinkinn-blog-null-20190625-WWE.

[4] Corporate Citizenship Report. Texas Instruments, 2018, www.ti.com/about-ti/citizenship-community/texas-instruments-citizenship-report.html?HQS=corp-ino-null-thinkinn-blog-null-20190625-WWE.

 

Dr. Ahmad Bahai

ist Cheftechnologe im Vorstand von Texas Instruments sowie Direktor von TI Corporate Research, Kilby Labs, beratender Professor an der Stanford University und IEEE Fellow. Er leitete zuvor als CTO bei National Semiconductor die Forschungslabors. Bis 1997 war Dr. Bahai bei den Bell Laboratories als technischer Leiter der Forschungsgruppe für Kommunikationstechnik und Signalverarbeitung zuständig und war Professor auf Zeit an der University of California, Berkeley. Später gründete er die Firma Algorex, ein IC-Entwicklungsunternehmen spezialisiert auf Kommunikationstechnik und Akustik, das von National Semiconductor gekauft wurde. Dr. Bahai ist Miterfinder der Multiträger-Modulation mit Frequenzspreizung, die in vielen modernen Kommunikationssystemen, wie 4G-Mobilfunk und Power-Line verwendet wird. Er verfasste 1999 das erste Lehrbuch zum Orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM), arbeitete fünf Jahre als Redakteur für IEEE-Zeitschriften und engagierte sich bis 2011 im technischen Lenkungsausschuss der International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).

Dr. Bahai hat mehr als 80 IEEE-/IEE-Publikationen veröffentlicht und hält 38 Patente. Seinem Elektrotechnikstudium (Master of Science) am Imperial College, University of London, folgte die Promotion (Ph.D.), ebenfalls in Elektrotechnik, durch die University of California in Berkeley.