Ende der Verschwendung
Ultraschall-MCUs für genaue Wasserzähler
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Das Messprinzip für hohe Genauigkeit
Allerdings ist es nicht trivial, das Ultraschall-Messprinzip so einzusetzen, dass es die hohe Genauigkeit tatsächlich erreicht. Wie immer steckt der Teufel im Detail. So funktioniert die Messung: An einem Rohr sind in einem bestimmten Abstand, der vom Einsatzfall abhängt, zwei Transducer am Wasserrohr angebracht. Transducer 1 sendet in Wasserfließrichtung ein Signal durch die Wassersäule, das Transducer 2 aufnimmt. Dann sendet umgekehrt Tansducer 2 ein Signal, das Transducer 1 empfängt. Die Fließgeschwindigkeit wird dann über die Differential-Time-of-Flight Messung bestimmt. Die Transducer können dabei im Frequenzbereich zwischen 33 kHz und 2,5 MHz arbeiten.
Wesentlich ist, dass TI die gesamte Waveform aufnimmt und korreliert: »Wir wissen, welche Wellenform ankommen muss und können dadurch Störungen herausrechnen«, erklärt André Frantzke. Dabei geht es nicht nur etwa um verschiedene Temperaturen, sondern auch um die Alterung der Transducer, die unweigerlich eintritt und die sich jetzt kompensieren lässt. Alterungseffekte stellen damit kein Problem mehr dar. Sogar Kallibrierungen lassen sich durchführen. Schließlich sieht der Betreiber auch, wann Sensoren ausgetauscht werden müssen.
Um dies bewerkstelligen zu können, sind zwei Dinge erforderlich: Erstens ein schneller auf dem Chip integrierter 12-Bit -Sigma-Delta -A/D-Wandler mit 8 MSPS und zweitens ein ebenfalls integrierter mathematischer Coprozessor – TI nennt ihn Low Energy Accelaerator –, der FFTs und Filterfunktionen berechnet. Dennoch nimmt der MSP430FR6047 bei einer Messung pro Sekunde nur 3 µA auf.
Zu der geringen Energieaufnahme trägt auch der integrierte 256-KByte-FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) bei, der sich viel energieeffizienter als ein entsprechender Flash-Speicher betreiben lässt. Zudem gibt es drei Power-Modes. Im aktiven Zustand nimmt er 120 µA/kHz auf, im Stand-by-Mode mit RTC 450 nA und im Shut-Down-Modus 30 nA. »Deshalb beträgt die Mindestlebensdauer der Batterie zehn Jahre, häufig hält sie sogar bis zu 20 Jahre«, so Andre Frantzke. Der hohe Integrationsgrad führt außerdem dazu, dass die Anzahl der benötigten Bauelemente gegenüber bisherigen Systemen um 50 Prozent sinkt.
Umfangreiche Entwicklungsumgebungen
Mit Hilfe des Ultrasonic Design-Center, der entsprechenden Tools, einer grafischen Benutzeroberfläche und des Referenz-Designs EVM430-FR6047 können die Anwender ultraschallbasierte Datenaufnahme für ihre jeweiligen Anwendungsfälle schnell und einfach entwickeln. Über die BoosterPack-Anschlüsse lassen sich Funktionen wie die HF-Kommunikation, das Batterie-Management und die Temperaturmessung anbinden.
Auch für die Kommunikationseinheiten hat Texas Instruments Referenz-Designs entwickelt. Das »Low Power Water Flow Measurement with Inductive Sensing Reference Design« basiert auf der SimpleLink-CC1350-MCU, die den Dualband-Funkbetrieb ermöglicht. So können die Betreiber ihre Zähler drahtlos auslesen (Automated Meter Reading, kurz AMR). Die Sensor-Controller-Engine des CC1350 erlaubt es, die Messungen bei einer Stromaufnahme von 4 µA durchzuführen.
Für die Kommunikation unterhalb von 1 GHz steht das »Low Power Wireless MBus Communications Module Reference Design« zur Verfügung. Die Software unterstützt den Wireless-MBus-Stack und andere Protokolle. »So beschleunigt sich die Einführung neuer Produkte auf dem Markt von Jahren auf jetzt einige Monate«, erklärt Venu Subbian, Product Marketing Manager für MSP430-Controller für EMEA von Texas Instruments.
Wireless MBus für Europa
Der Wireless MBus findet vor allem in Europa und Deutschland Einsatz. Ein Markt, der für Texas Instruments interessant ist: »Gerade die deutschen Zähler-Hersteller sind ausgesprochen innovativ und bieten sowohl Smart Meter für die Ultraschallmessung von Wasserverbrächen an als auch Möglichkeiten, bestehende Zähler vernetzbar zu machen«, so André Frantzke.
Denn wer nicht gleich neue Zähler installieren will, der kann sie zumindest mit den Kommunikationseinheiten ausstatten: So werden die vielen existierenden Zähler vernetzbar und können für AMR aufgerüstet werden können. Das ist für viele Versorger interessant, die im ersten Schritt eher vorsichtig investieren wollen und erst einmal damit beginnen, die bestehenden Zähler mit Kommunikationseinheiten auszustatten und automatisch ablesbar zu machen. Das gilt für Versorger sowohl in Europa als auch in den USA und dort insbesondere auch für die Meter-Reading-Firmen, von denen es allein in den USA laut Venu Subbian rund 50.000 gibt.
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