Signalverarbeitung für Ultraschall-Wasserzähler

Es gibt viele Methoden, um die Durchflussmenge von Flüssigkeiten in einem Rohr zu bestimmen, um beispielsweise einen Wasserzähler aufzubauen, um in der Industrie oder der Agrarwirtschaft verbrauchte Volumen zu bestimmen oder, mithilfe von Regelungstechnik, komplette industrielle Prozesse zu optimieren. Die Ultraschall-basierte Durchflussbestimmung hat dabei etliche Vorteile auf ihrer Seite: Da sie keine mechanischen Zählwerke verwendet, gibt es auch keinen mechanischen Verschleiß, das Gerät misst bis zum Ende seiner Lebenszeit gleichbleibend präzise. Der Betrieb einer geeichten Messeinheit ist aufgrund des niedrigen Stromverbrauchs und der langzeitstabilen Messgenauigkeit über mindestens zwei Eichperioden realisierbar.

Die Produktionskosten von Ultraschallzählern sind inzwischen soweit gesunken, dass Hybridzähler mit einem elektronisch abgetasteten mechanischem Zählwerk teurer sind. Weitere hochvolumige Anwendungen der Ultraschall-Messtechnik werden diesen Preisvorteil weiter ausbauen. Die Messeinheiten können je nach Applikation fast vollständig aus Kunststoff hergestellt werden, es ist kein Messing notwendig. Wegen der fehlenden mechanischen Teile stören auch keine Schwebeteilchen, Schmutz oder Sand die Langzeit-Stabilität und die Genauigkeit. Die Strömungsrichtung wird zuverlässig erkannt, das Gerät kann daher bei Rückfluss entsprechend messen oder reagieren. Moderne Geräte verfügen über eine hervorragende Stabilität und Sensitivität und können selbst geringste Flüsse messen. Lecks, Leitungsbrüche aber auch tropfende Wasserhähne können einfach erkannt und umgehend gemeldet werden.

Bild 1: Beim Ultraschall-Messverfahren sendet Transducer W1 sein Signal über den Spiegel S1 in die Leitung. Spiegel S2 wirft die akustischen Wellen dann zum Transducer W2. Der Vorgang läuft in beide Richtungen.Acam Messelectronic

Das Messprinzip

Die Ultraschall-Durchflussbestimmung nutzt zwei Transducer in einem definierten Abstand voneinander (Bild 1). Transducer 1 sendet – meist über einen akustischen Spiegel – Ultraschallsignale in den Wasserstrom. Transducer 2 misst die Zeit, die das Signal benötigt, und sendet dann seinerseits Ultraschallwellen zurück an Transducer 1. Durch den Doppler-Effekt unterscheiden sich die Laufzeiten je nach Fließgeschwindigkeit.

Neben der reinen Ultraschall-Sensorik braucht so ein System eine ausgefeilte Signalaufbereitung und -verarbeitung. Auf diesem Gebiet arbeitet Acam Messelectronic seit Ende der 1990er Jahre und bringt nun erste Beta-Muster seines neuen System-on-Chip TDC-GP30 heraus. Die Bemusterungsphase für die Serienversion ist für das vierte Quartal 2014 vorgesehen.

Bild 2: Das Blockschaltbild des GP30 zeigt, dass sogar ein kleiner 32-Bit-Mikrocontroller integriert ist.Acam Messelectronic

So rechnet der TDC-GP30

Der GP30 enthält alle nötigen Komponenten vom Analogfrontend über die Digitalisierung bis zur Signalverarbeitung (Bild 2). Die fünfte Generation der Acam-Bausteine befreit die MCU des Zählers nun auch vollständig von den Berechnungen der Signalauswertung. Der 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 das Erfüllen von zwei unabdingbaren Forderungen: Bei einer Einsatzzeit über mindestens zwei Eichperioden plus Reserve (15 Jahre) wird es möglich, das Messgerät mit einer kostengünstigen Batterie in der Größe einer AA-Zelle zu betreiben. Außerdem können Wasserzählern nun mit der notwendigen hohen Messfrequenz betrieben werden, Acam empfiehlt mindestens 6 bis 8 Hz.

Auch ergibt sich eine klare Strukturierung der Aufgaben in der Messwertverarbeitung bis zum eichfähigen Durchflusswert und Temperatur auf der einen Seite (GP30) sowie beim Gerätemanagement mit diversen Schnittstellen, Datensicherheit und mehr auf der anderen Seite (MCU).

Bild 3: Der TDC-GP30 ermöglicht sehr kompakte Designs, die sich komplett in einen Standard-Transducer integrieren lassen.Acam Messelectronic

System vereinfacht

Über verschiedene digitale Schnittstellen (UART, Puls oder SPI) gibt der GP30 die berechneten Messwerte an die nachfolgende Einheit weiter. Die komplette elektronische Hardware eines Volumenmessteils mit einem GP30 besteht nur noch aus wenigen Komponenten. Sie kann damit beispielsweise komplett in einen Standard-Transducer integriert werden (Bild 3), was weitere Wertschöpfungen in der gesamten Kette ermöglicht.

Die Normen EN 24006 sowie die Richtlinien über Messgeräte 2004/22/EG der Europäischen Union und der Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) definieren unter anderem die rechtlichen Anforderungen an eichfähige sowie eichpflichtige Durchflussmessung.

Die Entwicklung von Volumenmessteilen oder eichfähigen Zählern unterstützt Acam mit Entwicklungs- und Evaluations-Kits.Damit können notwendige Adaptionen schnell vorgenommen werden. Der GP30 kann mit diesen Werkzeugen konfiguriert und/oder programmiert werden. Optional wird Acam auch eine Messwert-Firmware anbieten, welche parametisierbar die Fluss- und Temperaturberechnung durchführt. Der integrierte stromoptimierte 32-Bit-Mikroprozessor (77 μA/MHz) ist mit Assembler programmierbar. Entsprechende Werkzeuge werden in der Evaluation-Software enthalten sein. Der GP30 ist in der fertigen Schaltung programmierbar, die Programmierung erfolgt in wenigen Millisekunden mit wenigen hundert Mikroampere Strom, sodass dies auch problemlos im Batteriebetrieb mit hochohmigen Batterien erfolgen kann.

(lei)