스마트 유량계에서 초음파 감지를 사용하는 방법

효과적인 수량 관리를 위해서는 스마트 수량 계측을 확장하고 개선하는 것이 필수적입니다. 계측을 활용하면 배수 시스템에서 누수를 식별하여 찾고 가뭄이나 기타 급수 제한 상황에 절수 성능을 개선할 수 있습니다. 초음파 유량계 기술은 산업, 상업 및 주거 환경에서 채택되고 있습니다. 이러한 계측기는 기존의 기계식 유량계에 비해 다양한 이점을 제공합니다. 즉, 움직이는 부품이 없고, 유지 관리를 최소화하고, 신뢰성을 최대화하며, 전력 소비가 낮고, 배터리가 수년 동안 지속되고, 높은 정확성을 제공하며, 양방향 측정을 지원하도록 설계될 수 있습니다.

이 기사에서는 스마트 유량계의 초음파 유량 센서 작동 및 통합을 설명하고 가정용 계측기 정확성에 대한 국제 표준을 간략히 살펴봅니다. 그런 다음 Audiowell의 초음파 센서 조립품, Texas Instruments의 AFE(아날로그 프런트 엔드), 시간 디지털 컨버터(TDC), 마이크로 컨트롤러 장치(MCU) 및 평가 기판을 비롯하여 계측기에 사용하는 데 적합한 부품과 Silicon Labs의 보안 부팅을 지원하는 RF 트랜시버, Tadiran의 수명이 긴 1차 배터리를 비롯한 '지원' 부품을 예로 들어 설명합니다. 마지막으로 초음파 유량계의 정확성 개선을 위해 몇 가지 사항을 제안합니다.

일반적인 전달 시간 초음파 유량계에는 흐르는 물을 통해 반대 방향으로 전달되는 두 초음파 펄스 계열을 생성하기 위한 두 개의 압전 트랜스듀서가 포함되어 있습니다. 다운스트림 펄스와 업스트림 펄스 사이의 ToF(Time of Flight 또는 이동 시간) 차이는 물의 유량을 측정하는 데 사용됩니다. 기타 기능 블록(그림 1):

• 각 압전 트랜스듀서의 음향 미러
• 전송 ToF IC: 이 블록은 주로 IC 2개, 트랜스듀서와 연결할 아날로그 프런트 엔드 1개, ToF를 측정할 별도의 피코초 정확도 스톱워치 1개로 구성됩니다.
• 유량을 계산하고 통신 IC 및 선택적 디스플레이에 연결하기 위한 마이크로 컨트롤러
• 수명이 긴 배터리 또는 기타 전원(표시되지 않음)

그림 1: 두 초음파 펄스 계열이 반대 방향으로 전달됩니다. 다운스트림 펄스(파란색) 업스트림 펄스(빨간색) 사이의 ToF(시간차, 이동 시간) 차이는 물의 유량을 측정하는 데 사용됩니다. (이미지 출처: Audiowell)

각 초음파 펄스의 시작 부분에서 ToF 측정 시작을 나타내는 '시작' 신호가 생성됩니다. 펄스가 수신기에 도달하면 ‘정지’ 신호가 생성되고, ‘시작’과 ‘정지’ 사이의 간격은 스톱워치 기능을 기준으로 ToF를 결정하는 데 사용됩니다. 물이 흐르지 않을 경우 전달 시간 측정값이 동일합니다. 정상적으로 흐르는 상태에서는 업스트림 파장이 다운스트림 파장보다 더 느리게 이동합니다. 물이 반대 방향으로 흐를 경우 센서에 대한 파장 이동 속도가 반전됩니다.

가정용 계측기의 정확성 표준

가정용 유량계는 다양한 표준을 충족하도록 설계되어야 합니다. 예를 들어 유량계의 최대 허용 오차(MPE)에 대한 계측 요구 사항은 OIML(International Organization of Legal Metrology)에서 일련의 값(Q1, Q2, Q3, Q4)으로 정의합니다(표 1).

표 1: 가정용 유량계의 OIML 표준 MPE는 일련의 네 유량 영역을 기반으로 합니다. (표 출처: Texas Instruments)

숫자 값 Q3는 유량계를 m³/h 단위로 지정하며 비율은 Q3/Q1입니다. Q3 값과 Q3/Q1 비율은 OIML 표준에 포함된 목록에서 확인할 수 있습니다. 유량계는 MPE를 기준으로 클래스 1 또는 클래스 2로 정의됩니다.

• 클래스 1 계측기
  • Q1과 Q2 사이의 저유량 영역에 대한 MPE는 온도에 상관없이 ±3%입니다.
  • Q2와 Q4 사이의 고유량 영역에 대한 MPE는 온도가 0.1°C ~ +30°C 사이이면 ±1%이고, 온도가 +30°C이면 ±2%입니다.
• 클래스 2 계측기
  • 저유량 영역에 대한 MPE는 온도에 상관없이 ±5%입니다.
  • 고유량 영역에 대한 MPE는 온도가 0.1°C ~ +30°C 사이이면 ±2%이고, 온도가 +30°C이면 ±3%입니다.

초음파 냉수 흐름관

Audiowell의 HS0014-000 초음파 유량 센서는 설계자가 ToF 스마트 유량계에서 사용할 수 있는 DN15 폴리머 파이프 내에 초음파 유량 트랜스듀서와 해당 반사체 쌍으로 구성되어 있습니다(그림 2). 이 센서는 낮은 압력 손실, 높은 신뢰성 및 ±2.5% 정확성을 제공합니다. 센서의 정격 작동 온도 범위는 0.1°C ~ +50°C이고 피크 간 최대 작동 입력 전압은 1MHz에서 5V이며, OIML 표준에 정의된 클래스 2 가정용 응용 분야에 사용하도록 설계되었습니다.

그림 2: HS0014-000 초음파 유량 센서는 폴리머 파이프 내에 한 쌍의 초음파 유량 트랜스듀서가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Audiowell)

Texas Instruments(TI)는 설계자가 초음파 ToF 유량계에서 HS0014-000과 함께 사용할 수 있는 세 개의 IC를 제공합니다. TDC1000은 초음파 감지 측정을 위한 완전히 통합된 AFE입니다. 이 IC는 프로그래밍 가능하며, 다양한 품질(Q) 요인으로 31.25kHz ~ 4MHz 사이에서 작동하는 트랜스듀서에 적합한 여러 전송 펄스, 주파수, 신호 임계값 및 게인에 대해 설정할 수 있습니다. TDC1000은 배터리 구동 스마트 초음파 ToF 유량계 설계에 적합한 저전력 작동 모드를 제공합니다.

그림 3: TDC1000은 ToF 스마트 유량계 설계에서 HS0014-000과 연결될 수 있는 완전 통합형 AFE입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

TI의 두 번째 IC인 TDC7200은 TDC 및 피코초 정확성 스톱워치입니다(그림 4). 이 장치에는 피코초 변환 정확성과 저유량 및 무유량 조건에서 정확한 측정을 지원하는 내부 자가 보정 시간축이 있습니다. 또한 자율 다중 사이클 평균 모드를 사용하여 호스트 MCU를 절전 모드로 전환하여 전력을 절약할 수 있습니다. TDC7200에서 측정 시퀀스가 완료된 경우에만 MCU가 절전 모드에서 해제됩니다.

그림 4: TDC7200 TDC 및 피코초 정확성 스톱워치는 TDC1000 AFE에서 작동하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

또한 TI는 정밀하고 정확한 측정을 위해 초음파 감지 아날로그 프런트 엔드가 내장된 초저전력 MCU인 MSP430FR6047을 제공합니다. 이 장치에는 신호 처리를 위한 저에너지 가속기가 포함되어 있으므로, 설계자가 전력 소비를 최적화하여 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 또한 MSP430FR600x MCU는 다음을 비롯하여 스마트 계측 설계에 유용한 다양한 주변 장치를 통합합니다.

• LCD 구동기
• 실시간 클록(RTC)
• 12비트 연속 근사화 레지스터(SAR) 아날로그 디지털 컨버터(ADC)
• 아날로그 비교기
• AES256용 암호화 가속기
• 순환 중복 검사(CRC) 모듈

초음파 계측기 EVB

개발 공정을 단축하고 출시 시간을 줄이기 위해 설계자는 EVM430-FR6047을 사용하여 스마트 유량계에서 MSP430FR6047 MCU의 초음파 감지 성능을 평가할 수 있습니다(그림 5). EVM은 50kHz ~ 2.5MHz 범위 이내의 다양한 트랜스듀서를 지원하며 RF 통신 모듈 통합을 위한 커넥터와 측정치 표시를 위한 기판 실장 LCD가 포함되어 있습니다.

그림 5: EVM430-FR6047을 사용하여 유량계에서 MSP430FR6047의 초음파 ToF 감지 성능을 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

지원 부품

Silicon Laboratories의 EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 계열 2 무선 SoC는 빠른 암호화, 보안 부트 로딩 및 디버그 액세스 제어를 제공하는 고성능 2.4GHz 무선 통합 보안 기능과 38.4MHz Cortex-M33을 결합하는 단일 다이 솔루션입니다(그림 6). 이 장치의 최대 전력 출력은 6dBm이고 수신 감도는 -102.1(250kbit/s OQPSK)dBm입니다. EFR32FG22C121F512GM32는 초저 송신 및 수신 전력(+6dBm에서 8.2mA 전송, 3.6mA 수신), 1.2µA 최대 절전 모드 전력을 결합하고, 안정적인 통신을 위한 강력한 무선 주파수(RF) 링크와 스마트 계측기 및 유사 응용 제품을 위한 높은 에너지 효율을 제공합니다.

그림 6: EFR32FG22 계열 2 무선 SoC에는 빠른 암호화와 보안 부트 로딩 기능을 지원하는 38.4MHz ARM Cortex-M33 코어가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

보빈 유형 리튬 염화 티오닐(LiSOCl2) 배터리(Tadiran의 납땜 탭이 있는 TL-5920/T(그림 7), 표준 연결을 지원하는 TL-5920/S)는 물, 가스 및 전기 스마트 계측기에 특히 적합합니다. 이러한 1차 배터리는 2V 단자 전압(V)에서 3mA의 속도로 방전할 경우 공칭 용량이 8.5Ah이고, 정격 전압은 3.6V이고, 최대 연속 정격 전류는 230mA이고, 최대 펄스 정격 전류는 400mA이고, 작동 온도 범위는 -55°C ~ +85°C입니다. 이 배터리는 20년 ~ 30년 동안 지속될 수 있으므로 계측기 수명 내내 고가의 배터리를 교체할 필요가 없습니다.

그림 7: TL-5920/T와 같은 LiSOCl2 배터리는 최대 30년 동안 지속될 수 있으므로 스마트 계측기 분야에 적합합니다. (이미지 출처: DigiKey)

정확성 향상

보정 및 임피던스 정합 기술을 사용하여 초음파 ToF 유량계의 정확성을 개선할 수 있습니다.

• 초음파 ToF 계측기의 측정 정확성은 음속의 일정한 정도와 신호 처리 전자 장치의 정확성에 따라 제한됩니다. 음속은 밀도와 온도에 따라 달라질 수 있습니다. 보정은 음속의 변화와 신호 처리 회로망의 변화에 맞게 보정하고 조정하기 위해 추가되어야 합니다.

• 초음파 ToF 계측기는 일반적으로 공장에서 건식 보정됩니다. 보정 파라미터에는 트랜스듀서, 전자 장치 및 케이블로 인한 시간 지연, 각 음향 경로에 필요한 ΔToF 오프셋 수정, 설계 종속 기하학적 파라미터가 포함될 수 있습니다. 공장 보정은 저유량 및 무유량 조건에서 정확성을 개선할 수 있으며 고유량 조건에서는 정확성에 영향을 미치지 않아야 합니다.

• 정적 흐름 조건에서 ΔToF 오프셋을 최소화하거나 제거하려면 송신 신호 경로와 수신 신호 경로가 대칭이어야 합니다. 임피던스 정합 솔루션을 사용하여 각 경로의 임피던스를 제어할 수 있습니다. 그러면 트랜스듀서가 완전히 일치하지 않더라도 ΔToF 보정이 간소화되고 작동 전압 및 온도 범위 이상의 무유량 조건에서 오차 변화가 매우 작아집니다.

요약

초음파 ToF 스마트 유량계는 배수 시스템에서 누수를 식별하여 찾고 절수 성능을 개선하는 데 필요한 정보를 제공하기 위해 가정용, 산업용 및 상업용 응용 분야에서 시장 점유율을 높이고 있습니다. 압전 트랜스듀서는 흐르는 물을 통해 반대 방향으로 전달되는 두 초음파 펄스 계열을 생성하는 데 사용됩니다. 다운스트림 펄스와 업스트림 펄스 사이의 ToF 차이는 물의 유량을 측정하는 데 사용되는 양방향 유량 측정을 지원할 수 있습니다. 이러한 계측기는 움직이는 부품이 없으므로 매우 안정적이고 에너지 효율적입니다. OIML은 유량계 MPE 레벨 분류를 위한 국제 표준을 설정했습니다. 보정 및 임피던스 정합 기술을 사용하여 이러한 계측기의 정확성을 개선할 수 있습니다.