מים – המשאב היקר ביותר בעולם. אספקת מים נקיים לכולם, היא בעצם עניין של חיים ומוות. תהליך ניקוי המים יקר, וקשה להעבירם למקום שבו הם נדרשים. למעשה, החיבור של אנשים למים נקיים הוא אחד האתגרים הגדולים של המאה העשרים ואחת.
כאשר כל כך הרבה מונח על הכף, ל”אינטרנט של הדברים” (IoT) ולרשתות החכמות של חברות התשתית יש הזדמנות לשפר את העולם, על ידי פריסה של טכנולוגיה מדויקת ואמינה למדידת מים. לאור הנתונים על מחסור גובר במשאבי מים בעולם, אנו זקוקים לרשת מודדי מים חכמים שתימצא בכל מקום (ובכל זמן). הטכנולוגיה למדידה חכמה של מים הקיימת היום, מתמקדת ברשתות תקשורת שמעבירות נתונים (לא מדויקים במיוחד) לגבי השימוש במים אל חברות התשתית. למעשה, עד ממש לא מזמן, קשה היה למצוא טכנולוגיה אמינה של התקני מצב מוצק למדידת זרימת מים אמינה, שמשתמשת בהתקני על קול חדשניים ומשלבת מודדים, מדויקים ואמינים יותר ממודדים מכניים, ומתאימה לעידן החדש של האינטרנט של הדברים.
המצב הנמשך (התקוע) של מדידת מים
התקנים הקיימים למדידת מים לא השתנו במשך עשרות שנים ואיפשרו בזבוז עצום במערכת. מודדי המים לא מתוכננים למדוד הפסדי מים כל עוד הם פחות מ-1440 ליטרים ביום, בערך, (כמות השווה לכ-4 מקלחות של 10 דקות כל אחת), מפני שזו המגבלה של המודדים המכניים. קשה גם לערוב לדיוק שמספקים מודדים אלו במהלך חייהם. בבתי מגורים בארה”ב לבדה יש הפסד של כ-4 טריליון ליטרים מים בשנה, בגלל נזילות, גנבות, ניהול כושל או בגלל זיהום. בכל העולם קיים אחוז משמעותי של מים נקיים שנעלם בטרם הגיע ליעדו. וזו טרגדיה נמשכת. לא נוכל אפילו להתחיל לחשוב על דרכים יעילות להעברת מים, אם לא נדע היכן המים האובדים, ומדוע אנו נמצאים במצב ‘התקוע’ הזה?
מדידת מים עם מודד מכני
איור 1. מודד זרימה בצינור כולל חלקים פיאזו אלקטריים
ומראות שקולטות ומחזירות את הגלים העל קוליים
מסתבר שהדרך הפשוטה ביותר למדידת מים היא זו שיושמה במשך עשרות שנים- עם מודד מכני. טורבינה בתוך מד מים מסתובבת באופן יחסי לכמות המים העוברת. גישה זו מאפשרת לחברות התשתית לחייב את הלקוחות על צריכה משוערת, אך אי הדיוק שבמדידה המכנית מגביל את יכולתנו לקבוע לאן זורמים המים האובדים. וחשוב מזה, היא מונעת ממערכות ניהול המים את היכולת להצטרף לעידן המודרני, לרבות לאינטרנט של הדברים. מודדי המים המכניים המסורתיים הנפוצים כיום, סובלים משני ליקויים קריטיים. הראשון הוא המבנה הפיסי, לפיו צריך שתעבור כמות מינימלית של מים, כדי שהטורבינה תתחיל להסתובב במודד, שכן יש לרוטור התנגדות בסיסית שעליה יש להתגבר, כדי להבטיח שהוא יסתובב בנוכחות זרם מים. תקני מדידת זרימת מים של היום מגבילים באופן יעיל את הקו התחתון של הדיוק לליטר אחד בדקה (1250 ליטר ביום). הליקוי השני הוא הזיהום. הצטברות המינרלים וחומרים מאכלים אחרים במים חוסמת מהר מאוד את הדיוק של מודדי המים הפועלים עם רוטור מכני (רק נחשוב לרגע על מסנן כיור אמבטיה או מסנן בכיור מטבח). מחקרים מראים ש- 89% מהמודדים המכניים מסוגים שונים נמצאו לא מדויקים. הם יוצאים מכיול תוך כשנתיים. במצב גרוע פעולתם איטית, והמשמעות היא מדידה לא מדויקת של המים העוברים. במהלך הזמן מצטברת אצל חברות התשתית כמות של מים ‘נפסדים’ שאינם יכולים לחייב עליה את הצרכן, אך כדי להישאר רווחיים – אותו קו תחתון המוזכר לעיל – עליהם לפזר את עלות המים האבודים האלו בין כל הצרכנים. שיפור דיוק המדידה עם מודד במצב מוצק מול הפגמים האלו – קיימים כמה פתרונות חלופיים אפשריים. פתרון בטכנולוגיה של מצב מוצק יכול היה לעזור בעניין הזיהום. קיימים שני פתרונות כאלו. הראשון הוא מגנטי – באופן בסיסי השדה המגנטי נוצר ומאובחן דרך נוזל מוליך, השדה יחסי לזרימת הנוזל. למעשה, מודדי זרימה מגנטיים יכולים להיות מדויקים מאוד, אך נדרש ממיר אנלוגי לספרתי (ADC) מדויק ביותר לקבלת רזולוצית מדידה, במחיר ההשקעה בהספק גבוה, שבדרך כלל כרוך בעלות גבוהה. ייתכן שרזולוציה זו (ועלות הספק ו-BOM) יכולים להיות מעשיים למודדי מים לחלוקה או למודדי מים לייחוס, אך אינם מעשיים למדידת מים בצריכה ביתית המונית. הפתרון השני משתמש באותות דופק (פולסים) בעל קול למדידת זרימת מים. העיקרון מתבסס על שני מתמרים פיאזו אלקטריים בצינור מים ששולחים ומקבלים אותות דופק בתדירות על קול דרך המים. זרימת המים תאיץ או תעכב את מהירות אותות הדופק. חיישנים בכל צד של האות יקראו וינתחו את האות,
איור 2. תרשים של מערכת על שבב (SoC) במודד זרימה MAX35101 משולב. שים לב למעגל מדידת TDC ולשיפור האות האנלוגי בחלק האנלוגי
כדי לקבוע את הפרש הפאזה שנוצר באות האנלוגי המתקבל במתמר ומשם, יחשבו את קצב הזרימה של המים. טכניקות נוחות לניהול מדידה כזו יקרות וזללניות הספק, מפני שמעבדי ADC ו-DSP הפועלים בדיוק גבוה ובמהירות גבוהה מקבלים את האותות העל קוליים, מבצעים התאמה וקובעים את כמות זרם המים. גם כאן, העלות וצריכת ההספק הופכים את המנגנון למדידת מים לבלתי סביר. במצב זה לא פלא שאיננו רואים שינוי בתחום מודדי המים, ודומה שלא נראה מדידת זרימה מדויקת במכשירים כגון מחממי מים, מערכות כיבוי אש, מקלחות, גז טבעי, מכלי פרופאן ומכשירי צריכה אחרים, עד אשר מדידת הזרימה תוכל להיות בהספק נמוך ובעלות נמוכה.
אספקת מים עם מדידה במחיר סביר
עם מודדי מצב מוצק כה זללני אנרגיה ויקרים, אין זה פלא שמדידת זרימת המים תקועה במאה העשרים, ואינה יכולה להצטרף אל ה-IoT. אין ספק שאנו זקוקים לטכנולוגיית מצב מוצק, כדאית מבחינת מחיר ויעילה מבחינת הספק כדי למדוד את זרימת הנוזל. ממיר TDC (ממירי זמן לספרתי) הוא מעגל שמקבל אותות התחלה וסיום ומדווח בצורה מדויקת על הזמן ביניהם. מדידת זרימה בתדירות על קולית (איור 1) משתמשת בחלקים פיאזו אלקטריים כדי לשלוח אותות בכיוון הזרימה ובניגוד לה, ולמדוד את הפרש הזמן (באמצעות ממירי TDC). אך אותות אלו זקוקים לשיפור משמעותי לקבלת מדידה מדויקת. בנוסף, אפשר לשפר עוד על ידי הוספת לוגיקת בקרה בהתאמה אישית. מערכת על שבב (SoC) למדידת זרימה – MAX35101 פותרת את בעיית ההספק ובעיית העלות של מודדי זרימה בטכנולוגיית מצב מוצק, והמדידה המדויקת שלה נפוצה יותר ויותר. היא משלבת מעגל מדידה TDC, שיפור אות אנלוגי ומעבד DSP זעיר עם לוגיקה שנדרשת למדידה מדויקת באופן קיצוני. כל הנושאים נענו ומודדי המים לא צריכים לעקוב אחר מים שאבדו. המדידה הצטרפה למאה העשרים ואחת והתחברה לאינטרנט של הדברים.
בין היתרונות הברורים של הטכנולוגיה אפשר למנות:
(1) דיוק משופר – MAX35101 יכולת להגיע לדיוק של 1% לשליש ליטר בדקה, ומאתרת דליפה בשיעורים נמוכים בהרבה.
(2) חיי שירות ארוכים – באין חלקים נעים, מודד הזרימה בטכנולוגיית מצב מוצק נתון פחות לקורוזיה או להצטברות משקעים אשר גורמים למודדים המכניים לאבד את הכיול שלהם מהר מאוד.
(3) עלות בעלות משופרת – אין צורך בהחלפת מודדים מדי כמה שנים, חיי מודד בטכנולוגיית מצב מוצק ארוכים יותר.
(4) עלות חומרים (BOM) משופרת – מערכות SoC של מודדי זרימה בעל קול זקוקים למעט מאוד כדי לבצע מדידת אנרגיה מדויקת, בניגוד מוחלט לטכנולוגיות מדידה אחרות במצב מוצק שזקוקות למעבדי DSP ולבקרי ADC בדיוק גבוה.
(5) צריכת הספק נמוכה – מערכת SoC למדידת זרימה משתמשת רק בכמה מיקרו אמפר לכל מערכת לצורך המדידה.
מערכת MAX35101 מוכנה לעמוד בכל האתגרים העתידיים – היא מציעה חיי שירות ארוכים, צריכת הספק נמוכה, וניתן לכן לפרוש אותה בעלות נמוכה. היא קטנה בגודלה ומדויקת למדי, כדי לאתר דליפה בקלות. זרימת המים מוכנה כעת להצטרף לאינטרנט של הדברים.
הכתבה באדיבות חברת טרייטק.
