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Une nouvelle technologie de compteur pour ne plus perdre une seule goutte

Par Ahmad Bahai technologue en chef de TI et directeur de Kilby Labs and corporate research

Publication: 12 novembre

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Les statistiques sont alarmantes : rien qu’aux États-Unis, les fuites domestiques entraînent le gaspillage d’environ 4091 milliards de litres d’eau par an...
 

Pour avoir un ordre d’idée, cette quantité d’eau suffit à approvisionner quelque 11 millions de ménages pendant une année. D’autres pays, de l’Europe à l’Asie, sont confrontés au même problème. Un problème d’autant plus inquiétant si l’on tient compte des prévisions concernant les pénuries d’eau à venir.

Mais il y a de l’espoir. La technologie des ultrasons permet aux compteurs d’eau installés dans des bâtiments et villes intelligents de déceler et de localiser les moindres fuites, ne serait-ce qu’une goutte toutes les quelques secondes. Plusieurs villes, d’Austin à Anvers, ont d’ores et déjà entrepris d’installer des compteurs d’eau high-tech intelligents qui, d’une part, fournissent aux clients les informations dont ils ont besoin pour trouver les fuites et économiser l’eau, et aident d’autre part les fournisseurs à identifier les fuites d’infrastructures dans les conduites vieillissantes et les canalisations rompues.

« L’eau dont nous disposons aujourd’hui est la seule eau que nous aurons jamais », affirme Holly Holt-Torres, responsable de la conservation des eaux auprès du service des eaux de la ville de Dallas. « Nous devons l’économiser. La technologie va nous y aider de manière croissante. »

Mais l’utilité de la technologie des ultrasons va au-delà des simples compteurs d’eau. Elle intervient notamment dans des compteurs qui mesurent l’écoulement de gaz naturel et détectent même le mélange de gaz circulant dans les tuyaux. Elle peut même aider les professionnels de la santé à réguler l’apport en oxygène dans les équipements chirurgicaux.

Dans le sens du courant

Bien sûr, les ondes ultrasonores ne sont pas nouvelles. Les chauve-souris, par exemple, mesurent les distances à l’aide d’ultrasons pour éviter les obstacles et attraper des insectes la nuit. Dans les applications plus high-tech, les ultrasons servent notamment à la reconnaissance de matériaux, dans les voitures à éviter les collisions, ainsi qu’à l’imagerie industrielle et médicale.

Et maintenant, on les retrouve dans les compteurs d’eau et autres débitmètres. Les compteurs classiques reposent sur un système électromécanique, avec un piston rotatif ou une roue dentée utilisant un élément magnétique pour générer des impulsions. Mais, comme c’est le cas dans les thermostats, les moteurs et de nombreux autres appareils du quotidien, les systèmes électromagnétiques des débitmètres sont de plus en plus remplacés par des systèmes électroniques.

Dans ces systèmes, une paire de transducteurs à ultrasons immersifs mesure la vitesse des ondes acoustiques dans le fluide. La rapidité de propagation des ondes acoustiques dépend de la viscosité, du débit et de la direction du fluide s’écoulant dans la conduite. Les ondes ultrasonores se propagent à différentes vitesses selon la rigidité du support qu’elles traversent.

La précision de la mesure dépend de la qualité du transducteur, de la précision des circuits analogiques et de l’efficacité des algorithmes de traitement des signaux. Les transducteurs acoustiques ou ultrasoniques sont des matériaux piézoélectriques qui convertissent les signaux électriques en vibrations mécaniques à une fréquence relativement élevée de plusieurs centaines de kilohertz. Normalement, une paire de transducteurs à ultrasons dans la plage de 1 à 2 MHz doit être bien adaptée et étalonnée afin de mesurer l’écoulement avec précision. Ces transducteurs comptent pour beaucoup dans le coût d’un débitmètre. Le système de capteurs doit fonctionner à une très faible puissance afin de garantir une durée de vie de 15 à 20 ans de la batterie.

Notre puce sophistiquée de mesure du débit, la MSP430FR6043, comporte un frontal analogique (AFE) unique et un algorithme qui améliore considérablement la précision tout en réduisant le coût total et la consommation. Notre architecture de mesure du débit repose sur une conception analogique haute performance, des algorithmes sophistiqués et un traitement embarqué permettant, le cas échéant, de se passer d’une paire coûteuse de transducteurs à ultrasons. Le frontal analogique et les algorithmes de traitement des signaux compensent le décalage entre les transducteurs.

Parce que chaque goutte compte

Un débitmètre à ultrasons classique transmet une onde ultrasonore et mesure le délai différentiel au niveau du récepteur afin d’estimer le débit d’écoulement. Les mesures du délai sont habituellement traitées par un circuit convertisseur temps-numérique qui surveille le passage à zéro de l’onde reçue. Le problème de l’approche classique, c’est qu’elle n’est pas assez sensible pour détecter les niveaux d’écoulement avec une grande précision.

Notre architecture comporte un frontal analogique intelligent, doté d’un convertisseur analogique-numérique haute performance conçu pour améliorer la qualité du rapport signal-bruit et éliminer les inexactitudes d’étalonnage. Cette approche présente plusieurs avantages :

- Elle permet d’obtenir une plus grande précision en réduisant les interférences et en améliorant le rapport signal-bruit.

- L’architecture est capable de mesurer une vaste plage dynamique d’écoulements, d’un tuyau d’incendie à une petite fuite.

- Un pilote à plus basse tension permet de réduire sensiblement la consommation et le coût. Le courant moyen nécessaire pour une mesure par seconde est inférieur à 3 microampères. Cela se traduit par une durée de vie de la batterie de plus de 15 ans.

- Le système détecte les turbulences, bulles et autres anomalies de flux, ce qui est important pour l’analyse de l’écoulement et la maintenance des canalisations.

- La technologie résiste aux variations d’amplitude dans les deux directions d’écoulement, ce qui peut arriver avec l’eau et le gaz dans le cas de débits importants.

Beaucoup d’autres technologies TI sont des composantes essentielles d’un débitmètre haute performance. Un microcontrôleur à basse consommation avec frontal analogique à ultrasons intégré, une référence d’horloge haute performance, une solution de gestion de la consommation à faible courant de repos et des chemins entre pilote de transmission et amplificateur de réception à impédance ultraprécise sont autant d’exemples de technologies qui font la différence dans ces débitmètres.

Ensemble, elles peuvent contribuer à préserver l’une de nos plus précieuses ressources.

Dans notre rapport d’entreprise citoyenne, lisez comment notre entreprise s’engage en faveur de la préservation de l’eau et d’autres ressources.

http://www.ti.com/

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