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Fachartikel Messtechnik → Mess- + AnalysegeräteUltraschall-Wasserzähler

Ultraschall-Wasserzähler

Neue SoC für Ultraschall-Wasserzähler senken Kosten

Den System-on-Chip (SoC) TDC-GP22 von acam messelectronic nutzen bereits weltweit führende Hersteller von Wasser- und Wärmemengenzählern in ihren Ultraschall-Wasserzählern. Die Vorteile der TDC Messtechnologie von acam: hohe Präzision und ein sehr geringer Stromverbrauch.
Seit Anfang 2014 liegt nun der TDC-GP30 in seiner Beta Version vor und wird intensiven Tests unterzogen, wo er bereits beeindruckende Ergebnisse liefert. Erste vorläufige Test-Kits für den Beta-Chip werden ab dem Frühjahr 2014 verfügbar sein. Die Kunden-Bemusterungsphase der Serienversion ist ab dem 4. Quartal 2014 vorgesehen.

Komplette Trennung der Messaufgaben vom Gerätemanagement und der externen Kommunikation

Der GP30 funktioniert als komplette Frontendlösung mit integrierter digitaler Signalverarbeitung (32-Bit µP) bis zum eichfähigen Ausgangssignal und stellt bis zur Volumenausgabe über UART, Puls, SPI eine echte Single Chip Lösung dar, so dass die nachfolgende Standard-MCU ausschließlich für das Management des Messgerätes und für die externen Schnittstellen wie beispielsweise Funk eingesetzt werden kann. Der GP30 ist wie sein Vorgänger GP22 mit einer Temperaturmessung für Wärmemengenzähler ausgestattet, die (im Final Chip) 4-Draht fähig sein wird.
Wasserzähler-Volumenmessteils mit GP30
Prinzipschaltbild eines Wasserzähler-Volumenmessteils mit GP30 Das Schaltbild zeigt alle notwendigen Komponenten für den Messteil eines Wasserzählers. Die MCU ist hier nicht eingezeichnet. In diesem Beispiel werden die Daten über eine Pulsschnitttstelle übertragen. Natürlich kann hier auch UART oder SPI eingesetzt werden. Damit kann auch die Programmierung des Programmspeichers und des EEPROM stattfinden. Der Baustein ist „In Circuit Programable“. Die Batterie als Spannungsquelle reicht bei der Programmierung vollständig aus
 
Der Stromverbrauch des Systems konnte gegenüber dem GP22 noch einmal deutlich gesenkt werden, was gerade bei Wasserzählern mit ihren höheren Messraten deutlich zum Tragen kommt. Das Frontendelement  verbraucht nur noch ca. ein Drittel des Stromes, den der GP22 benötigt. Der integrierte hochgradig stromoptimierte 32-Bit µP (77µA/MHz) stellt den nächsten entscheidenden Schritt in Richtung Ultra-Low Current des Gesamtsystems dar.

Weitere Stromoptimierungen durch intelligenten Firmwarecode

Bei einer Messrate von 8 Hz, typisch für Ultraschall Wasserzähler, benötigt der gesamte GP30 inklusive aller Berechnungen und mathematischen Korrekturen des Flusses ca. 7 µA. Dabei entfallen ca. 2µA auf permanente Funktionen wie 1.8V LDO und 32 kHz Oszillator und 5 uA auf die Durchführung der Flussmessung und die Berechnung des Flusses. Davon benötigt der 32-Bit µP ca. 2.2uA, was knapp 0.3 µA/Messung/Sekunde ergibt. Ein auf Low-Power-Standard MCU Basis nicht erreichbarer Wert. Weitere Stromoptimierungen sind im Final Chip vorgesehen und durch intelligenten Firmwarecode realisierbar.
Prinzipschaltbild vom Innenaufbau
Prinzipschaltbild vom Innenaufbau des "GP30-Beta"
 
Für die Batterielebensdauer für das gesamte Gerät ist das Ziel: 2/3 AA: 
Zwei Eichperioden +Reserve (15 Jahre) AA: > 20 Jahre

Geht man von 4µA für die Standard MCU aus, ist dieser Wert schon bereits heute erreicht.

Mehr Elektronik in Wasserzählern senkt die Summenkosten
 
WasserzählerMechanische Wasserzähler sind heute immer noch die bei weitem am meisten eingesetzten Zählerarten. Elektronik hat hier noch keinen entscheidenden Einzug gehalten. Das wird sich aber in den nächsten Jahren Schritt für Schritt und konsequent ändern. Mechanische Wasserzähler ohne Elektronik sind zwar bei den reinen Herstellungskosten nicht zu unterbieten, aber die Summenkosten über die komplette Lebensdauer liegen deutlich über denen von Ultraschall Wasserzählern. Die Vorteile von „Smart Metering“ sind dabei noch nicht berücksichtigt und kommen noch hinzu.

Drei entscheidende Gründe lassen sich zum Thema Summenkosten nennen:
  • Alterung: Mechanische Zähler verschleißen mit der Zeit und die Messung wird dadurch ungenauer. Sie messen weniger als tatsächlich verbraucht wird. Bei einem typischem Verbrauch sind das 20-40€ nicht abgerechnetes Wasser pro Eichperiode. 
  • Zwei Eichperioden: Wegen des deutlich geringeren Verschleißes bei Ultraschallmeßgeräten lassen sich diese Zähler über zwei anstatt nur über eine Eichperiode einsetzen. Man spart so einen kompletten Zähler inklusive aller notwendigen Installationsarbeiten. Für die weltweite Wasserwirtschaft ein entscheidender Vorteil
  • Bessere Leckage-Erkennung: Ein mechanischer Zähler mit seinen beweglichen Teilen hat einen höheren Anlauffluss, der mit dem Alter auch steigt. Ultraschall kommt heute langzeitstabil auf weniger als 1l/h. Für die Leckage-Erkennung wie z.B. tropfende Wasserhähne ist das weiterer wichtiger Vorteil

Fazit: Ein Ultraschall-Wasserzähler ist in den Gesamtkosten über die Betriebszeit selbst rein mechanischen Zählern ohne Elektronik überlegen. Bei elektronisch auslesbaren mechanischen Zählern sind meist schon die reinen Produktionskosten höher. Gleichzeitig gewinnt man mit einem Ultraschall-Wasserzähler an Messqualität und Langzeitstabilität. Wir sind am Anfang des Prozesses, an dessen Ende mehr als 2/3 aller Wasserzähler weltweit mit Ultraschall messen werden. Die dazu notwendige Technologie ist inzwischen vorhanden. Bei den Wärmemengenzählern hat dieser Wandel bereits während der letzten 5 Jahre stattgefunden – die Gründe dafür waren zwar ähnlich, wiegen aber bei Wasserzählern noch schwerer. 


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 76297   Stutensee-Blankenloch 
     acam-messelectronic gmbh
 
Eingestellt  Februar 2014
2014-02-04
PM vom 27.1.14