Alan Jermyn, Vicepresidente de Marketing de Avnet Abacus

Uno de los aspectos fundamentales de las ciudades inteligentes (Smart Cities) es la gestión de recursos valiosos como agua, gas y electricidad. Esto resulta cada día más importante porque, de acuerdo a la Organización Mundial de la Salud (OMS), más de la mitad de la población vive en ciudades y este dato superará el 70 por ciento en 2050. Por consiguiente, los contadores inteligentes suponen una parte esencial de estas urbes. Permiten que los clientes y las compañías de servicios públicos monitoricen y gestionen recursos, con la misión de ahorrar costes a los consumidores y, en el caso de contadores de gas y electricidad, reducir las emisiones para ayudar a los gobiernos a cumplir sus objetivos de emisión de CO2.

La Comisión Europea estima que en la Unión Europea habrá 200 millones de contadores inteligentes de electricidad y 45 millones de gas en 2020. En lo que se refiere a los contadores de agua, un informe de la consultora IHS Technology sugiere que Europa es el mercado con crecimiento más rápido para este tipo de contadores con comunicación bidireccional: uno de cada cuatro de estos contadores será inteligente en 2020. Los contadores de agua inteligentes han contribuido a disminuir el consumo de agua / aguas residuales hasta un 30 por ciento y las pérdidas hasta un 15 por ciento. Los contadores de gas inteligentes, por su parte, también son útiles a la hora de detectar fugas. Aquí, la seguridad es lo principal, pero se añaden las ventajas económicas.

Desde el punto de vista de la ingeniería, la medición del consumo de electricidad es sencilla – la tecnología de sensado de corriente está madura, se conoce la tensión y se puede aplicar corrección de factor de potencia. Para fluidos, tanto líquidos como gases, resulta un poco más complicado y, hasta hace relativamente poco tiempo, la mayoría de contadores eran modelos mecánicos que tenían que leerse manualmente donde estaban instalados. Los contadores inteligentes no sólo necesitan ser más precisos y robustos que los dispositivos mecánicos, sino que también tienen que poder ser “interrogados” remotamente para reducir los costes de las lecturas regulares. Además, muchos smart meters se han desplegado en lugares sin red eléctrica, por lo que deben ser muy eficientes (bajo consumo) y operar durante largos periodos con pequeñas baterías.

En los últimos años, un gran número de fabricantes de semiconductores ha revolucionado el mercado de contadores remotos. Estas compañías han diseñado circuitos integrados para contadores ultrasónicos que se pueden emplear a la hora de medir el caudal de líquido, gas y calor. Estos dispositivos eliminan la necesidad de contadores mecánicos y ofrecen mejoras en precisión y fiabilidad. Las empresas de servicios públicos han “respirado de alivio” con este avance tecnológico y, como consecuencia, los modelos ultrasónicos están ganando popularidad.

Existen dos enfoques distintos para la medición de caudal ultrasónica: tiempo de vuelo – time-of-flight (TOF) y Efecto Doppler. Muchos contadores inteligentes se pueden configurar para usar alguno de ellos.

Enfoque de tiempo de vuelo (TOF)
Los principios que respaldan la medición TOF ultrasónica tienen su origen en el libro “The Theory of Sound - La Teoría del Sonido”, escrito en 1877 por J.W.S (Lord) Rayleigh, Premio Nobel de Física en 1904. La obra describe cómo se comporta el sonido cuando “viaja” a través de sólidos y fluidos.

La medición de caudal TOF en conductos conlleva aplicar dos (o más) transductores piezoeléctricos con una distancia lineal especificada. Los transductores piezoeléctricos de un determinado tipo y tamaño generan una señal ultrasónica desde una tensión eléctrica alterna aplicada. En cambio, cuando se someten a una señal ultrasónica, producen una tensión eléctrica alterna como respuesta.

En la medición TOF, las señales ultrasónicas se transmiten desde un transductor y se reciben en el otro. Si no hay caudal en el conducto, el tiempo de transmisión de las señales es el mismo en ambas direcciones. Cuando sí existe caudal de gas o líquido en la tubería, el tiempo de transmisión de señal se reduce en sentido a dicho flujo y se amplía en dirección contraria. La diferencia de tiempo (o cambio de fase) es directamente proporcional al índice de caudal.

Uso del Efecto Doppler
Propuesto por el físico austriaco Christian Doppler en 1842, el Efecto Doppler es el cambio de frecuencia aparente de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente con respecto a un observador. Parece incrementar si se “acerca” al observador y disminuir si se “aleja”. El efecto se puede apreciar en cualquier tipo de onda, incluyendo las ultrasónicas.

Con una disposición apropiada de los transductores, es posible comparar las señales ultrasónicas transmitidas y recibidas en el dominio de frecuencia, en lugar de en el dominio de tiempo usado en la medición TOF. Cuando no existe flujo en el conducto, las frecuencias son las mismas. Cualquier caudal de agua o gas produce un Efecto Doppler y aumenta la diferencia de frecuencia aparente entre el transmisor y el receptor. Entonces, dicha diferencia de frecuencia se puede convertir a un nivel DC y, usando un ADC, a una señal digital para su posterior tratamiento, transmisión y visualización.

El Efecto Doppler puede ser particularmente valioso a la hora de medir bajas ratios de flujo, por debajo de 1 litro por hora de agua, y, a veces, la instalación puede ser más sencilla que la necesaria para TOF. Sin embargo, la tecnología más adecuada depende de la aplicación final.

Cómo crear un caudalímetro inteligente
Como muestra la Figura 1, los principales elementos de un caudalímetro ultrasónico de agua o gas son los transductores piezoeléctricos con la cubierta y la conectividad convenientes, una interfaz de transductor con microcontrolador para calcular la ratio de flujo, una fuente de alimentación independiente de la red eléctrica y, en un creciente número de aplicaciones, alguna forma de comunicaciones inalámbricas de bajo consumo para enviar los datos medidos al mundo exterior.

Figura 1: Los bloques de construcción de caudalímetro inteligente para agua o gas

Construcción de un transductor piezoeléctrico
La Figura 1 ilustra un transductor piezoeléctrico típico para medición de caudal. Los elementos piezoeléctricos se alojan en una cubierta, que está herméticamente sellada en el punto en el que el cable de señal sale del ensamblaje. El ensamblaje de cable y conector suele ser un diseño a medida destinado a una aplicación específica.

Figura 2: Construcción simplificada de un ensamblaje de transductor piezoeléctrico para caudalímetros de agua y gas

Front end analógico y tratamiento digital
Un buen número de fabricantes de semiconductores produce front ends analógicos y microcontroladores destinados a aplicaciones de medición de caudal. Un dispositivo popular para contadores TOF, debido a su bajo consumo y alto grado de integración funcional, incluyendo la medida de temperatura, es el Maxim MAX35103. Se trata de un convertidor de tiempo a digital monochip con precisión de medición de 20 ps y capacidad de frecuencia de medida de 2 a 16 Hz en modo event timing. El consumo de corriente para medida TOF es de 5.5 µA. La Figura 2 muestra un circuito de aplicación típico.

Figura 3: El MAX35103 es un convertidor de tiempo a digital de alta precisión para uso en caudalímetros time-of-flight de agua y gas

Incorporación de comunicaciones inalámbricas
Muchos de los nuevos contadores inteligentes integran comunicaciones inalámbricas. Numerosos protocolos wireless se despliegan sin conseguir el estatus de estándar de facto, al menos en Europa. Se utilizan SIGFOX, ZigBee, Wireless M-Bus y radios ISM de 868 MHz y también existe un creciente interés en Narrowband IoT (NB-IoT) – un protocolo diseñado para transmitir pequeñas “ráfagas” de datos limitados sobre las actuales redes de radios móviles 2G, 3G y 4G. Eso sí, lo que tienen todas estas radios en común es la necesidad de una antena efectiva. Cuanto más eficiente sea la antena, menor será la demanda de potencia por parte del transmisor a la hora de conseguir un camino de señal aceptable. Las elecciones básicas serían antenas de PCB realizada con trazas de cobre, antenas-chip o antenas whip externas, estas últimas son las de mayor tamaño y, por consiguiente, no parecen la mejor opción (física ni económica) en todas las aplicaciones. No obstante, ofrecen el máximo rendimiento. La Figura 4 señala los pros y los contras de cada tipo de antena.

Figura 4: Tamaño, rendimiento y coste son los factores esenciales en la selección de una antena para contadores inteligentes inalámbricos

Alimentación de contadores inteligentes
Como mencionaba anteriormente, los contadores inteligentes remotos tienen que ser capaces de operar durante mucho tiempo con pequeñas fuentes de alimentación independientes de la red eléctrica. Lo ideal sería rendir entre 10 y 20 años sin cambio de batería. No sólo hay que considerar la capacidad de la batería primaria, el perfil de cómo se consume la energía también importa, al igual que las condiciones ambientales en las que va a funcionar. Las baterías primarias basadas en litio con baja auto-descarga son las fuentes preferidas en la mayoría de aplicaciones de metering, pero pertenecen a una categoría muy amplia – existen diferentes químicas entre las que elegir. La experiencia sugiere que los modelos de cloruro de litio-tionilo son los más indicados en estas tareas, millones de ellos ya han sido probados en campo desde la década de los 90, pero resulta esencial garantizar que los fabricantes pueden ofrecer unos resultados de las pruebas completos y verificables para los productos y demostrar su trazabilidad (con los materiales usados).

Hay que tener mucho cuidado al seleccionar la batería y, por ello, se pueden encontrar más resultados de test y aprobaciones en nuestro folleto de baterías li-ion / polímero estándares.

Las radios en contadores inteligentes crean una demanda de esas pequeñas ráfagas de potencia, normalmente con corrientes de hasta 2 A, con el objetivo de transmitir los datos de medición a la red inalámbrica. Se puede usar una batería recargable secundaria para dotar de los pulsos de alimentación requeridos, pero esto crea un problema de mantenimiento. Los condensadores eléctricos de doble capa – conocidos como EDLC o “supercondensadores”, cargados desde la batería primaria, han demostrado ser una solución difundida, pero tienen algunas limitaciones. Muchos supercondensadores, particularmente las primeras generaciones, padecen auto-descarga y pierden gradualmente la carga con el paso del tiempo. En algunas aplicaciones, este efecto puede ser menor, pero existe una nueva gama de condensadores de iones de litio de Taiyo Yuden que promete solucionar los problemas (lea nuestro post de los condensadores híbridos aquí). La Figura 5 compara la curva de auto-descarga de un condensador de iones de litio 40F con la de un supercondensador o EDLC similar (50F) y se puede apreciar que la limitación específica de los supercondensadores queda eliminada casi por completo.

Figura 5

Conclusión
La construcción de un caudalímetro para líquidos o gases económico y fiable conlleva la elección de numerosos componentes. Conocer los mecanismos de diseño y garantizar que cada uno de estos componentes es el mejor para la aplicación y, lo más importante, puede trabajar con los otros, supone la clave para crear un contador exitoso.

Algunas Fuentes útiles

MAX35103: Reduced Power Time-to-Digital Converter

Batteries for Smart Gas Meters

Lithium Ion Capacitors: An Effective EDLC Replacement