Pulzní vodoměr: Vše, co potřebujete vědět

Praktický průvodce pulzními výstupy, jejich limity a dálkovým odečtem

Pulzní výstup nepřenáší přímo stav počitadla vodoměru. Pokaždé, když vodoměrem proteče definovaný objem vody, vyšle elektrický signál. Připojené zařízení jednotlivé pulzy počítá a na základě jejich počtu vypočítává spotřebu. Pulzní výstupy jsou u stávajících vodoměrů rozšířené, ať už jako součást měřidla, nebo jako dodatečně instalovaný modul. Proto bývají častým výchozím bodem projektů dálkových odečtů.

Princip je jednoduchý, důležité je ale znát i jeho omezení. Právě ta pomáhají určit, zda bude dálkový odečet stávajícího vodoměru poskytovat údaje odpovídající jeho počitadlu.

Klíčové poznatky

• Pulzní výstup vyšle jeden pulz za každý pevně daný objem vody. Samotný pulz nenese jednotky, identifikaci měřidla ani absolutní stav počitadla.
• Pulzy vytváří jazýčkový kontakt, Hallův snímač nebo optický snímač napojený na počitadlo vodoměru.
• Pulzní výstup, bezpotenciálový kontakt a standardizované rozhraní S0 nejsou totéž, proto je před připojením nutné ověřit elektrickou kompatibilitu.
• Hodnota vypočtená z pulzů odpovídá stavu počitadla pouze při správně nastavené pulzní váze, odpovídající počáteční hodnotě čítače a spolehlivém zaznamenávání pulzů. Správné čítání a spolehlivý přenos dat jsou dvě samostatné věci.
• Odečet z enkodérového počitadla a komunikace přes M-Bus mohou poskytnout více informací než základní čítání pulzů, v závislosti na měřidle a jeho rozhraních.
• S0 převodník připojí stávající pulzní vodoměr do sítě LoRaWAN nebo NB-IoT bez výměny měřidla, pokud jsou rozhraní kompatibilní.

Co pulzní výstup skutečně přenáší

Pulzní výstup je napojený na počitadlo vodoměru. Pokaždé, když proteče definovaný objem, přepne elektrický obvod. Přijímací zařízení nezískává přímo údaj v litrech, ale změny stavu na vodiči. Počítá je a jejich počet násobí pulzní váhou.

Samotný pulz nenese žádnou další informaci. Chybí identita měřidla, jednotka, stavová informace i absolutní stav počitadla. Pulz sděluje jen to, že protekl další definovaný objem. Vše ostatní musí být známé předem a nastavené v zařízení, které pulzy počítá.

Jazýčkový kontakt, Hallův a optický snímač

Pulzní výstupy běžně využívají jeden ze tří principů snímání. Jazýčkový kontakt tvoří dva kovové kontakty zatavené v malé skleněné trubičce, které spíná magnet pohybující se spolu s mechanismem počitadla. Samotný jazýčkový kontakt nepotřebuje napájení, připojené zařízení, které pulzy počítá, ale musí umět jeho sepnutí detekovat. Mechanické kontakty mohou způsobit chyby v čítání. Při sepnutí mohou kontakty zakmitat a jedno sepnutí se pak může projevit jako několik krátkých pulzů, pokud je zařízení nevyfiltruje (debounce).

Hallův snímač zaznamenává magnetické pole elektronicky. Nemá mechanické kontakty, a proto u něj nedochází k mechanickým zákmitům. Jako elektronická součástka ale potřebuje napájecí napětí.

Optický snímač snímá označený prvek počitadla světlem místo magnetu, takže nezávisí na magnetické vazbě. Stejně jako Hallův snímač potřebuje napájení. Tam, kde snímač napájení potřebuje a síťové napájení není k dispozici, mohou bateriové pulzní převodníky ACRIOS připojenému snímači dodávat 3,3 V.

Pulzní výstup, bezpotenciálový kontakt a S0 nejsou totéž

Pulzní výstup je obecné označení: měřidlo signalizuje objem změnou stavu elektrického obvodu. Způsob se ale liší. Jazýčkový kontakt poskytuje bezpotenciálový kontakt, tedy spínač, který obvod pouze spíná a rozpíná. Elektronické snímače mohou používat různá zapojení výstupu, například otevřený kolektor.

S0 je standardizované pulzní rozhraní s definovanými elektrickými vlastnostmi, jejichž cílem je podpořit vzájemnou spolupráci kompatibilních výstupů a vstupů. Pulzní výstup vodoměru není automaticky výstupem S0, proto je před připojením nutné porovnat elektrickou specifikaci vodoměru se vstupem převodníku.

Pulzní váha: co znamená jeden pulz

Pulzní váha je objem, který představuje jeden pulz. Pulz nenese jednotky, takže jeden pulz může znamenat 1 litr nebo 10 litrů a zařízení, které pulzy počítá, nemá jak to rozpoznat. Pulzní váha je určena pro konkrétní vodoměr nebo jeho pulzní modul a je potřeba ji nastavit v zařízení, které pulzy počítá.

Samotný převod je jednoduchý. Při pulzní váze 10 litrů na pulz znamená 125 pulzů 1 250 litrů, tedy 1,25 m³. Pokud je pulzní váha nastavená nesprávně, vypočtená spotřeba bude systematicky nadhodnocená nebo podhodnocená, aniž by muselo být na první pohled patrné, že jde o chybu.

Pulzní váha zároveň určuje rozlišení. Čím větší objem připadá na jeden pulz, tím hrubší jsou data a tím déle může malý únik probíhat, než vytvoří jediný pulz.

U pulzních převodníků ACRIOS se pulzní váha a jednotka nastavují pro každý vstup zvlášť prostřednictvím skriptovacího rozhraní Lua, včetně ošetření zákmitů tam, kde to vodoměr vyžaduje, takže odečty přicházejí rovnou v litrech nebo m³.

Pulz, enkodér, nebo M-Bus

Pulz není jediný způsob, jak může vodoměr předávat svůj stav. U pulzního výstupu vede zařízení, které pulzy počítá, vlastní průběžný součet. Aby odpovídal počitadlu vodoměru, je potřeba správná pulzní váha, vhodná počáteční hodnota čítače a spolehlivá detekce pulzů.

Enkodérové počitadlo poskytuje přímo hodnotu počitadla v digitální podobě, nikoli jednotlivé pulzy. M-Bus je komunikační protokol, který může přenášet identifikaci měřidla, hodnoty, jednotky i stav, a na jedné sběrnici může být více měřidel. Nejde o vzájemně se vylučující kategorie: enkodér popisuje, jak se získává hodnota počitadla, zatímco M-Bus určuje, jak se data z měřidla přenášejí. Více o protokolu v článku M-Bus, wM-Bus a RS-485: Přehled technologií.

Pokud vodoměr už nabízí M-Bus nebo wM-Bus, mohou být vhodnější převodníky pro tyto protokoly. Pulzní převodník lze využít tam, kde je jediným dostupným rozhraním kompatibilní pulzní výstup.

Jak poznat, že vodoměr má pulzní výstup

Nejspolehlivějším zdrojem je dokumentace a typový štítek vodoměru. Výrazy jako pulzní nebo impulzní výstup, v cizojazyčné dokumentaci také pulse output, reed nebo impulse, spolu s uvedenou pulzní váhou ukazují, že výstup je k dispozici. Na samotném vodoměru je viditelným znakem osazeného výstupu kabel nebo připojený pulzní modul.

Některé vodoměry jsou na pulzní modul připravené, ale žádný osazený nemají. Který modul je vhodný a jak se montuje, závisí na výrobci. Pokud označení není jednoznačné, k dohledání správné dokumentace obvykle stačí výrobce a typové číslo.

Limity čítání pulzů

O tom, zda lze pulzním datům věřit, rozhodují dvě samostatné otázky: zda je každý pulz na vstupu správně započítán a zda se započítané hodnoty dostanou do přijímacího systému.

Na vstupu mohou chyby vznikat kvůli zákmitům kontaktů, elektrickému rušení v pulzních kabelech vedených souběžně se silovými kabely a pulzům, které přicházejí rychleji, než je vstup dokáže zaznamenat. Protože pulz neobsahuje žádnou referenční hodnotu, ztracený nebo chybně započítaný pulz se automaticky neopraví a může způsobit trvalou odchylku mezi digitálně vypočtenou hodnotou a stavem počitadla.

Přenos je jiná otázka. Pulzní převodníky ACRIOS během výpadku sítě pokračují v čítání, ukládají hodnoty pulzů lokálně a po obnovení spojení odešlou poslední tři odečty. Kumulativní stav čítače se tak zachová, zpětné odeslání posledních tří odečtů ale u delšího výpadku nemusí představovat úplnou historii spotřeby.

Zda musí součet převodníku odpovídat počitadlu, závisí na cíli. Pokud má digitální hodnota ukazovat stejné číslo jako počitadlo, musí počáteční hodnota při instalaci odpovídat stavu počitadla. Pokud stačí spotřeba od okamžiku instalace, může čítání začít od nuly.

Dalšími limity jsou manipulace a zpětný tok. Přerušený kabel například zastaví pulzy úplně. Základní jednokanálový pulzní výstup neukazuje směr toku. Detekce zpětného toku proto vyžaduje vodoměr nebo uspořádání snímání, které dokáže směr toku rozlišit.

Připojení pulzních vodoměrů do sítí LoRaWAN a NB-IoT

Jakmile je znám pulzní výstup a jeho pulzní váha, lze stávající pulzní vodoměr připojit k dálkovému odečtu bez jeho výměny, pokud jsou rozhraní kompatibilní. Převodník pulzy počítá, převádí je na objem a hodnoty odesílá přes bezdrátovou síť.

Pulzní převodníky ACRIOS existují ve verzích pro LoRaWAN a NB-IoT, obě až se čtyřmi S0 vstupy. Hlavní praktický rozdíl je v síti. LoRaWAN vyžaduje přístup k privátní bráně (gateway) nebo pokrytí veřejnou sítí LoRaWAN, zatímco NB-IoT využívá SIM kartu operátora a data odesílá přímo všude, kde je pokrytí, bez brány.

Obě verze umožňují odesílat alarmové zprávy při překročení nastavených prahových hodnot nezávisle na běžném intervalu odečtu. Konfiguraci obou verzí lze měnit vzdáleně. Bateriové verze jsou navržené na více než 10 let provozu při hodinových odečtech, skutečné hodnoty ale závisí na konfiguraci a podmínkách, jak vysvětluje článek Životnost baterie v IoT: nad rámec datasheetu.

Pro jednotlivý pulzní vodoměr, u kterého chtějí technici na místě porovnat digitální hodnotu s počitadlem, je alternativou převodník s displejem, jak popisuje článek ACR-EX ve vodárenství.

Co pulzní výstup dokáže a co ne

Pulzní výstupy nabízejí přímočarý způsob, jak rozšířit dálkový odečet na stávající vodoměry, pokud jsou známé jejich elektrické vlastnosti, pulzní váha a požadavky na čítání. Dobře se hodí ke sledování spotřeby, samy ale nedokážou potvrdit absolutní stav počitadla vodoměru ani poskytnout další informace, které nabízejí některá digitální rozhraní. Správný přístup proto závisí na tom, co stávající vodoměr podporuje a jaká data projekt potřebuje.

Slovníček užitých pojmů

• Bezpotenciálový kontakt (dry contact): spínač, který obvod pouze spíná a rozpíná, aniž by sám dodával napětí
• Enkodérové počitadlo (encoder register): počitadlo měřidla, které poskytuje svou hodnotu v digitální podobě místo jednotlivých pulzů
• Hallův snímač: elektronický snímač, který zaznamenává magnetické pole bez mechanických kontaktů
• Jazýčkový kontakt (reed switch): dvojice kovových kontaktů zatavených ve skleněné trubičce, které se sepnou, když kolem nich projde magnet
• LoRaWAN: protokol bezdrátové sítě s velkým dosahem a nízkou spotřebou, ve kterém zařízení posílají data přes brány na síťový server; síť může být veřejná i privátní
• M-Bus (Meter-Bus): drátový evropský standard pro odečet dat z měřidel, například vodoměrů, plynoměrů a měřidel tepla
• NB-IoT (Narrowband IoT): celulární technologie s nízkou spotřebou, fungující v licencovaných sítích mobilních operátorů a vhodná pro zařízení, která přenášejí malé objemy dat
• Ošetření zákmitů (debounce): filtrace krátkých nestabilních změn signálu, aby se jedno sepnutí kontaktu započítalo jako jeden pulz
• Pulzní váha (pulse weight): objem, který představuje jeden pulz, stanovený pro měřidlo nebo jeho pulzní modul
• S0: standardizované elektrické rozhraní pro přenos pulzů mezi měřidlem a zařízením, které pulzy počítá