摘要：

基于無(wú)線數(shù)傳技術(shù)的大口徑預(yù)付費(fèi)水表由無(wú)線IC卡閥門(mén)控制器和無(wú)線超聲波水表兩部分組成。無(wú)線IC卡閥門(mén)控制器采用可更換鋰電池供電、一體式控制器控閥結(jié)構(gòu)及全密封的防水設(shè)計(jì)。無(wú)線超聲波水表采用數(shù)字化計(jì)量，定時(shí)將計(jì)量數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳遞給控制器，實(shí)現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)的結(jié)算與控制。采用這種分體式、無(wú)線數(shù)傳、超聲波計(jì)量的設(shè)計(jì)，可有效提高大口徑預(yù)付費(fèi)水表的穩(wěn)定性及可靠性，對(duì)于建設(shè)節(jié)水型社會(huì)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：預(yù)付費(fèi) 大口徑 超聲波水表 控制 無(wú)線 

一、前言

水是生命之源，無(wú)論是人類(lèi)的生存還是社會(huì)的發(fā)展都離不開(kāi)水。然而，近年來(lái)水資源大量流失，環(huán)境嚴(yán)重污染，嚴(yán)重影響到人類(lèi)的正常生活。 十八大報(bào)告提出“加強(qiáng)水源地保護(hù)和用水總量管理，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)”，報(bào)告也指出“集約利用資源，推動(dòng)資源利用方式根本轉(zhuǎn)變，提高利用效率和效益”、“堅(jiān)定水資源的可持續(xù)發(fā)展”?？梢?jiàn)水資源的管理已經(jīng)到了刻不容緩的時(shí)刻。大口徑水表，應(yīng)用范圍廣，例如學(xué)校、企業(yè)、礦區(qū)、小區(qū)、果園灌溉等場(chǎng)合，均需要大口徑水表對(duì)水資源進(jìn)行管理。同時(shí)，在自來(lái)水公司大口徑水表一般計(jì)量70%至80%的用水量。因此，如何科學(xué)的管理大口徑水表對(duì)于水司的效益也至關(guān)重要。

常見(jiàn)的對(duì)水資源的管理是在機(jī)械式大口徑水表的基礎(chǔ)上增加了發(fā)訊裝置和電子采集模塊，因此可以方便的對(duì)大口徑水表進(jìn)行抄讀，實(shí)現(xiàn)了抄表的便捷與高效。但僅有遠(yuǎn)程抄讀功能，對(duì)于水資源的管理是不完整的，不能有效的遏制水資源的浪費(fèi)現(xiàn)象。因此就迫切需要通過(guò)一種方式，將水資源與消費(fèi)群體的利益聯(lián)系在一起，通過(guò)先付費(fèi)后用水，多用水、多付費(fèi)的方式實(shí)現(xiàn)水資源的管理。大口徑預(yù)付費(fèi)水表就是在這種背景下產(chǎn)生的。

二、傳統(tǒng)的大口徑預(yù)付費(fèi)水表遇到的難題

傳統(tǒng)的大口徑預(yù)付費(fèi)水表由于基表、閥門(mén)體積大等原因，一般由控制器、電動(dòng)閥門(mén)、發(fā)信水表三部分組成，三部分之間采用通訊線纜的方式連接，如圖1所示。因此，在實(shí)際應(yīng)用中存在一些難題。

 

1、 供電難，不易取電。大口徑水表的閥門(mén)驅(qū)動(dòng)一般需要1至2A的電流，動(dòng)閥時(shí)間長(zhǎng)，一般為1分鐘左右，DN300及其以上的閥門(mén)動(dòng)作時(shí)間更長(zhǎng)。因此電路設(shè)計(jì)一般選用市電供電，以保證閥門(mén)的正常運(yùn)行。而大水表實(shí)際使用的環(huán)境又比較復(fù)雜，甚至有的比較偏遠(yuǎn)，因此不易取電。即使能夠取電，也存在停電的風(fēng)險(xiǎn)，因此傳統(tǒng)的大口徑水表內(nèi)置蓄電池用于續(xù)航，而續(xù)航能力往往又有限。

2、 使用環(huán)境惡劣，防水、防潮難。眾所周知，水氣是電子元器件的天敵，會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)的癱瘓。控制器與閥門(mén)之間，控制器與發(fā)信水表之間采用有線連接，在潮濕的環(huán)境下工作久了，接線頭之間會(huì)銹蝕，會(huì)接觸不良，傳感器會(huì)受潮，閥門(mén)電機(jī)會(huì)生銹，更何況市電供電本身也存在安全隱患，這些都是不易解決的問(wèn)題。

3、 閥門(mén)銹死，開(kāi)關(guān)閥無(wú)效。對(duì)于大口徑閥門(mén)，普遍采用電動(dòng)球閥。大口徑的球閥加工精度高，造價(jià)昂貴，如管道中有雜質(zhì)，很容易被雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)。有些廠家甚至對(duì)閥門(mén)做了定時(shí)開(kāi)關(guān)閥，希望能夠通過(guò)閥門(mén)的動(dòng)作保持閥體表面的清潔，但效果也不是很好，原因是電動(dòng)球閥閥門(mén)與管道壁接觸面積太大，摩擦力本來(lái)就大，一旦銹死，根本無(wú)法動(dòng)作。

4、 信號(hào)線受腐蝕，計(jì)量失效。采用脈沖方式計(jì)量的水表使用的傳感器無(wú)外乎干簧管、霍爾、維根等。雖然通過(guò)灌封硅膠、環(huán)氧樹(shù)脂等方式保護(hù)傳感器不受潮，但水氣、潮氣通過(guò)接線口或信號(hào)線端子侵蝕信號(hào)線，也會(huì)侵蝕傳感器。就算傳感器沒(méi)有損壞，信號(hào)線也會(huì)嚴(yán)重氧化，阻抗也會(huì)發(fā)生變化甚至斷裂，導(dǎo)致計(jì)量失效。

5、 機(jī)械水表存在壓損大、卡字輪、始動(dòng)流量大的缺點(diǎn)。由于原理性結(jié)構(gòu)限制，機(jī)械水表壓力損失一般在60K Pa左右，字輪、齒輪在使用過(guò)程均存在磨損現(xiàn)象，6年后需要重新拆卸字輪，調(diào)整更換零部件。使用過(guò)程，由于水質(zhì)原因也會(huì)頻繁發(fā)生大口徑水表字輪卡死的現(xiàn)象，更嚴(yán)重的是幾乎所有的發(fā)信水表傳感器的計(jì)量依賴(lài)于機(jī)械部分，機(jī)械部分的損壞會(huì)直接導(dǎo)致電子計(jì)量的失效，給管理方帶來(lái)麻煩。加之機(jī)械水表始動(dòng)流量大，誤差大，也會(huì)造成水資源的浪費(fèi)。

三、無(wú)線數(shù)傳大口徑預(yù)付費(fèi)水表介紹

新天科技研發(fā)的無(wú)線數(shù)傳大口徑預(yù)付費(fèi)水表，集多項(xiàng)技術(shù)為一體，采用鋰電池供電、全密封灌膠處理、電動(dòng)蝶閥、超聲波計(jì)量、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綇氐捉鉀Q了傳統(tǒng)大口徑預(yù)付費(fèi)水表存在的取電難、防水防潮難、閥門(mén)控制不易、計(jì)量不準(zhǔn)確的難題。

無(wú)線數(shù)傳大口徑預(yù)付費(fèi)水表由無(wú)線IC卡閥門(mén)控制器和無(wú)線超聲波水表兩部分組成，如圖2所示。無(wú)線IC卡閥門(mén)控制器將智能控制模塊與大口徑閥門(mén)合為一體，鋰電池供電，殼體采用鋁合金材料，內(nèi)置無(wú)線收發(fā)模塊，用于接收來(lái)自超聲波水表的計(jì)量信息。超聲波水表內(nèi)置無(wú)線發(fā)射裝置，定時(shí)將計(jì)量信息發(fā)送給控制器。這樣一發(fā)一收，控制器不斷刷新用水信息，當(dāng)用水量不足時(shí)，控制器便關(guān)閉閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。

 

 

新天無(wú)線數(shù)傳大口徑預(yù)付費(fèi)水表特點(diǎn)：

1、 可更換鋰電池供電，徹底解決大口徑水表安裝環(huán)境偏遠(yuǎn)，不易取電的難題。無(wú)線數(shù)傳大口徑預(yù)付費(fèi)水表采用鋰電池供電，電路設(shè)計(jì)采用自動(dòng)降耗技術(shù)，確保電池的更換周期在6年以上。更換電池時(shí)，只需要使用工具將控制器外殼打開(kāi)，取出電池倉(cāng)，更換電池即可。

2、 全密封灌膠，徹底解決大口徑水表防水防潮問(wèn)題。為確保產(chǎn)品的密封性， 我  公司根據(jù)大口徑預(yù)付費(fèi)水表控制模塊的尺寸、特點(diǎn)設(shè)計(jì)控制模塊密封艙，確?？刂颇K的灌封能夠達(dá)到密封效果。為確保電池、電機(jī)密封，設(shè)計(jì)一體式大口徑無(wú)線IC卡閥門(mén)控制器結(jié)構(gòu)(ZL 2012 2036 5260.5)。正因?yàn)殡姵亍㈦姍C(jī)全密封，接線頭密封，顯示屏全密封，主控板全密封，因此，新天的預(yù)付費(fèi)大口徑水表防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP68，預(yù)付費(fèi)大口徑水表的現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境，如下圖3：

 

 

3、 使用電動(dòng)蝶閥，解決閥門(mén)銹死難題。由于蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕、材料耗用省，安裝尺寸小，開(kāi)關(guān)迅速，90°往復(fù)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)力矩小等特點(diǎn)，廣泛用于接通、調(diào)節(jié)管路中的截止，蝶閥在我國(guó)70年代已開(kāi)始推廣使用，尤其在水治理方面應(yīng)用廣泛。由于蝶閥與管道接觸面積小，摩擦力相對(duì)也小，因此不易銹死，將電動(dòng)球閥替換為電動(dòng)蝶閥，并配合定時(shí)開(kāi)關(guān)閥，便可解決閥門(mén)的銹死難題。

4、 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，控制器數(shù)據(jù)定期刷新，解決脈沖水表存在的誤差累計(jì)問(wèn)題、計(jì)量失效問(wèn)題。無(wú)線IC卡閥門(mén)控制器與無(wú)線超聲波水表均做密封處理，兩者之間采用無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，系統(tǒng)獨(dú)立，穩(wěn)定可靠。閥門(mén)控制器每次結(jié)算的數(shù)據(jù)均為無(wú)線超聲波水表的當(dāng)前數(shù)據(jù)，因此不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，不會(huì)發(fā)生計(jì)量失效。

5、 水表使用超聲波計(jì)量，壓力損失小，始動(dòng)流量小，計(jì)量更準(zhǔn)確。超聲波水表使用專(zhuān)用的計(jì)量芯片GP22用于計(jì)量，具有計(jì)量精度高，測(cè)量分辨率高，量程比寬的特點(diǎn)。超聲波水表為直管段結(jié)構(gòu)，壓力損失小，一般為10 KPa,較機(jī)械表小。超聲波水表不必區(qū)分安裝方式，不必區(qū)分溫度等級(jí)，較機(jī)械式水表應(yīng)用范圍更為廣泛。超聲波水表采用直管段方式計(jì)量，由于沒(méi)有機(jī)械磨損，使用壽命較機(jī)械表更長(zhǎng)。

四、新天無(wú)線數(shù)傳大口徑預(yù)付費(fèi)水表關(guān)鍵技術(shù)

智能水表的供電問(wèn)題一直困擾著水表廠家，智能水表的供電大多由鋰電池供電和干電池供電兩種供電方式。鋰電池一直是智能水表供電設(shè)備的首選，但是這種電池鈍化問(wèn)題突出，從十幾年的數(shù)據(jù)來(lái)看，鋰電池的鈍化問(wèn)題是不可避免的，鈍化是一個(gè)化學(xué)特性，具體表現(xiàn)在電池使用兩三年以后，不能夠釋放大的電流即不能夠驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，此時(shí)往往被誤判為電池?zé)o電和使用壽命短。因此鋰電池如何激活在行業(yè)內(nèi)一直是個(gè)難題。

隨著電池應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，鋰電池使用壽命短的問(wèn)題已得到解決。新天采用的方案是在控閥的時(shí)候用恒流源把電池電壓導(dǎo)在一個(gè)儲(chǔ)能原件上，在控閥的時(shí)候使用儲(chǔ)能元件上的能量來(lái)控制閥門(mén)，這樣就解決了電池鈍化后不能提供大電流的問(wèn)題，而電池的使用壽命也會(huì)隨之大大延長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)老化測(cè)試，該方案徹底解決了電池壽命短的難題。

2、 四象限補(bǔ)償及自動(dòng)消溫技術(shù)，小流量穩(wěn)定度高，溫度影響小。

超聲波信號(hào)是通過(guò)換能器發(fā)送出去的，但是換能器的參數(shù)不統(tǒng)一便會(huì)造成小流量不穩(wěn)定，新天超聲波水表通過(guò)四象限補(bǔ)償測(cè)量的技術(shù)有效補(bǔ)償了換能器參數(shù)不統(tǒng)一的問(wèn)題，從而解決了小流量不穩(wěn)定的問(wèn)題。

由于超聲波聲速信號(hào)會(huì)隨著水溫變化而變化，所以超聲波測(cè)量結(jié)果在一定程度上也會(huì)受溫度的影響，但是新天超聲波水表采用了聲速和溫度折算的自動(dòng)消除聲速技術(shù)，從而使表精度完全不受水溫影響。計(jì)算公式如下：

 

注：t1、t2為順流時(shí)間和逆流時(shí)間，△t為順逆差，C為流量系數(shù)，k為口徑系數(shù)

3、 相位鑒別技術(shù)，始動(dòng)流量小。

新天通過(guò) “流速差—相位差—電壓差—時(shí)間差”的測(cè)量方法可同時(shí)對(duì)多個(gè)波形進(jìn)行鑒別，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間差的精密測(cè)量。采用此項(xiàng)技術(shù)，水流的微小波動(dòng)，即可測(cè)量出來(lái)。因此新天超聲波表采用獨(dú)有相位鑒別技術(shù)，配合超聲波流量測(cè)量電路發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)流量的高精測(cè)量，又保證了表的始動(dòng)流量做到更低。

 

 

4、 采用七段誤差修正技術(shù)，誤差好、測(cè)量范圍寬。

大口徑超聲波水表的流量計(jì)量通過(guò)測(cè)得順流逆流的時(shí)間差來(lái)測(cè)得水流的速度，然后與分管道口徑面積進(jìn)行積運(yùn)算測(cè)的一定時(shí)間內(nèi)的水流量，然而，同一口徑的超聲波流量基表，雖然鑄造磨具相同，但截面積存在著微小的差異，同時(shí)不同水溫超聲波傳輸?shù)乃俣纫泊嬖诓町?，我們?cè)O(shè)定了7組修正系數(shù)用于補(bǔ)償這種微小的差別，可以達(dá)到流量計(jì)量的準(zhǔn)確，如圖5。（專(zhuān)利：一種流量數(shù)字修正自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)量裝置專(zhuān)利號(hào)：ZL200820070975.1）

 

 

5、 反射片可定位的超聲波管段設(shè)計(jì)，保證了超聲波測(cè)量的準(zhǔn)確性。

當(dāng)前，大多數(shù)廠家生產(chǎn)的超聲波儀表都是利用超聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來(lái)測(cè)量流體流量的。在利用超聲波測(cè)流量的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，兩個(gè)反射片的角度及位置正確與否、兩個(gè)反射片與兩個(gè)換能器的位置正確與否直接影響到超聲波測(cè)量流體流量的精度。

新天因此設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易定位、易于批量化生產(chǎn)的超聲波反射片可精確定位的結(jié)構(gòu)件。采用此設(shè)計(jì)大大的提高了超聲波測(cè)量流體流量的精確度，更易于批量化生產(chǎn)，徹底解決了現(xiàn)有超聲波測(cè)量管段流體流量時(shí)由于反射片位置、換能器位置不正確而引起的測(cè)量不精確的問(wèn)題。

五、結(jié)束語(yǔ)

   掌握核心技術(shù)，產(chǎn)品精益求精是新天的核心競(jìng)爭(zhēng)；不斷改進(jìn)，追求零缺陷是新天的質(zhì)量理念；創(chuàng)新才有價(jià)值，簡(jiǎn)單才能可靠是新天的研發(fā)理念。十幾年來(lái)，新天科技依靠先進(jìn)的研發(fā)理念，為市場(chǎng)推廣出了一系列高品質(zhì)的產(chǎn)品，比如非接觸式IC卡預(yù)付費(fèi)水表，無(wú)線自動(dòng)路由遠(yuǎn)傳水表，M-BUS光電直讀遠(yuǎn)傳水表，M-BUS電子遠(yuǎn)傳水表，超聲波水表、電磁流量計(jì)等。由于市場(chǎng)需求的多樣化，傳統(tǒng)的智能表無(wú)法適應(yīng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，也已無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)的定制需求，作為智能水表行業(yè)的代表，新天科技會(huì)一如既往的努力，為越來(lái)越多的客戶(hù)定制特殊的產(chǎn)品，為智能水表行業(yè)做更大的貢獻(xiàn)。我們相信，在不久的將來(lái)，智能水表行業(yè)會(huì)呈現(xiàn)出更多的、創(chuàng)新型的智能水表產(chǎn)品。