光電直讀濕式水表缺陷分析

●西華大學 魯順昌

       光電直讀水表是在原有的普通干式機械水表或普通濕式機械水表上增加光電讀取字輪位置的電路模塊而制成，在干式水表上加裝光電電路模塊后稱為光電直讀干式水表，在濕式水表上加裝光電電路模塊后成為光電直讀濕式水表。

目前光電直讀干式水表，由于字輪和電路均干式一體化密封于同一個空腔內，在理論上沒有技術缺陷，在實踐中使用的效果基本可以；而光電直讀濕式水表，存在一些技術上的缺陷，在近幾年的使用過程中其長期可靠性和耐久性并不盡人如意，本文在此重點對光電直讀濕式水表的技術缺陷進行分析，以給自來水公司一個全面的評估。

       光電直讀技術的起源始于瑞士的羅蘭.梅特勒先生在1994年申請的用于流量計的多位計數輪結構專利（專利號CN1127351A），在2005年之后，由于當時國內流行的IC卡式智能水表的電池出現了較多的問題，所以無源的光電直讀水表開始流行。光電直讀技術在干式水表上的應用基本成功，解決了自來水公司的抄表難問題；而光電直讀技術在濕式水表上的應用上，一直不盡如人意。

       但由于掌握光電直讀水表的技術的廠家眾多，在廠家共同推動下，自來水公司誤認為這項技術代表了潮流的技術。

       光電直讀濕式水表目前有三種基本的技術方案，這三種基本的技術方案基本原理一致，只是從結構型式來講分為三種，這三種結構型式各有優缺點，不能用一種結構局部優點去否定另一種結構的局部缺點。

       1.第一種結構：反射式光電直讀字輪結構

       本項技術的原理是在字輪的0-9的正面的不同位置涂上不同的黑色和白色組合涂塊（圖層），由幾組光電傳感器的紅外的發光管向這些涂塊發光，由紅外接收管接收發射的光線。抄表時，黑色塊不反射光，白色塊發射光，紅外接收管由此可以判斷出處于黑色塊或白色塊的位置，從而判斷出字輪的0-9的位置。由于結構和尺寸的限制，此種的濕式直讀表設置為直讀個、十、百3位，更高位依靠軟件實現進位。本結構見圖一。

       由于字輪為圓弧狀，安裝光電傳感器的電路板必須為軟性的可彎曲的撓度板，與字輪的配合彎曲成圓弧狀，為實現字輪數碼可視，電路板必然放置在字輪下部，故而電路板的腔體只有放置在水中，為確保密封，使用環氧樹脂將電路灌封起來，本方案的優點是：撓板緊貼字輪的下部，不容易受氣泡的干擾，光只穿過一層透明塑料，光的行程短，光阻小。主要難點為撓板上焊接光學器件，光電管的成品率較低，工藝要求較高，很難掌握。

       本結構的主要缺點為：

     （1）水和空氣的隔離為2mm厚的透明塑料，長期使用后透明塑料會開裂漏水。

     （2）采用環氧樹脂灌封把電路和水隔離，時間久了由于熱脹冷縮，水會進入電路板中，造成電路的失效，同時會發生水通過電路、M-bus通訊線漏水現象。

     （3）環氧樹脂灌封時間久了會變色，影響光電傳感器的透光性。

     （4）字輪黑白色塊在光照、氧化等因素影響下會褪色或脫落，直接導致直讀譯碼不良效果。

       2.第二種結構：透射式光電直讀字輪結構

       透射式又叫對射式，是在字輪的0-9側壁的位置刻上不同的槽，由幾組紅外的發光管和紅外的接收管組成光電傳感器的檢測機構，發光管和光接收管分別安裝在字輪片側壁的兩邊。抄表時，紅外光發光，有槽的地方透光，無槽的地方不透光，紅外接收管由此可以判斷出字輪處于0-9哪個位置。

       透射式的光電管焊接在普通的電路板組上，由于電路板組置于透明的腔體中，為了和水隔離，透明的腔體的出口使用透明環氧樹脂進行灌封。結構見圖二。

       這種結構的主要問題是：

     （1）水和空氣的隔離為2mm厚的透明塑料，長期使用后透明塑料會開裂漏水。

     （2）采用環氧樹脂灌封把電路和水隔離，時間久了由于熱脹冷縮，水會進入電路板中，造成電路的失效，同時會發生水通過電路、M-bus通訊線漏水現象。

     （3）環氧樹脂灌封時間久了會變色，影響光電傳感器的透光性。

       3.第三種結構：濕式干裝的透射式光電直讀字輪結構

       這種結構的電路板不再放置于水中而是放在外部（空氣中），其他原理同第二種結構。示意圖見圖三。

     本項技術由于電路不再浸泡在水中，所以電路的防水問題得到了很大的解決，但是仍未解決以下問題：

   （1）水和空氣的隔離為2mm厚的透明塑料，長期使用后透明塑料會開裂漏水。

   （2）由于光電管安裝在字輪的上部，水中的氣泡很容易進入字輪的上部即光路的位置，長時間使用后由于氣泡的影響會出現誤讀數。

   （3）透明塑料長期使用后會變黃變模糊，影響光的傳輸，出現誤讀數。

   （4）實踐中，全液封或半液封在運輸或使用過程中，或漏液或氣泡，直接導致直讀譯碼不良效果。

      1.長年使用后爆裂漏水

       這三種結構的光電直讀濕式水表，其共同處為：光電直讀濕式水表的電路（光電傳感器及主電路）以及和電路連接的M-bus通訊線，因為通訊線要引出到外界，因此電路和外界空氣是同一個大氣壓，水表的字輪位于水中，和管道的水是同一壓力。電路和字輪之間只有一層2mm厚的透明塑料隔離，為什么只能是2mm厚的透明塑料呢？

       根據光電傳感器的特性，光電傳感器的可靠收發距離為不大于10mm，除去字輪的厚度4mm、電路板的縫隙2mm，為了實現光發射和光接收的可靠傳輸，字輪和電路板之間透明塑料最多只能做2mm厚，這2mm厚的透明塑料把水和外界空氣隔離開。

       根據塑料的化學特性，隨著時間的推移、四季寒暑的交替變化、溫度的變化、水壓力下的環境，透明的塑料會慢慢老化、變脆，新生產的水表在水壓下、甚至打壓至2MPa也沒有什么問題，而等到三五年之后，透明塑料老化變脆后在水壓下就會開裂，水通過開裂的塑料流向電路板、再通過M-bus通訊線流向外面，因此常年使用后的光電濕式水表必然會發生漏水甚至爆裂的情況。
       按照水表的國家標準要求，普通水表的水和空氣的透明窗采用的是6mm厚的玻璃，由此可以推測出來2mm厚的塑料代替6mm厚的玻璃有很大的風險。

       現在一些廠家在表的顯示窗的地方也加了一塊玻璃，但是這塊玻璃的作用并不是隔離水和空氣，而是為了防止電路板不進水。玻璃的下部分放置電路，電路上連有M-bus通訊線，而M-bus通訊線引出到外界的空氣中，所以玻璃的下部分和外界的空氣是同一個大氣壓，水和電路及電路上的通訊線之間的隔離仍然靠2mm厚的塑料，所以長期使用后爆裂漏水問題在所難免。

       2.長期使用后讀數的準確性變差

       讀數的準確性變差主要由透明塑料變黃、字輪中出現氣泡等因素引起。

       首先是透明塑料變黃的問題。對于三種結構的產品，光電直讀濕式水表的光發射和光接收和字輪之間相隔一層（第一種結構）或兩層（第二、三種結構）的透明塑料，隨著時間的推移，四季寒暑的交替，透明塑料會滿滿老化、變黃、變模糊，阻礙光線的傳輸，光電直讀表使用3、5年后讀數的準確性會大打折扣。

       其次是水中氣泡的問題。因為渾濁的水會影響光的傳輸，因此，濕式的光電直讀表的字輪必須位于干凈的液體（如純凈水）中，即字輪盒必須液封，字輪盒內充滿了透明的干凈的液體。濕式水表的字輪盒中進行液封后，必須伸出一根金屬軸和水中的齒輪進行耦合傳動，為了避免水和液體（純凈水）進行交換即為了避免漏液，需要軸的密封可靠，而密封可靠會引起軸的摩擦力增加，若摩擦力太大，對于水表來說誤差變大、靈敏度變差，為了確保不漏液且摩擦力小，軸的密封一般采用在軸向密封上采用由動環和定環的結構方式，當有壓力時，軟密封就會變成硬密封，在沒有壓力的環境下，始終處于軸線密封。但是，由于管道中的水中有氣泡的存在，在軸的旋轉過程中，由于字輪盒的位置最高，無孔不入的氣泡會通過軸的旋轉進入字輪盒中，久而久之，進入字輪盒液體中的氣泡會越來越多，氣泡對發光管發射的光產生折射、衍射，光電接收管接收時出現數據的誤判。所以液體灌滿的光電直讀計數器，長時間使用就會產生氣泡，這是生產廠家都心知肚明而又心照不宣的一個問題，這是影響光電直讀水表長期讀數準確的一個天敵，液封水表漏液和氣泡問題是各生產廠商都面臨的難題。

       以上的兩個問題從理論上來講是解決不了的，為此，很多廠家在后臺數據上做文章，比如，目前廠家采用的是在抄表的采集器或在計算機數據庫內對數據進行修正（或者說造假）的方式，即每隔幾個小時讀取一次表的數據，當發現表的數據變化較大時，電腦自動置入一個估計的數據，采用修正的方法在前一兩年基本上發現不了什么問題，但幾年后由于數據進到了百位、千位，再加上光電管的透光失效，問題就會凸現，還有的廠家把抄表的數據庫放置在自己公司專門的服務器中，由人工對數據進行改寫，而只允許自來水公司從改寫后的數據庫中取得表的數據，美其名曰：云計算、云數據，而由于自來水公司沒有精力到現場一一查證，所以真實的水表數據是模糊的，這為自來水公司的精細管理造成了一定的麻煩。

       3.長期使用后故障率高

       采用第一、第二種結構的光電直讀電路模塊放置在透明塑料盒或者透明塑料腔內，而透明盒置于水中，為了實現電路和水的隔離，透明盒口部采用環氧樹脂材料，實行一次膠封。環氧樹脂在水中長期浸泡，結晶面中的Na離子與水中游離的H離子會發生互換，當置換到一定時間后，水分子逐步滲透入電路板部位，這樣會發生電路短路。此外，環氧樹脂、包裹環氧樹脂的塑料盒、電路均有熱脹冷縮的特點，這三個部分的熱脹冷縮的系數并不同，隨著時間的推移、溫度的變化，環氧樹脂和透明塑料盒的壁會裂開，水會進入電路中，同時不同的熱脹冷縮系數也會引起電子元器件的損壞，從而引起電路的損壞。

       三種結構的光電直讀模塊的光電傳感器均為發光二極管、光敏三極管組成，每一塊水表上共有20個發光二極管，20個光敏三極管，這40個器件，只要任何一個損壞，抄表的數據就會發生錯誤，根據國外最大的光電管生產廠家TUSHY-BA的光電傳感器的材料，光電傳感器的失效率，每年為千分之一左右，那么40個光電管的失效率，計算下來就是每年百分之四左右，目前國內安裝的光電直讀水表，新裝的水表每年的維修率也在4%左右，和光電管的故障率基本吻合，所以說光電直讀表是一項復雜且故障率較高的產品。另一方面，根據光電傳感器的技術參數，光電管的平均壽命為大約為10年，所以光電直讀表的電路的壽命也做多是10年左右。

       濕式表的光電直讀電路隨著時間的推移，一旦出現故障，電子模塊根本無法維修且更換困難，大大增加了管理單位后期維護的成本。

       五、未來的出路

       光電直讀水表自二十年前發明以來，2000年前曾在法國、以色列進行了短暫的安裝外，總計安裝大約不到5萬塊，當時在國外使用的是干式水表而不是濕式的光電直讀水表。在2000年美國的TI公司推出TMS3723B無磁傳感器芯片后，基于機械字輪式的光電直讀水表表現在已被一種新型的無磁傳感電子水表所替代，先進的采用無磁傳感技術的水表或超聲波技術的水表盡管在國內水行業尚未被認可，但在國外水行業已經被推廣。綜上，無磁水表、超聲波水表、電磁水表在國內水計量行業的發展已不再是展望。