摘要：
基于無線數(shù)傳技術(shù)的大口徑預(yù)付費水表由無線IC卡閥門控制器和無線超聲波水表兩部分組成。無線IC卡閥門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。無線超聲波水表采用數(shù)字化計量，定時將計量數(shù)據(jù)以無線方式傳遞給控制器，實現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)的結(jié)算與控制。采用這種分體式、無線數(shù)傳、超聲波計量的設(shè)計，可有效提高大口徑預(yù)付費水表的穩(wěn)定性及可靠性，對于建設(shè)節(jié)水型社會具有重要意義。
關(guān)鍵詞：預(yù)付費 大口徑 超聲波水表 控制 無線
一、前言
水是生命之源，無論是人類的生存還是社會的發(fā)展都離不開水。然而，近年來水資源大量流失，環(huán)境嚴(yán)重污染，嚴(yán)重影響到人類的正常生活。 十八大報告提出“加強水源地保護和用水總量管理，建設(shè)節(jié)水型社會”，報告也指出“集約利用資源，推動資源利用方式根本轉(zhuǎn)變，提高利用效率和效益”、“堅定水資源的可持續(xù)發(fā)展”。可見水資源的管理已經(jīng)到了刻不容緩的時刻。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)、果園灌溉等場合，均需要大口徑水表對水資源進行管理。同時，在自來水公司大口徑水表一般計量70%至80%的用水量。因此，如何科學(xué)的管理大口徑水表對于水司的效益也至關(guān)重要。
常見的對水資源的管理是在機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，因此可以方便的對大口徑水表進行抄讀，實現(xiàn)了抄表的便捷與高效。但僅有遠程抄讀功能，對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現(xiàn)象。因此就迫切需要通過一種方式，將水資源與消費群體的利益聯(lián)系在一起，通過先付費后用水，多用水、多付費的方式實現(xiàn)水資源的管理。大口徑預(yù)付費水表就是在這種背景下產(chǎn)生的。
二、傳統(tǒng)的大口徑預(yù)付費水表遇到的難題
傳統(tǒng)的大口徑預(yù)付費水表由于基表、閥門體積大等原因，一般由控制器、電動閥門、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。大口徑水表的閥門驅(qū)動一般需要1至2A的電流，動閥時間長，一般為1分鐘左右，DN300及其以上的閥門動作時間更長。因此電路設(shè)計一般選用市電供電，以保證閥門的正常運行。而大水表實際使用的環(huán)境又比較復(fù)雜，甚至有的比較偏遠，因此不易取電。即使能夠取電，也存在停電的風(fēng)險，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，會導(dǎo)致電子系統(tǒng)的癱瘓。控制器與閥門之間，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，接線頭之間會銹蝕，會接觸不良，傳感器會受潮，閥門電機會生銹，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題。
3、 閥門銹死，開關(guān)閥無效。對于大口徑閥門，普遍采用電動球閥。大口徑的球閥加工精度高，造價昂貴，如管道中有雜質(zhì)，很容易被雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致閥門無法打開。有些廠家甚至對閥門做了定時開關(guān)閥，希望能夠通過閥門的動作保持閥體表面的清潔，但效果也不是很好，原因是電動球閥閥門與管道壁接觸面積太大，摩擦力本來就大，一旦銹死，根本無法動作。
4、 信號線受腐蝕，計量失效。采用脈沖方式計量的水表使用的傳感器無外乎干簧管、霍爾、維根等。雖然通過灌封硅膠、環(huán)氧樹脂等方式保護傳感器不受潮，但水氣、潮氣通過接線口或信號線端子侵蝕信號線，也會侵蝕傳感器。就算傳感器沒有損壞，信號線也會嚴(yán)重氧化，阻抗也會發(fā)生變化甚至斷裂，導(dǎo)致計量失效。
5、 機械水表存在壓損大、卡字輪、始動流量大的缺點。由于原理性結(jié)構(gòu)限制，機械水表壓力損失一般在60K Pa左右，字輪、齒輪在使用過程均存在磨損現(xiàn)象，6年后需要重新拆卸字輪，調(diào)整更換零部件。使用過程，由于水質(zhì)原因也會頻繁發(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)信水表傳感器的計量依賴于機械部分，機械部分的損壞會直接導(dǎo)致電子計量的失效，給管理方帶來麻煩。加之機械水表始動流量大，誤差大，也會造成水資源的浪費。
三、無線數(shù)傳大口徑預(yù)付費水表介紹
新天科技研發(fā)的無線數(shù)傳大口徑預(yù)付費水表，集多項技術(shù)為一體，采用鋰電池供電、全密封灌膠處理、電動蝶閥、超聲波計量、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綇氐捉鉀Q了傳統(tǒng)大口徑預(yù)付費水表存在的取電難、防水防潮難、閥門控制不易、計量不準(zhǔn)確的難題。
無線數(shù)傳大口徑預(yù)付費水表由無線IC卡閥門控制器和無線超聲波水表兩部分組成，如圖2所示。無線IC卡閥門控制器將智能控制模塊與大口徑閥門合為一體，鋰電池供電，殼體采用鋁合金材料，內(nèi)置無線收發(fā)模塊，用于接收來自超聲波水表的計量信息。超聲波水表內(nèi)置無線發(fā)射裝置，定時將計量信息發(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，控制器便關(guān)閉閥門，實現(xiàn)預(yù)付費功能。
新天無線數(shù)傳大口徑預(yù)付費水表特點：
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，不易取電的難題。無線數(shù)傳大口徑預(yù)付費水表采用鋰電池供電，電路設(shè)計采用自動降耗技術(shù)，確保電池的更換周期在6年以上。更換電池時，只需要使用工具將控制器外殼打開，取出電池倉，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題。為確保產(chǎn)品的密封性， 我 公司根據(jù)大口徑預(yù)付費水表控制模塊的尺寸、特點設(shè)計控制模塊密封艙，確保控制模塊的灌封能夠達到密封效果。為確保電池、電機密封，設(shè)計一體式大口徑無線IC卡閥門控制器結(jié)構(gòu)(ZL 2012 2036 5260.5)。正因為電池、電機全密封，接線頭密封，顯示屏全密封，主控板全密封，因此，新天的預(yù)付費大口徑水表防護等級可以達到IP68，預(yù)付費大口徑水表的現(xiàn)場安裝環(huán)境，如下圖3：
3、 使用電動蝶閥，解決閥門銹死難題。由于蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕、材料耗用省，安裝尺寸小，開關(guān)迅速，90°往復(fù)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動力矩小等特點，廣泛用于接通、調(diào)節(jié)管路中的截止，蝶閥在我國70年代已開始推廣使用，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，摩擦力相對也小，因此不易銹死，將電動球閥替換為電動蝶閥，并配合定時開關(guān)閥，便可解決閥門的銹死難題。
4、 無線數(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問題、計量失效問題。無線IC卡閥門控制器與無線超聲波水表均做密封處理，兩者之間采用無線方式進行數(shù)據(jù)傳遞，系統(tǒng)獨立，穩(wěn)定可靠。閥門控制器每次結(jié)算的數(shù)據(jù)均為無線超聲波水表的當(dāng)前數(shù)據(jù)，因此不會產(chǎn)生累計誤差，不會發(fā)生計量失效。
5、 水表使用超聲波計量，壓力損失小，始動流量小，計量更準(zhǔn)確。超聲波水表使用專用的計量芯片GP22用于計量，具有計量精度高，測量分辨率高，量程比寬的特點。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，較機械式水表應(yīng)用范圍更為廣泛。超聲波水表采用直管段方式計量，由于沒有機械磨損，使用壽命較機械表更長。
四、新天無線數(shù)傳大口徑預(yù)付費水表關(guān)鍵技術(shù)
1、 全新的電池解決方案——有效延長電池使用壽命
智能水表的供電問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題突出，從十幾年的數(shù)據(jù)來看，鋰電池的鈍化問題是不可避免的，鈍化是一個化學(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)動閥門，此時往往被誤判為電池?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題已得到解決。新天采用的方案是在控閥的時候用恒流源把電池電壓導(dǎo)在一個儲能原件上，在控閥的時候使用儲能元件上的能量來控制閥門，這樣就解決了電池鈍化后不能提供大電流的問題，而電池的使用壽命也會隨之大大延長，經(jīng)過反復(fù)老化測試，該方案徹底解決了電池壽命短的難題。
2、 四象限補償及自動消溫技術(shù)，小流量穩(wěn)定度高，溫度影響小。
超聲波信號是通過換能器發(fā)送出去的，但是換能器的參數(shù)不統(tǒng)一便會造成小流量不穩(wěn)定，新天超聲波水表通過四象限補償測量的技術(shù)有效補償了換能器參數(shù)不統(tǒng)一的問題，從而解決了小流量不穩(wěn)定的問題。
由于超聲波聲速信號會隨著水溫變化而變化，所以超聲波測量結(jié)果在一定程度上也會受溫度的影響，但是新天超聲波水表采用了聲速和溫度折算的自動消除聲速技術(shù)，從而使表精度完全不受水溫影響。計算公式如下：
注：t1、t2為順流時間和逆流時間，△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)，始動流量小。
新天通過 “流速差—相位差—電壓差—時間差”的測量方法可同時對多個波形進行鑒別，從而實現(xiàn)時間差的精密測量。采用此項技術(shù)，水流的微小波動，即可測量出來。因此新天超聲波表采用獨有相位鑒別技術(shù)，配合超聲波流量測量電路發(fā)明專利技術(shù)，既實現(xiàn)流量的高精測量，又保證了表的始動流量做到更低。
4、 采用七段誤差修正技術(shù)，誤差好、測量范圍寬。
大口徑超聲波水表的流量計量通過測得順流逆流的時間差來測得水流的速度，然后與分管道口徑面積進行積運算測的一定時間內(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，同時不同水溫超聲波傳輸?shù)乃俣纫泊嬖诓町悾覀冊O(shè)定了7組修正系數(shù)用于補償這種微小的差別，可以達到流量計量的準(zhǔn)確，如圖5。（專利：一種流量數(shù)字修正自動補償測量裝置專利號：ZL200820070975.1）
5、 反射片可定位的超聲波管段設(shè)計，保證了超聲波測量的準(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間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。在利用超聲波測流量的實際應(yīng)用過程中，兩個反射片的角度及位置正確與否、兩個反射片與兩個換能器的位置正確與否直接影響到超聲波測量流體流量的精度。
新天因此設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、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)計大大的提高了超聲波測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)有超聲波測量管段流體流量時由于反射片位置、換能器位置不正確而引起的測量不精確的問題。
五、結(jié)束語
掌握核心技術(shù)，產(chǎn)品精益求精是新天的核心競爭；不斷改進，追求零缺陷是新天的質(zhì)量理念；創(chuàng)新才有價值，簡單才能可靠是新天的研發(fā)理念。十幾年來，新天科技依靠先進的研發(fā)理念，為市場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)付費水表，無線自動路由遠傳水表，M-BUS光電直讀遠傳水表，M-BUS電子遠傳水表，超聲波水表、電磁流量計等。由于市場需求的多樣化，傳統(tǒng)的智能表無法適應(yīng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，也已無法滿足客戶的定制需求，作為智能水表行業(yè)的代表，新天科技會一如既往的努力，為越來越多的客戶定制特殊的產(chǎn)品，為智能水表行業(yè)做更大的貢獻。我們相信，在不久的將來，智能水表行業(yè)會呈現(xiàn)出更多的、創(chuàng)新型的智能水表產(chǎn)品。
