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静态水表计量:“智能家居”中的未来之势


发布时间:2017-02-28  文章来源:未知

世界变得越来越智能,我们对设备、通信和网络的期待也越来越高,智能电表和智能电网就是典型代表。尽管“智能”一词对于不同人有不同的含义,但广义来说,智能喻示着更强的能力和更多的功能,以及提供做出明智决策的能力。这正是住宅用水计量领域用新型静态表代替传统机械水表的原因。

  在为家庭提供智能服务方面,我们尚处于初级阶段。受电力供应商智能电表和智能电网的推动,实时监测和控制电器设备正越来越普遍。这种实时访问信息的能力对于服务供应商及其服务对象来说,都非常有用并可从中受益。通过实时测量和状态监测,我们能够了解用电情况以及对决策的影响,甚至判断故障条件。自然而然,人们希望这种智能化能够从用电领域延伸至现代家居服务的各个方面。

  渴望更智能化服务的同时,人们还要求提高用水计量的精度,并最终减少浪费。据估算,美国家庭每年漏水量超过一万亿加仑,10%的家庭每天的漏水量达到90加仑1 。由于现有水表的精度较低,泄漏现象往往不易察觉。

  流量计回顾

  水是生活必需品,采用流量计计量,据市场研究机构IMS Research估算,到2016年,水表市场规模将达到大约每年1.2亿只2。

  流量计很容易让人想到体积大、笨重、金属制造、工业外观的设备,很难与现代化、智能技术联系在一起。坦率地讲,现有绝大多数流量计的技术已经相当落伍。流量计基本上采用两种计量技术之一:正位移或流速。在正位移式水表中,在充满活塞套筒、储液器或膜盒然后排放的反复过程中,对固定容积的离散单位进行计数;在流速式水表中,已知管道的直径,所以测量液体的流速,即推算出容积。虽然这些传统式机械水表已经服役了数十年,但现在应该采用更好的计量技术并享受其带来的益处。

  机械式流量计的局限性和影响

  尽管历史悠久,但机械式水表在精度和可靠性方面具有显而易见的局限性。流量较小时,精度问题尤其明显;一分价钱一分货,机械式水表通常测不准低速流量,或者干脆不测量低速流量。

  可靠性问题也很严重,机械式水表随着使用时间的推移会变慢,摩擦和磨粒磨损会降低其性能。也就是说,随着时间推移,机械水表精度变差,测不准流量。

  低流量精度和性能随时间劣化的影响显而易见,低流量性能使得漏泄难以检测或几乎不可能检测。在美国,第一版标准颁布于1921年,要求美国自来水厂协会(AWWA)测试的冷水水表的最低流量从未发生过变化。目前的最小流量精度要求为1/4加仑(0.95升)每分钟,此流速下的连续流量相当于1,363升/天,这是浪费的水。由于自来水公司会将所有水损耗成本体现在更高的价格以及更加频繁的提高水价,浪费会造成全体消费者的水费账单更高。

  美国自然资源保护委员会(NRDC)与全美国的自来水公司合作,已经提交了关于减少这种浪费的提案。NRDC提议增加一种“泄漏检测测试流量”,要求将流量测量降低至1/16加仑/分钟或0.01立方米/小时,精度为水表实际通过水量的80%至101%4。为满足这一要求,就需要大幅提高水表精度。

  静态计量的紧迫性

  幸运的是,新型的改良“静态”计量技术正在走向智能家居。静态仪表是指任何没有运动部件的计量装置,相对于传统机械水表具有明显优势。静态水表在商业和工业市场的应用已有多年。

  静态水表的精度尤其是低流量时的精度要高得多。此外,由于没有运动部件,所以更可靠,性能不会随时间推移而下降。泄漏越少,浪费和损失就越小。所以,服务供应商就不会将损失转嫁到消费者头上。

  静态水表分为电磁式和超声传播时间式。在电磁水表中,向管道应用电磁场,在磁通线垂直方向产生电压,该电压与流量成比例。此类水表的精度极高,通常功耗也较高。

  现在主要类型的静态表为超声传播时间式,在此类水表中,向压电传感器施加脉冲信号;产生的超声波穿过介质(本文中指水),被下行方向的第二个压电传感器检测到。完成这一过程后,将压电传感器信号反过来:对下行方向的压电传感器施加脉冲信号,上行方向的压电传感器检测信号。由于超声波的速度与流量成比例,所以利用两个脉冲的传播时间差,即可测量流量。图1所示为带有超声传感器的典型阀芯体内的传播时间差计算。

  对于尺寸小于3/4in (19.1mm)的管道,与上述0.01立方米/小时泄漏检测测试流量目标对应的传播时间差为大约1.2ns。为满足要求精度,传播时间差为1.2ns时,测得的传播时间必须介于960ps (80%)和1212ps (101%)之间。

静态水表计量在“智能家居”中的未来之势

  图1. 传播时间差计算示例。

  超声传播时间差式流量表的电子方框图见图2。图中采用一款专用、超时传播时间差IC,MAX35101,连接有两个压电传感器。每个压电传感器均可轮换作为超声波发生器和接收器,取决于脉冲方向。IC使用高精度传播时间内核,精度达20ps,提供优异的流量精度。尽管最终精度依赖于管道直径和流量,这种架构可提供低于1升每小时的泄漏检测能力,在水表生命周期内保证满足EN和OIML规范的精度。

  静态水表计量在“智能家居”中的未来之势

  图2. 超声传播时间式水表方案,采用带有模拟前端(AFE)的MAX35101时间至数字转换器

  静态计量的实现

  截至目前,静态水表的技术对于住宅水表应用尚不实用,然而服务提供领域最近的创新变化提供了大好机会。

  静态水表在住宅领域应用的最大挑战很简单:电源,电子装置需要电源才能工作。由于大多数水表都未连接电源,所以静态水表曾经一度不是实用的选择。随着AMR(自动抄表)和AMI(高级表计基础架构)的启动,这一现状得到了改观。AMI和AMR支持远程抄表和/或控制,通常采用无线通信技术。

  当服务供应商认为其需要AMI/AMR功能时,就需要为水表供电,无论是通过市电还是电池。由于无论如何都必须为水表供电,所以这就打开了静态计量的大门。静态计量需要电压这项要求是确定的,但这并未导致产生新的挑战。同时,电池技术的发展也有助于推动水表技术的变化。随着功率密度的提高,水表寿命也进一步延长。电池寿命达到或超过15年的静态水表并不鲜见。

  其它因素也正在驱使住宅采用静态水表,尤其是提高泄漏检测水平以及根据信息采取措施的能力等因素。如果水表能够检测泄漏并采取措施,例如通过自动阀门关断,就大大增加了家居安全性。尽管不一定是直接的安全危险,但水泄漏检测可避免业主不必要的高水费,防止水害。

  结论

  我们生活在智能的世界,设备越智能,所做的决策就越明智。对于水表在住宅领域的应用,这点是毋庸置疑的。我们家居的服务提供也变得越来越智能。住宅静态水表是涌现出的新技术,必定要代替目前无处不在的传统机械水表。尽管目前尚处于萌芽阶段,静态水表注定会提高精度和可靠性。随着智能基础架构的规模增长,成本将逐渐下降。毫无疑问,静态计量将帮助我们更好地管理自然水资源,提高安全性,并提供更好的消费体验。

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