靜態(tài)“智能家居”水計(jì)量的必然演變

流量計(jì)讓人聯(lián)想到大型、笨重、金屬、工業(yè)外觀的設(shè)備。這幾乎不是我們所認(rèn)為的現(xiàn)代智能技術(shù)。坦率地說(shuō)，大多數(shù)已安裝流量計(jì)底座的技術(shù)已經(jīng)過(guò)時(shí)。流量計(jì)的計(jì)量技術(shù)基本上是正排量或速度兩種類型之一。在容積式儀表中，當(dāng)活塞缸、儲(chǔ)液罐或隔膜充滿并隨后以重復(fù)方式釋放時(shí)，將計(jì)算固定體積的離散單位。在速度計(jì)中，測(cè)量液體的流量并推斷體積，因?yàn)楣艿赖闹睆绞且阎?。雖然這些傳統(tǒng)的機(jī)械儀表幾十年來(lái)一直為我們提供了良好的服務(wù)，但現(xiàn)在是時(shí)候轉(zhuǎn)向更好的計(jì)量技術(shù)及其帶來(lái)的好處了。

機(jī)械流量計(jì)的局限性和影響

盡管機(jī)械儀表歷史悠久，但其準(zhǔn)確性和可靠性存在重大限制。在低流速下，精度問(wèn)題尤其成問(wèn)題。由于無(wú)法以實(shí)惠的價(jià)格提供精細(xì)的測(cè)量功能，因此機(jī)械儀表通常測(cè)量不足，或者在低流速下根本不記錄任何流量。

可靠性也是個(gè)問(wèn)題。機(jī)械儀表往往會(huì)隨著時(shí)間的推移和使用而變慢。摩擦和磨料磨損會(huì)降低其性能。換句話說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，機(jī)械儀表往往會(huì)低估流量，精度會(huì)逐漸降低。

隨著時(shí)間的推移，低流量精度和性能下降的影響是巨大的。低流量性能使泄漏檢測(cè)變得困難或不可能。在美國(guó)，自1921年提出第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，美國(guó)水廠聯(lián)合會(huì)（AWWA）要求測(cè)試?yán)渌淼淖畹土髁繘](méi)有改變。3目前的最低流速精度要求為每分鐘 1/4 加侖（0.95 升）。以這種速度連續(xù)流動(dòng)相當(dāng)于大約 1，363 升/天。這是浪費(fèi)的水。浪費(fèi)還導(dǎo)致所有消費(fèi)者的賬單增加，因?yàn)楣檬聵I(yè)公司通過(guò)更高和更頻繁的費(fèi)率上漲來(lái)收回這些水損失的成本。

自然資源保護(hù)委員會(huì)（NRDC）與美國(guó)各地的公用事業(yè)公司合作，提交了一份減少這種浪費(fèi)的提案。NRDC建議增加“泄漏檢測(cè)測(cè)試流程”，要求測(cè)量低至1/16加侖/分鐘或0.01米的流速3/hr，精度在實(shí)際通過(guò)儀表的水的 80% 到 101% 之間。4為了滿足這一要求，需要顯著提高水表的精度。

靜電計(jì)量的出現(xiàn)

幸運(yùn)的是，新的、改進(jìn)的“靜態(tài)”計(jì)量技術(shù)正在走向智能家居。靜態(tài)儀表是任何沒(méi)有移動(dòng)部件的計(jì)量設(shè)備，與傳統(tǒng)的機(jī)械儀表相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。靜態(tài)儀表已經(jīng)在商業(yè)和工業(yè)市場(chǎng)使用了多年。

靜態(tài)儀表具有明顯更好的精度，尤其是在低流速下。此外，由于它們沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，它們更可靠，并且性能不會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。泄漏越少，浪費(fèi)和損失就越少。因此，服務(wù)提供商不會(huì)將收入損失的成本返還給消費(fèi)者。

靜電計(jì)分為電磁和超聲波飛行時(shí)間。在電磁計(jì)中，磁場(chǎng)施加到管道上，并產(chǎn)生垂直于磁通線的電壓。該電壓與流速成正比。雖然這種類型的儀表提供了出色的精度，但它往往具有相當(dāng)高的功耗。

當(dāng)今靜態(tài)儀表技術(shù)的主要類型是超聲波飛行時(shí)間。在該儀表中，壓電傳感器是脈沖的。由此產(chǎn)生的聲波穿過(guò)介質(zhì)（我們討論中的水），并在下游的第二個(gè)壓電換能器處拾取。完成此路徑后，壓電傳感器信號(hào)反轉(zhuǎn);下游壓電陶瓷脈沖，上游壓電陶瓷拾取信號(hào)。兩個(gè)脈沖的飛行時(shí)間差可以測(cè)量流量，因?yàn)槁暡ǖ乃俣扰c流量成正比。圖1顯示了帶有超聲換能器的典型閥芯體中的飛行時(shí)間差計(jì)算。

與先前目標(biāo)0.01m對(duì)應(yīng)的增量飛行時(shí)間值3/hr 對(duì)于小于 3/4 英寸（19.1 毫米）的管道，泄漏檢測(cè)測(cè)試流量約為 1.2ns。在1.2ns時(shí)，測(cè)量的飛行時(shí)間必須在960ps（80%）和1212ps（101%）之間，以滿足所需的精度。

圖1.飛行時(shí)間差計(jì)算示例。

超聲波飛行時(shí)間流量計(jì)的電子元件框圖如圖2所示。這里是一個(gè)專用的超聲波飛行時(shí)間IC，MAX35101，與兩個(gè)壓電閥接口。每個(gè)壓電陶瓷交替用作聲波發(fā)生器和接收器，具體取決于脈沖的方向。該IC采用高精度飛行時(shí)間磁芯，精度為20ps，具有出色的流速精度。雖然最終精度取決于管道直徑和流速，但這種架構(gòu)可以提供每小時(shí) 1 升以下的泄漏檢測(cè)，并在儀表的使用壽命內(nèi)保持精確到 EN 和 OIML 規(guī)范。

圖2.水表超聲波飛行時(shí)間方案采用帶模擬前端（AFE）的MAX35101時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

實(shí)現(xiàn)靜態(tài)計(jì)量

到目前為止，靜態(tài)儀表技術(shù)對(duì)于住宅用水并不實(shí)用。然而，最近服務(wù)提供方面的演變變化正在創(chuàng)造機(jī)會(huì)。

住宅使用靜態(tài)電表的最大挑戰(zhàn)很簡(jiǎn)單：電源。操作電子設(shè)備需要電源。由于大多數(shù)水表沒(méi)有接線供電，因此靜態(tài)水表傳統(tǒng)上不是一個(gè)實(shí)用的選擇。隨著AMR（高級(jí)抄表）和AMI（高級(jí)電表基礎(chǔ)設(shè)施）的出現(xiàn)，這種情況正在發(fā)生變化。AMI 和 AMR 通常使用無(wú)線通信技術(shù)支持遠(yuǎn)程抄表和/或控制。

當(dāng)服務(wù)提供商決定需要 AMI/AMR 功能時(shí)，他們現(xiàn)在需要通過(guò)線路電壓或電池為電表供電。由于無(wú)論如何都必須為儀表供電，這為靜態(tài)計(jì)量打開(kāi)了大門。靜態(tài)計(jì)量所需的功率肯定會(huì)增加功率要求，但不會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。電池技術(shù)的同時(shí)改進(jìn)正在幫助推動(dòng)電表技術(shù)的變革。由于功率密度在提高，儀表的使用壽命也在增加?？吹诫姵貕勖鼮?15 年或更長(zhǎng)時(shí)間的靜態(tài)儀表并不少見(jiàn)。

其他因素正在推動(dòng)住宅采用靜態(tài)儀表，特別是改進(jìn)的泄漏檢測(cè)和根據(jù)該信息采取行動(dòng)的能力?？梢詸z測(cè)到泄漏然后做出反應(yīng)的儀表，例如通過(guò)自動(dòng)閥門關(guān)閉，為家庭增加了顯著的安全性。雖然不一定是直接的安全隱患，但漏水檢測(cè)可以為房主避免不必要的高額水費(fèi)并防止水損壞。

結(jié)論

智能電表。智能電網(wǎng)。智能技術(shù)。我們生活在一個(gè)更智能的世界里，更明智的決策正在被推回更智能的設(shè)備。對(duì)于住宅用水表來(lái)說(shuō)，這當(dāng)然是正確的。我們家庭的服務(wù)交付基礎(chǔ)設(shè)施正變得越來(lái)越智能。靜態(tài)住宅水表是新興技術(shù)，注定要取代我們現(xiàn)在隨處可見(jiàn)的傳統(tǒng)機(jī)械水表。雖然仍處于起步階段，但靜態(tài)儀表有望提高精度和可靠性。隨著對(duì)智能基礎(chǔ)設(shè)施需求的增加，成本將隨著規(guī)模的擴(kuò)大而降低。毫無(wú)疑問(wèn)，靜態(tài)計(jì)量將更好地管理我們的天然水資源，提高安全性，并提供更好的消費(fèi)者體驗(yàn)。

審核編輯：郭婷