靜態(tài)水表計(jì)量在未來在住宅領(lǐng)域的應(yīng)用

世界變得越來越智能，我們對(duì)設(shè)備、通信和網(wǎng)絡(luò)的期待也越來越高，智能電表和智能電網(wǎng)就是典型代表。盡管“智能”一詞對(duì)于不同人有不同的含義，但廣義來說，智能喻示著更強(qiáng)的能力和更多的功能，以及提供做出明智決策的能力。這正是住宅用水計(jì)量領(lǐng)域用新型靜態(tài)表代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械水表的原因。

在為家庭提供智能服務(wù)方面，我們尚處于初級(jí)階段。受電力供應(yīng)商智能電表和智能電網(wǎng)的推動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制電器設(shè)備正越來越普遍。這種實(shí)時(shí)訪問信息的能力對(duì)于服務(wù)供應(yīng)商及其服務(wù)對(duì)象來說，都非常有用并可從中受益。通過實(shí)時(shí)測(cè)量和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，我們能夠了解用電情況以及對(duì)決策的影響，甚至判斷故障條件。自然而然，人們希望這種智能化能夠從用電領(lǐng)域延伸至現(xiàn)代家居服務(wù)的各個(gè)方面。

渴望更智能化服務(wù)的同時(shí)，人們還要求提高用水計(jì)量的精度，并最終減少浪費(fèi)。據(jù)估算，美國家庭每年漏水量超過一萬億加侖，10%的家庭每天的漏水量達(dá)到90加侖1。由于現(xiàn)有水表的精度較低，泄漏現(xiàn)象往往不易察覺。

流量計(jì)回顧

水是生活必需品，采用流量計(jì)計(jì)量，據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IMS Research估算，到2016年，水表市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到大約每年1.2億只2。

流量計(jì)很容易讓人想到體積大、笨重、金屬制造、工業(yè)外觀的設(shè)備，很難與現(xiàn)代化、智能技術(shù)聯(lián)系在一起。坦率地講，現(xiàn)有絕大多數(shù)流量計(jì)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)落伍。流量計(jì)基本上采用兩種計(jì)量技術(shù)之一：正位移或流速。在正位移式水表中，在充滿活塞套筒、儲(chǔ)液器或膜盒然后排放的反復(fù)過程中，對(duì)固定容積的離散單位進(jìn)行計(jì)數(shù)；在流速式水表中，已知管道的直徑，所以測(cè)量液體的流速，即推算出容積。雖然這些傳統(tǒng)式機(jī)械水表已經(jīng)服役了數(shù)十年，但現(xiàn)在應(yīng)該采用更好的計(jì)量技術(shù)并享受其帶來的益處。

機(jī)械式流量計(jì)的局限性和影響

盡管歷史悠久，但機(jī)械式水表在精度和可靠性方面具有顯而易見的局限性。流量較小時(shí)，精度問題尤其明顯；一分價(jià)錢一分貨，機(jī)械式水表通常測(cè)不準(zhǔn)低速流量，或者干脆不測(cè)量低速流量。

可靠性問題也很嚴(yán)重，機(jī)械式水表隨著使用時(shí)間的推移會(huì)變慢，摩擦和磨粒磨損會(huì)降低其性能。也就是說，隨著時(shí)間推移，機(jī)械水表精度變差，測(cè)不準(zhǔn)流量。

低流量精度和性能隨時(shí)間劣化的影響顯而易見，低流量性能使得漏泄難以檢測(cè)或幾乎不可能檢測(cè)。在美國，第一版標(biāo)準(zhǔn)頒布于1921年，要求美國自來水廠協(xié)會(huì)（AWWA）測(cè)試的冷水水表的最低流量從未發(fā)生過變化。目前的最小流量精度要求為1/4加侖（0.95升）每分鐘，此流速下的連續(xù)流量相當(dāng)于1,363升/天，這是浪費(fèi)的水。由于自來水公司會(huì)將所有水損耗成本體現(xiàn)在更高的價(jià)格以及更加頻繁的提高水價(jià)，浪費(fèi)會(huì)造成全體消費(fèi)者的水費(fèi)賬單更高。

美國自然資源保護(hù)委員會(huì)（NRDC）與全美國的自來水公司合作，已經(jīng)提交了關(guān)于減少這種浪費(fèi)的提案。NRDC提議增加一種“泄漏檢測(cè)測(cè)試流量”，要求將流量測(cè)量降低至1/16加侖/分鐘或0.01立方米/小時(shí)，精度為水表實(shí)際通過水量的80%至101%4。為滿足這一要求，就需要大幅提高水表精度。

靜態(tài)計(jì)量的緊迫性

幸運(yùn)的是，新型的改良“靜態(tài)”計(jì)量技術(shù)正在走向智能家居。靜態(tài)儀表是指任何沒有運(yùn)動(dòng)部件的計(jì)量裝置，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械水表具有明顯優(yōu)勢(shì)。靜態(tài)水表在商業(yè)和工業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用已有多年。

靜態(tài)水表的精度尤其是低流量時(shí)的精度要高得多。此外，由于沒有運(yùn)動(dòng)部件，所以更可靠，性能不會(huì)隨時(shí)間推移而下降。泄漏越少，浪費(fèi)和損失就越小。所以，服務(wù)供應(yīng)商就不會(huì)將損失轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者頭上。

靜態(tài)水表分為電磁式和超聲傳播時(shí)間式。在電磁水表中，向管道應(yīng)用電磁場(chǎng)，在磁通線垂直方向產(chǎn)生電壓，該電壓與流量成比例。此類水表的精度極高，通常功耗也較高。

現(xiàn)在主要類型的靜態(tài)表為超聲傳播時(shí)間式，在此類水表中，向壓電傳感器施加脈沖信號(hào)；產(chǎn)生的超聲波穿過介質(zhì)（本文中指水），被下行方向的第二個(gè)壓電傳感器檢測(cè)到。完成這一過程后，將壓電傳感器信號(hào)反過來：對(duì)下行方向的壓電傳感器施加脈沖信號(hào)，上行方向的壓電傳感器檢測(cè)信號(hào)。由于超聲波的速度與流量成比例，所以利用兩個(gè)脈沖的傳播時(shí)間差，即可測(cè)量流量。圖1所示為帶有超聲傳感器的典型閥芯體內(nèi)的傳播時(shí)間差計(jì)算。

對(duì)于尺寸小于3/4in （19.1mm）的管道，與上述0.01立方米/小時(shí)泄漏檢測(cè)測(cè)試流量目標(biāo)對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間差為大約1.2ns。為滿足要求精度，傳播時(shí)間差為1.2ns時(shí)，測(cè)得的傳播時(shí)間必須介于960ps （80%）和1212ps （101%）之間。

圖1. 傳播時(shí)間差計(jì)算示例。

超聲傳播時(shí)間差式流量表的電子方框圖見圖2。圖中采用一款專用、超時(shí)傳播時(shí)間差IC，MAX35101,連接有兩個(gè)壓電傳感器。每個(gè)壓電傳感器均可輪換作為超聲波發(fā)生器和接收器，取決于脈沖方向。IC使用高精度傳播時(shí)間內(nèi)核，精度達(dá)20ps，提供優(yōu)異的流量精度。盡管最終精度依賴于管道直徑和流量，這種架構(gòu)可提供低于1升每小時(shí)的泄漏檢測(cè)能力，在水表生命周期內(nèi)保證滿足EN和OIML規(guī)范的精度。

圖2. 超聲傳播時(shí)間式水表方案，采用帶有模擬前端（AFE）的MAX35101時(shí)間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

靜態(tài)計(jì)量的實(shí)現(xiàn)

截至目前，靜態(tài)水表的技術(shù)對(duì)于住宅水表應(yīng)用尚不實(shí)用，然而服務(wù)提供領(lǐng)域最近的創(chuàng)新變化提供了大好機(jī)會(huì)。

靜態(tài)水表在住宅領(lǐng)域應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)很簡(jiǎn)單：電源，電子裝置需要電源才能工作。由于大多數(shù)水表都未連接電源，所以靜態(tài)水表曾經(jīng)一度不是實(shí)用的選擇。隨著AMR（自動(dòng)抄表）和AMI（高級(jí)表計(jì)基礎(chǔ)架構(gòu)）的啟動(dòng)，這一現(xiàn)狀得到了改觀。AMI和AMR支持遠(yuǎn)程抄表和/或控制，通常采用無線通信技術(shù)。

當(dāng)服務(wù)供應(yīng)商認(rèn)為其需要AMI/AMR功能時(shí)，就需要為水表供電，無論是通過市電還是電池。由于無論如何都必須為水表供電，所以這就打開了靜態(tài)計(jì)量的大門。靜態(tài)計(jì)量需要電壓這項(xiàng)要求是確定的，但這并未導(dǎo)致產(chǎn)生新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，電池技術(shù)的發(fā)展也有助于推動(dòng)水表技術(shù)的變化。隨著功率密度的提高，水表壽命也進(jìn)一步延長(zhǎng)。電池壽命達(dá)到或超過15年的靜態(tài)水表并不鮮見。

其它因素也正在驅(qū)使住宅采用靜態(tài)水表，尤其是提高泄漏檢測(cè)水平以及根據(jù)信息采取措施的能力等因素。如果水表能夠檢測(cè)泄漏并采取措施，例如通過自動(dòng)閥門關(guān)斷，就大大增加了家居安全性。盡管不一定是直接的安全危險(xiǎn)，但水泄漏檢測(cè)可避免業(yè)主不必要的高水費(fèi)，防止水害。

結(jié)論

我們生活在智能的世界，設(shè)備越智能，所做的決策就越明智。對(duì)于水表在宅住領(lǐng)域的應(yīng)用，這點(diǎn)是毋庸置疑的。我們家居的服務(wù)提供也變得越來越智能。住宅靜態(tài)水表是涌現(xiàn)出的新技術(shù)，必定要代替目前無處不在的傳統(tǒng)機(jī)械水表。盡管目前尚處于萌芽階段，靜態(tài)水表注定會(huì)提高精度和可靠性。隨著智能基礎(chǔ)架構(gòu)的規(guī)模增長(zhǎng)，成本將逐漸下降。毫無疑問，靜態(tài)計(jì)量將幫助我們更好地管理自然水資源，提高安全性，并提供更好的消費(fèi)體驗(yàn)。