回顾智能水表的发展过程,还得从普通机械水表说起。机械水表价格低廉、计量准确,深受广大用户的喜爱,应用范围十分广泛,已有近百年历史。机械水表基本上可以分为干式、湿式、旋翼式和螺翼式四种。基本工作原理是通过自来水流动时产生的动力带动水表内的齿轮转动,而齿轮又带动水表表面指针旋转,从而显示用水量。但是随着城市规模的扩大和人民生活水平的提高,该类水表越来越不能适应社会发展的需要,主要表现在供水管理方面,该种水表存在以下几个弊端。
(1)随着城市规模的迅速扩大,水表数目急剧增加,由于该类水表采用人工抄表方式(人的工作效率是一定的),抄表员也必须相应扩充,抄表队伍越来越庞大,不但增加企业生产成本,而且人工抄表产生的误抄、漏抄、估抄等人为错误在所难免。
(2)人工抄表时间跨度大,无法抄录同一时间的数据,计算出自来水在城市管网中的漏损,以便应用高科技手段进行供水管理。
(3)由于现在水表安装的位置大部分在室内,抄表时,需要敲门入户,不符合居民对安全性和私密性的要求。
(4)抄表难度大、效率低。因为经常碰到住户不在家的情况,为了抄表可能要往返多次。
(5)不能有效遏止部分居民长时间恶意拖欠水费,透支用水的现象。
智能水表正是为解决上述问题而产生的。依据收费方式划分,智能水表可分为卡式水表和远传水表。本文主要探讨这两类智能水表产生的原因,分析其工作原理及在实际应用中存在的优缺点,为自来水公司根据实际情况,选用合适的用水计量方式提供帮助。
1 读卡式水表
随着新建住宅对私密性要求的提高,改变传统的入室抄表已是势在必行,而且现在全国各地正大力推行一户一表,抄表到户的做法。如果不对水表进行改进,只会加大管理部门的压力,从而增大企业的正常开支,增加抄表的工作的难度和强度。
针对我国一些地区收水费难、水费赖帐现象严重的情况,上世纪80年代末90年代初,国内自来水公司推出“先付费后用水”的管理模式,卡式水表盛行一时。典型的产品有ic卡水表、tm卡水表、代码交换式预付费水表等。本文以ic卡智能水表管理系统为例,说明卡式水表工作原理。该类系统是以智能卡作为媒介,要求用户在用水前必须到售水部门购水,方能使用自来水,它打破原有的先用水后付钱的规律。
ic卡智能水表管理系统是由水表基表、电动阀、微电脑、ic卡单元,信号采集单元、数据存储单元、显示单元与电子计算机和相应的ic卡管理机配合使用组成。其工作原理是首先通过管理机将用户及水表的有关资料录在一张ic卡上,由水表的数据存储单元读取ic卡上的资料,如正确无误后,电动阀门就打开供水,而水费的计收,则通过信号采集单元将用水量收集过来,通过微电脑自动计算水费和剩余水量,在显示单元上显示出来,当用户的卡中的剩余水量少于微电脑设置的最小值时,则通过电动阀门自动停水,待用户再次购水后,将ic卡资料重新输入数据存储单元,电动阀门又再次打开供水。该系统的出现,很大程度减轻了管理部门的负担,减少人力资源的耗用,提高水费的回收率。但是智能卡水表存在下列问题:
(1)智能卡水表未联网使得每户水表在使用中带有某种私有特性,若有住户故意用假卡(智能卡被破
译、伪造)或改动表体使计数装置失灵或不准,对此自来水公司和物业公司难以监控,造成利益损失。
(2)其次,因无法确知各表用水量,使得自来水公司对用水量的统计、供水调度和均衡都较为困难。
(3)智能卡水表依靠电池提供的电量维持其工作,若电池电能耗尽,则其将既不能对用户用水进行计量,又不能正确控制电动阀门(电磁阀)的开闭,对于用户透支用水无法监控。
(4)水损无法平摊,未抄表到户的小区,其物业公司难以接受。
(5)推行该种收费方式,要有相应的供水法规和条例共同出台,否则不可能会使用户一下子全部改变以往用水的观念。国外发达国家不提倡发展智能卡水表,原因是他们认为不应该让居民因为一时未缴水费而失去使用最基本的水资源的权利。
2 远传水表
2·1 第一代远程集中抄表系统———有源远传水表
集中抄表技术在国内出现仅有十年左右的历史,最初的抄表技术是抄表工人携带一个手持器,到现场将计量表具显示的数据输入手持器。每天抄表结束后再将手持器与管理计算机通讯,对数据进行整理,分类,统计,打印等。这种方式并不是真正意义上的集中抄表技术。它仍需要大量的人工。为了解决上述问题,大约在十年前,一种“发讯表+数据采集器”的集中抄表技术问世了。我们且称之为“第一代集中抄表系统”。该系统工作时,远传表具不断地发出脉冲信号,由采集器对脉冲进行采集、累加、存储和传送,这类表具统称为有源发讯表具或脉冲表[1]。
经过多年的发展,它的优缺点已经很明朗。优点是可一次抄读几十个用户的信息,如用联网方式,短时间内甚至可抄收成千上万的用户信息。但是其缺点也是致命的:
(1)有源表在实际的计量工作过程中,一个最基本、最重要的条件是必须维持稳定、可靠、不间断的供电。
(2)有源表计量不准确。这些可以从有源表的工作原理分析得出。有源表产生脉冲的传感器可分为:“霍尔元件型”、“干簧管型”和“光电转换型”,其基本工作原理分别是:
①霍尔元件型:在普通转盘技术的水表中加装霍尔元件和磁铁,即可构成基于磁电转换技术的传感器。霍尔元件固定安装在计数转盘附近,永磁体安装在计数盘位上,转盘每转一周,永磁铁经过霍尔元件一次,即由霍尔元件输出一个计数脉冲。
②干簧管型:在普通转盘计数的水表中加装干簧管和磁铁,干簧管固定安装在计数转盘附近,永磁铁安装在计数盘位上,当转盘每转一周,永磁铁经过干簧管时,干簧管的簧片开闭一次,由此输出一个计量脉冲。
③光电转换型:在水表的转盘处装一个光电转换器,转盘上有一条槽,转盘每转一圈,沟槽经过光电转换器时完成一次光电转换,输出一个计数脉冲。这些有源水表都是靠脉冲来保证表具计量的精确度的,而有源水表脉冲数量的准确度决定系统的计量精确度。通过分析我们可以发现脉冲误差产生原因主要有以下几种[2]:
①机械振动:使得表具产生错误脉冲输出,虽然从技术角度可以采用一些滤波计数来减少这种影响,但不能完全消除。干簧管型有源水表产生的此类误差尤为突出,这是由于水管系统中存在“水锤现象”。
②电磁干扰:有源表输出的脉冲信号在传输过程中很容易因受电磁干扰而产生误差,而且脉冲信号不像数字信号那样可以采用可靠的抗干扰技术来实现稳定的传输,这是任何一种有源表都难以解决的误差。
③供电问题:任何有源表都必须保证电源不间断的供给,一旦断电,便停止脉冲数计量,脉冲数少计,因而产生系统自动抄表数与实际表具数的不一致,而现场供电的可靠性恰恰又不能由自来水等专业公司或系统集成商来完全把握。现场电源的这种不可把握性,随时可使系统产生误差甚至瘫痪。
④水表倒转:水表在某些情况下会反转,如停水时水表会反转,一些高层的水表也会反转。计数盘刚好经过磁铁位置,产生一次正常的计量脉冲,如果这时反转,就会产生“第二个脉冲”的误差信号。而有源表的采集器是不能分辨正转、反转情况的,只要是脉冲,便进行累计式的计量。
⑤退磁现象:“干簧管型”和“霍尔元件型”有源表内传感器的核心部件之一永磁铁,随着时间的延长会出现退磁现象,使得干簧管(霍尔元件)在计数转盘转过时不能输出脉冲,从而导致脉冲少计。
2·2 第二代的远传集中抄表系统———无源直读式远传水表
随着集中抄表技术发展,近几年来出现了一种“无源直读表+数据采集器”的远传抄表技术。无源直读式远传水表的最大特点是只有在抄表的瞬间才需要电源,摆脱了脉冲计数远传水表离开电源便无法工作的难题,并且使水表机械读数与电子读数完全一致。根据工作原理主要可分为以下三种:
(1)码盘“直读”式远传水表
码盘“直读”式远传水表已有两种技术方案。一种是“孔位”编码的方法,在水表计数码盘上设置位置不同的数据代码孔,利用发光管和光敏管读取代码孔的位置,再通过代码运算,将其转换成水表的计量示数。另一种则是在水表计数码盘的周边设计代表水表示数的“带”码,通过发光管的发光与反射,读出水表计量示数的“带”码,再转换成数字。需要注意的是,为了解决读数码轮在机械进位过程中存在的盲区问题,一是需要对每一位码轮进行精确加工,使齿轮之间必须紧密咬合,不允许存在间隙。二是采取具有监督和纠错能力的特殊编码,才能保证读出数据的准确性。该水表的缺点是制造成本高,工艺难度大,容易受外界强光及环境污染的干扰。
(2)数码摄像“直读”式远传水表
利用数码摄像镜头,对水表基表的码盘示数拍照,再将照片中的水表示数转换为数字。数码摄像“直读”式远传水表存在两个问题,第一是图像的数据量较大,传输和存储都需要占用较大的空间,若将图/数转换电路设计在水表侧,虽能解决数据传输问题,但会造成居民户表需要较大的成本。因此。目前仅见到在后台统一进行图/数转换的系统。第二,是图/数转换的识别率尚未很好地得到解决。这个问题如果不能彻底解决的话,即使存在1%差错,也难投入实际应用。
(3)电阻编码“直读”式远传水表
利用不同的电阻值代表0~9个数位,制成了电阻编码“直读”式远传水表。一种是在指针式表盘底面制作对应电路,将每位指针的位移转换为对应的电阻值,读表时再将电阻值转换为水表示数。另一种是与码盘字轮同轴固定安装的电阻编码盘,电阻编码盘将码盘转动的位移转换为对应的电阻值。其优点是:用一个金属片随字轮转动接触这些电阻,读取不同的电阻值来代替此时的表具值。因为金属片随字轮动不需要外力,不发脉冲,故整个系统平时工作不用电,比传统脉冲表精确度也高。它的缺点是电阻作为一种电子元件,它容易受温度特别是湿度的影响,因此有些电阻无源表往往在使用一段时间后,信号线受潮使整个系统瘫痪。
很明显,无源直读式水表与有源水表相比,优点突出,主要表现在:
(1)自动记忆码轮位置,不是脉冲累加式计量,无需初始化。系统在首次开通及出现故障维修重新启动后都无需对表初始化,维护的工作量得到极大的降低,在自动抄表系统的实际应用中具有极大的推广价值。
(2)无源远传水表直接传送数码,而非脉冲信号。它不仅不受机械震动影响,同时对电磁干扰也具有极高的抗干扰性,所以在复杂的使用环境下能稳定、准确、可靠地实现计量。
(3)无源远传水表日常工作无需供电,这是具有革命意义的技术进步,避免了由于供电不稳定或故障引起的计量误差及大量的维护工作。
(4)由于无源远传水表记忆的是码轮位置(而非脉冲),因此即使水表发生倒转时,抄表数据与计量表具的读数也会始终保持一致。
3 智能水表的未来发展趋势
住宅户外计量是建设部在2000年小康型城乡住宅科技产业城市示范小区规划导则中明确规定的配套项目,是保证住宅私密性、安全性的有力措施[3]。随着社会的发展,科技创新不断涌现,智能水表的开发将朝着准确化、简单化、小型化、电子化的方向发展。水表计量的方式会变得更加简单、易用。作为工程技术人员应本着经济、合理、适用的原则,在实践中应根据实际情况,有针对性的试用各种不同的水表设置方式,选择最简单、最有效的计量方式,以期不断发展完善、满足社会需求。
[参考文献]
[1]潘柯·远传水表的技术现状及发展方向[j]·中国住宅设施, 2007, (11): 20-21。
[2]吴杰·总线直读式远传水表[j]·微计算机信息, 2006,(5): 175-177。
[3]叶显苍·水表市场现状与分析[j]·世界仪表与自动化,2006, (10): 15-16。
[作者简介]王丁磊(1970-),男,河南安阳人,副教授,博士,毕业于北京交通大学,主要研究方向为计算机智能控制。
