關(guān)鍵字：智能水表  傳感器  讀寫卡         

摘   要：綜述了智能水表的分類及其組成機(jī)構(gòu),分析了各組成機(jī)構(gòu)技術(shù)水平應(yīng)用現(xiàn)狀。針對現(xiàn)階段智能水表的應(yīng)用和技術(shù)水平,闡述了智能水表的發(fā)展方向: 經(jīng)濟(jì)實(shí)用、雙向?qū)崟r(shí)、數(shù)據(jù)共享。

    前言

    智能水表是近年來以自動控制技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐,以信息化管理需求為依托而發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)品,在實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)各級水務(wù)部門與用戶建立信息化服務(wù)與溝通的渠道中得到廣泛應(yīng)用,在實(shí)現(xiàn)管理者和用戶間的溝通與服務(wù)中起到承上啟下的作用,是二者間實(shí)現(xiàn)互動交流的平臺。

    1　智能水表的應(yīng)用現(xiàn)狀

    1. 1　智能水表的分類
 
    基于智能水表的信息化和網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用,它已不是傳統(tǒng)意義上的“水表”概念,取而代之的是以“系統(tǒng)”、“集成”的理念來認(rèn)識和發(fā)展智能水表。為了對智能水表的發(fā)展有一個(gè)較為全面的認(rèn)識,首先對遠(yuǎn)程集抄和卡式智能水表的應(yīng)用現(xiàn)狀作一個(gè)概述,以探討現(xiàn)行方式中可能存在的問題,為智能水表的未來發(fā)展方向提供一個(gè)坐標(biāo)或起點(diǎn)。

    目前,依據(jù)智能水表所構(gòu)建的系統(tǒng)功能和硬件平臺,可將智能水表分為智能水表遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)(以下簡稱遠(yuǎn)程集抄)和卡式智能水表系統(tǒng)。

    1. 2　遠(yuǎn)程集抄的組成及其技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

    遠(yuǎn)程集抄主要由基表、數(shù)據(jù)存貯與通訊系統(tǒng)、后臺軟件操作系統(tǒng)三部分組成。

    基表是指對水量進(jìn)行精確計(jì)量并將計(jì)量信息通過感器采集進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電信號的表具,基表主要包括計(jì)量機(jī)構(gòu)和傳感器兩部分。目前,現(xiàn)行主要基表是以水表計(jì)量機(jī)構(gòu)中的葉輪對通過的水量進(jìn)行計(jì)量,葉輪的旋轉(zhuǎn)頻率所記錄的流量信息通過水表的指示元件(指針、字輪等)逐次顯示。葉輪、指針、字輪等包含流量信息的元件統(tǒng)稱為計(jì)量元件,傳感器對計(jì)量元件的運(yùn)動狀況進(jìn)行采集,進(jìn)而將計(jì)量信息轉(zhuǎn)化為電信號的形式。

    根據(jù)計(jì)量元件在基表中傳遞水流能量的前后順序,直接受水流作用而運(yùn)動的始動元件稱為初級計(jì)量元件,如葉輪;將初級計(jì)量元件的運(yùn)動進(jìn)行逐級減數(shù)并可將計(jì)量信息加以指示的元件稱為次級計(jì)量元件,如指針(或與其相連接的齒輪)和字輪等。目前,常用的可供計(jì)量的表具是以多流束式水表為主的旋翼式水表和水平螺翼式大口徑水表等。

    目前,常用的傳感器主要分為磁敏傳感器、電感式傳感器和直讀式傳感器。

    磁敏式傳感器主要包括干簧管、霍爾元件、維根等,干簧管、霍爾元件由于分別受到使用壽命和工作頻率的影響,它們主要是對次級計(jì)量元件進(jìn)行采集,分別以開關(guān)和脈沖的形式輸出信號。維根可不受壽命和工作頻率的影響,可在各級計(jì)量元件中得到應(yīng)用,以脈沖的形式輸出信號。

    磁敏元件在應(yīng)用中對水表的靈敏度以及受外界磁干擾的影響較大,同時(shí)也會對水表的使用壽命造成不利影響,因此磁敏元件在使用上具有一定的局限性。但由于磁敏元件價(jià)格便宜,安裝簡單,適于大批量生產(chǎn),因而目前仍然得到廣泛使用。

    電感式傳感器主要是通過對振蕩信號的周期性衰減的采集獲取計(jì)量信息,主要應(yīng)用于初級計(jì)量元件,由于采用非磁激勵(lì),因而葉輪的運(yùn)動阻尼小,抗外磁干擾能力強(qiáng), 適用于各種水質(zhì),具有較廣泛的應(yīng)用。目前,由于電感線圈在制作工藝上的限制,線圈中的鐵芯在一定程度上受到外磁的干擾,因此抗外磁能力有待進(jìn)一步提高。目前,隨著線圈制作工藝和相關(guān)技術(shù)水平的提高,全無磁式電感傳感器已得到發(fā)展和初步應(yīng)用。

    直讀式傳感器分為光電式和機(jī)械式兩種,光電式可根據(jù)發(fā)射器和接收器的相對位置分為反射式和對射式。光電直讀是對次級計(jì)量元件字輪進(jìn)行相關(guān)信息采集,從而確定字輪的讀數(shù)。光電直讀由于傳感器元件應(yīng)用較多,硬件電路復(fù)雜,工藝要求高,因而成本較高,批量生產(chǎn)工藝難度大。機(jī)械式直讀主要是通過壓簧片對碼盤的直接接觸,獲取編碼信息,從而確定其相應(yīng)的指示位置。該方式雖然較前者成本低,但由于受簧片材質(zhì)和加工工藝的影響,存在著可靠性差,機(jī)械阻尼大(水表始動流量大) ,批量生產(chǎn)工藝性有待提高等問題。

    綜上所述,現(xiàn)階段智能水表的基表在計(jì)量的表具和傳感技術(shù)上呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn),各種方式由于受到現(xiàn)行技術(shù)水平和工藝技術(shù)的限制,并沒有形成突出的技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

    在數(shù)據(jù)通訊方面,現(xiàn)行采用RS485總線和MBUS總線的通訊方式,具有較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系,同時(shí)智能水表的通訊技術(shù)是隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的,目前,數(shù)據(jù)通訊方面除了有線方式外,各種無線抄表技術(shù)也層出不窮。在后臺軟件操作系統(tǒng)上,現(xiàn)行軟件上由于各水務(wù)管理部門在服務(wù)模式、收費(fèi)方式,以及在數(shù)據(jù)接口等方面存在較大差別,因此后臺軟件系統(tǒng)具有個(gè)性化、相互不兼容的特點(diǎn)。在遠(yuǎn)程集抄的應(yīng)用方面,主要是系統(tǒng)的管理者單方面從用戶方實(shí)時(shí)獲得相關(guān)數(shù)據(jù),如用水量等,這種數(shù)據(jù)交流的單向性造成了雙方獲取信息的不對稱。

    雖然遠(yuǎn)程集抄在基表、后臺處理等方面存在各種矛盾,但它由于初步建立了管理者與用戶之間的實(shí)時(shí)溝通渠道,為水資源管理行為實(shí)現(xiàn)社會化、集約化、實(shí)時(shí)化和人性化等現(xiàn)代管理要求中所起到的支撐作用卻是無可替代的。

    1. 3　卡式智能水表系統(tǒng)組成及其技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

    卡式智能水表系統(tǒng)由卡式智能水表、讀寫卡、后臺處理系統(tǒng)三部分組成。

    智能卡水表是以帶有發(fā)信裝置的水表為計(jì)量基表,以讀寫卡為媒體,加裝控制器和電控閥所組成的一種具有預(yù)付費(fèi)功能的水量計(jì)量儀表。讀寫卡是指可進(jìn)行讀寫操作的的媒體,如IC卡、TM卡、射頻卡等。后臺處理系統(tǒng)是指可對讀寫卡進(jìn)行讀、寫操作的硬件和軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)中由于讀寫卡承擔(dān)了管理者與用戶間的溝通以及用戶與與卡表間的溝通,而用戶是讀寫卡的持有者,因而在管理者與用戶間的實(shí)時(shí)溝通上受到一定的制約,這種非實(shí)時(shí)性同時(shí)降低了管理者與用戶間人性化服務(wù)的程度。

    2　智能水表的發(fā)展方向

    針對智能水表系統(tǒng)的硬件配置和網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的現(xiàn)狀,

    智能水表的發(fā)展方向表現(xiàn)為:經(jīng)濟(jì)實(shí)用、雙向?qū)崟r(shí)、數(shù)據(jù)共享。

    智能水表是信息社會發(fā)展的必然需要和產(chǎn)物,它終將成為面向千家萬戶的“平民化”產(chǎn)品,因而經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性是市場對智能水表的必然選擇。本文主要從基表來探討智能水表的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

    傳統(tǒng)水表依然是今后一段時(shí)間內(nèi)的智能水表基表的首選,其中單流束式水表以其結(jié)構(gòu)簡單,體積小,在同一規(guī)格的各型水表中具有最高的性價(jià)比,其質(zhì)量比同規(guī)格的其它類型水表質(zhì)量減輕20% ～40% ,由于加工工藝水平和設(shè)計(jì)水平的提高,批量合格率可達(dá)到90%左右,生產(chǎn)成本顯著降低,產(chǎn)品的可靠性、壽命較以往有了較大的突破。由于初級計(jì)量元件的傳感器安裝方式簡單,采集精度高, 因而生產(chǎn)成本低、工藝性能好,同時(shí)可以作為開發(fā)高計(jì)量精度等級的基表。非磁敏式傳感器是傳感器技術(shù)開發(fā)的方向,它的品質(zhì)應(yīng)達(dá)到:從水表的始動流量至過載流量的流量采集全程響應(yīng);低功耗;抗外界干擾;無阻尼和適用于多種水質(zhì)。目前,電感線圈式傳感器在開發(fā)與應(yīng)用方面已取得初步成效。因此,單流束式全無磁(電感線圈式)式基表具有計(jì)量精度等級高(D級精度) 、靈敏度高(3～4 L /h) 、抗干擾能力強(qiáng)(外磁場干擾) 、使用壽命長、性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn),可較好體現(xiàn)出對智能水表基表經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求。

    從長遠(yuǎn)看,隨著傳感器技術(shù)水平的提高和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的深入,各高檔流量計(jì)技術(shù),如超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)等將會廣泛應(yīng)用于水表的設(shè)計(jì)和使用中,以此技術(shù)開發(fā)的基表,結(jié)構(gòu)簡單,真正實(shí)現(xiàn)了無機(jī)械傳動,長壽命(等同于元器件壽命或管道壽命) ,無壓力損失,精確計(jì)量的量程廣(等同于安裝管道的流通能力)等優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)在小口徑(DN152DN40)和大口徑(DN502DN500)基表的應(yīng)用正處于開發(fā)階段,其傳感器(換能器)由于受到工藝技術(shù)水平的制約,成本較高,產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和應(yīng)用需要相當(dāng)長的一段時(shí)間。

     雙向?qū)崟r(shí)是對系統(tǒng)通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求,智能水表系統(tǒng)的使用者是水務(wù)管理者和用戶,該系統(tǒng)應(yīng)用水平的高低取決了雙向互動交流的程度以及雙向溝通的實(shí)時(shí)性。如前所述,現(xiàn)階段,集抄系統(tǒng)單方面建立起管理者從用戶方實(shí)時(shí)獲取信息的渠道,如管理者可通過該系統(tǒng)獲得用戶用水量的相關(guān)信息,而用戶無法通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取管理者的服務(wù)信息,這種獲取信息的不對稱制約了雙方互動的效能。而卡式智能水表系統(tǒng)雖然可以通過對IC卡的讀寫操作實(shí)現(xiàn)管理者與用戶間的雙向溝通,即管理者可以通過讀寫卡和后臺處理軟件了解用戶消費(fèi)行為等相關(guān)信息,同時(shí)用戶也可通過讀寫卡和基表中的顯示界面了解管理者的管理和服務(wù)行為等相關(guān)信息,但這種雙方溝通缺乏實(shí)時(shí)性,容易造成管理和服務(wù)行為的滯后。由此可見,網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)了雙方溝通的實(shí)時(shí)性;讀寫卡的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了雙方信息的互動交流,控制閥的應(yīng)用豐富了遠(yuǎn)程控制和執(zhí)行功能。因此建立由卡式智能水表、讀寫卡、遠(yuǎn)程集抄的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)的后臺數(shù)據(jù)處理軟件所構(gòu)成的智能水表系統(tǒng)可以深化雙方交流的行為方式,提高智能水表應(yīng)用的廣度和深度。

    共享性是對系統(tǒng)社會化的需要,隨著人類對水資源集約化管理程度的日益提高,人類對水資源利用的各項(xiàng)數(shù)據(jù)不僅是一個(gè)局部、一個(gè)地區(qū)關(guān)注的問題,而越來越成為一個(gè)國家、一個(gè)社會關(guān)注的問題。因此,數(shù)據(jù)的共享性就成為全社會對水資源實(shí)現(xiàn)集約化管理的基礎(chǔ)。由于長期以來,后臺數(shù)據(jù)處理軟件在數(shù)據(jù)接口,管理流程等方面形式多樣,造成數(shù)據(jù)交流共享程度不高,因此后臺數(shù)據(jù)處理軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的必由之路。標(biāo)準(zhǔn)化確保數(shù)據(jù)讀取方式的統(tǒng)一,模塊化可以確保水務(wù)管理對軟件功能多樣化的需求,提高軟件應(yīng)用的適用性,從而實(shí)現(xiàn)水務(wù)管理跨區(qū)域的聯(lián)合。

    3　結(jié)語

    智能水表系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)、傳感技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及社會化需求的發(fā)展而不斷向前發(fā)展的,智能水表系統(tǒng)在未來發(fā)展中所體現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)實(shí)用、雙向?qū)崟r(shí)、數(shù)據(jù)共享的特點(diǎn)正是這種技術(shù)發(fā)展和社會需求發(fā)展的集中體現(xiàn),同時(shí)體現(xiàn)著人類與水資源和諧共存的依存理念。