靜態(tài)水表計量在“智能家居”中的未來之勢

世界變得越來越智能，我們對設(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”一詞對于不同人有不同的含義，但廣義來說，智能喻示著更強的能力和更多的功能，以及提供做出明智決策的能力。這正是住宅用水計量領(lǐng)域用新型靜態(tài)表代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械水表的原因。 

在為家庭提供智能服務(wù)方面，我們尚處于初級階段。受電力供應(yīng)商智能電表和智能電網(wǎng)的推動，實時監(jiān)測和控制電器設(shè)備正越來越普遍。這種實時訪問信息的能力對于服務(wù)供應(yīng)商及其服務(wù)對象來說，都非常有用并可從中受益。通過實時測量和狀態(tài)監(jiān)測，我們能夠了解用電情況以及對決策的影響，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)的各個方面。 

渴望更智能化服務(wù)的同時，人們還要求提高用水計量的精度，并zui終減少浪費。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。 

流量計回顧 

水是生活必需品，采用流量計計量，據(jù)市場研究機構(gòu)IMS Research估算，到2016年，水表市場規(guī)模將達(dá)到大約每年1.2億只2。 

流量計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)在一起。坦率地講，現(xiàn)有絕大多數(shù)流量計的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)落伍。流量計基本上采用兩種計量技術(shù)之一：正位移或流速。在正位移式水表中，在充滿活塞套筒、儲液器或膜盒然后排放的反復(fù)過程中，對固定容積的離散單位進(jìn)行計數(shù)；在流速式水表中，已知管道的直徑，所以測量液體的流速，即推算出容積。雖然這些傳統(tǒng)式機械水表已經(jīng)服役了數(shù)十年，但現(xiàn)在應(yīng)該采用更好的計量技術(shù)并享受其帶來的益處。 

機械式流量計的局限性和影響 

盡管歷史悠久，但機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，精度問題尤其明顯；一分價錢一分貨，機械式水表通常測不準(zhǔn)低速流量，或者干脆不測量低速流量。 

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

低流量精度和性能隨時間劣化的影響顯而易見，低流量性能使得漏泄難以檢測或幾乎不可能檢測。在美國，*版標(biāo)準(zhǔn)頒布于1921年，要求美國自來水廠協(xié)會(AWWA)測試的冷水水表的zui低流量從未發(fā)生過變化。目前的zui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，這是浪費的水。由于自來水公司會將所有水損耗成本體現(xiàn)在更高的價格以及更加頻繁的提高水價，浪費會造成全體消費者的水費賬單更高。 

美國自然資源保護(hù)委員會(NRDC)與全美國的自來水公司合作，已經(jīng)提交了關(guān)于減少這種浪費的提案。NRDC提議增加一種“泄漏檢測測試流量”，要求將流量測量降低至1/16加侖/分鐘或0.01立方米/小時，精度為水表實際通過水量的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)計量的緊迫性 

幸運的是，新型的改良“靜態(tài)”計量技術(shù)正在走向智能家居。靜態(tài)儀表是指任何沒有運動部件的計量裝置，相對于傳統(tǒng)機械水表具有明顯優(yōu)勢。靜態(tài)水表在商業(yè)和工業(yè)市場的應(yīng)用已有多年。 

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

靜態(tài)水表分為電磁式和超聲傳播時間式。在電磁水表中，向管道應(yīng)用電磁場，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*，通常功耗也較高。 

現(xiàn)在主要類型的靜態(tài)表為超聲傳播時間式，在此類水表中，向壓電傳感器施加脈沖信號；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壓電傳感器檢測到。完成這一過程后，將壓電傳感器信號反過來：對下行方向的壓電傳感器施加脈沖信號，上行方向的壓電傳感器檢測信號。由于超聲波的速度與流量成比例，所以利用兩個脈沖的傳播時間差，即可測量流量。圖1所示為帶有超聲傳感器的典型閥芯體內(nèi)的傳播時間差計算。

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

超聲傳播時間差式流量表的電子方框圖見圖2。圖中采用一款、超時傳播時間差I(lǐng)C，MAX35101，連接有兩個壓電傳感器。每個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使用高精度傳播時間內(nèi)核，精度達(dá)20ps，提供優(yōu)異的流量精度。盡管zui終精度依賴于管道直徑和流量，這種架構(gòu)可提供低于1升每小時的泄漏檢測能力，在水表生命周期內(nèi)保證滿足EN和OIML規(guī)范的精度。

靜態(tài)計量的實現(xiàn) 

截至目前，靜態(tài)水表的技術(shù)對于住宅水表應(yīng)用尚不實用，然而服務(wù)提供領(lǐng)域zui近的創(chuàng)新變化提供了大好機會。 

靜態(tài)水表在住宅領(lǐng)域應(yīng)用的zui大挑戰(zhàn)很簡單：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)一度不是實用的選擇。隨著AMR(自動抄表)和AMI(表計基礎(chǔ)架構(gòu))的啟動，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，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)計量的大門。靜態(tài)計量需要電壓這項要求是確定的，但這并未導(dǎo)致產(chǎn)生新的挑戰(zhàn)。同時，電池技術(shù)的發(fā)展也有助于推動水表技術(shù)的變化。隨著功率密度的提高，水表壽命也進(jìn)一步延長。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。如果水表能夠檢測泄漏并采取措施，例如通過自動閥門關(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，但水泄漏檢測可避免業(yè)主不必要的高水費，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。對于水表在住宅領(lǐng)域的應(yīng)用，這點是毋庸置疑的。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)機械水表。盡管目前尚處于萌芽階段，靜態(tài)水表注定會提高精度和可靠性。隨著智能基礎(chǔ)架構(gòu)的規(guī)模增長，成本將逐漸下降。毫無疑問，靜態(tài)計量將幫助我們更好地管理自然水資源，提高安全性，并提供更好的消費體驗。