結(jié)合超聲波水表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用初探

李富維

（太原市自來(lái)水公司，山西 太原 030051）

1 前言

水表作為供水企業(yè)貿(mào)易結(jié)算的主要儀表之一，在供水企業(yè)中處于舉足輕重的地位，但是大口徑水表數(shù)量較少而且計(jì)量水量較大，因此，大口徑水表的計(jì)量準(zhǔn)確與科學(xué)管理，將對(duì)供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益產(chǎn)生直接影響。

目前，供水企業(yè)普遍采用機(jī)械式水表計(jì)量、現(xiàn)場(chǎng)定期人工抄表和巡檢的管理模式。然而這種模式存在著計(jì)量和管理上的弊端：機(jī)械水表的結(jié)構(gòu)特性（始動(dòng)流量較高、壓損大、不可避免的自然磨損等因素）導(dǎo)致水表計(jì)量失準(zhǔn)；人工定期抄表和巡檢不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決水表故障問(wèn)題，無(wú)法及時(shí)了解用戶(hù)用水高低峰的詳細(xì)情況，不便于分析該水表計(jì)量性能是否適合用戶(hù)用水情況。鑒于此，文章引進(jìn)一種新型電子水表—超聲波水表。通過(guò)對(duì)超聲波水表與機(jī)械式水表計(jì)量的性能指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益分析，可以預(yù)期超聲波水表的合理選型與應(yīng)用，可降低供水企業(yè)漏損率，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，將現(xiàn)場(chǎng)流量數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心，通過(guò)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的無(wú)線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了大口徑水表的科學(xué)管理。

總之，超聲波水表與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)綜合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)供水企業(yè)在經(jīng)濟(jì)效益和大口徑水表管理水平質(zhì)的突破。

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成及原理

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成部分及原理

監(jiān)控系統(tǒng)主要由水流量測(cè)量設(shè)備超聲波水表、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)控中心和終端用戶(hù)4部分組成。該系統(tǒng)以超聲測(cè)流原理的超聲波水表進(jìn)行計(jì)量，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊從GPRS網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)，并經(jīng)由串口線發(fā)送給超聲波水表；超聲波水表返回的數(shù)據(jù)按原路反向傳輸至監(jiān)控中心，終端用戶(hù)通過(guò)internet訪問(wèn)監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。原理見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)線監(jiān)控原理框圖

2.2 超聲波水表測(cè)量原理

超聲測(cè)流原理是利用超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，當(dāng)超聲波在水中傳播時(shí)，水的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，其傳播時(shí)間的變化正比于水的流速。當(dāng)零流量時(shí)，兩個(gè)傳感器發(fā)射和接收聲波所需的時(shí)間完全相同；當(dāng)水流動(dòng)時(shí)，逆流方向的聲波傳輸時(shí)間大于順流方向的聲波傳輸時(shí)間。

圖2描述了超聲波水表的測(cè)量原理。

圖2 超聲測(cè)流原理圖

式中：A：超聲波上游傳感器；

B：超聲波下游傳感器；

t1：為超聲波在正方向上的傳播時(shí)間；

t2：為超聲波在逆方向上的傳播時(shí)間；

D：管道直徑；

V：管段中水的流速；

C：超聲波在水中的傳播流速。

由數(shù)學(xué)模型可以推出：V∝f（t2-t1）。由于C>>Vsinα，所以時(shí)間差t2-t1很短，時(shí)間檢測(cè)分辨率<1ns，這一指標(biāo)是決定超聲水表始動(dòng)流量的重要因素。

3 監(jiān)控系統(tǒng)特色

3.1 超聲波水表較機(jī)械水表的性能優(yōu)越性

3.1.1 特性流量參數(shù)對(duì)比

表1 DN150 mm水表特性流量參數(shù)對(duì)比表 m3/h

根據(jù)旋翼式機(jī)械水表與超聲波水表說(shuō)明書(shū)的理論參數(shù)，對(duì)兩種水表的特性流量參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1（以DN150 mm口徑水表為例）。

通過(guò)表1比對(duì)分析，超聲波水表有較大的量程，常用流量極大，始動(dòng)流量極低，可以滿(mǎn)足各種用水狀態(tài)的使用。從始動(dòng)流量分析看，用戶(hù)在0.318~0.55 m3/h狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，機(jī)械水表不計(jì)量，而超聲波水表可以計(jì)量，一天按照10 h計(jì)量，一年可為企業(yè)減少1 800 m3左右水量損失；大流量看，假如用戶(hù)超過(guò)200 m3/h狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，機(jī)械水表已經(jīng)超過(guò)它的超載能力，長(zhǎng)期運(yùn)行嚴(yán)重?fù)p壞其計(jì)量元件，極易造成水表卡字走停及計(jì)量失準(zhǔn)，按照每小時(shí)200 m3運(yùn)行，一天10 h計(jì)量，若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，一天可損失水量2 000 m3，對(duì)于超聲波水表來(lái)說(shuō)，由于無(wú)運(yùn)動(dòng)元件，且這個(gè)流量介于分界和常用流量之間，可以正常計(jì)量。

3.1.2 性?xún)r(jià)綜合對(duì)比

以DN150 mm機(jī)械水表和超聲波水表的性能、特點(diǎn)和價(jià)格綜合方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表2。

表2 綜合評(píng)價(jià)對(duì)比表

綜合評(píng)價(jià)分析，超聲波水表雖采購(gòu)價(jià)格較高，但從水表特性流量數(shù)看，減少漏計(jì)的水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水表的價(jià)格，況且超聲波水表壓損極小，寬量程比、使用壽命較長(zhǎng)，重量輕，便于維修檢定，并且其本身帶有數(shù)據(jù)采集及信號(hào)輸出功能，容易構(gòu)成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，綜合來(lái)看，超聲波的性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于旋翼式機(jī)械式水表。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)分析

在山西大學(xué)安裝一只DN200 mm的超聲波水表與原使用的旋翼式機(jī)械水表進(jìn)行了串聯(lián)比對(duì)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)近一年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)比對(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲水表比機(jī)械式水表多計(jì)量3.10%，而且隨著機(jī)械式水表的磨損，兩者相差有越來(lái)越大的趨勢(shì)。換算成水量，一年可減少損失約11 288 m3，可見(jiàn)，利用超聲波水表，可減少供水企業(yè)水量損失，提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 從大口徑水表監(jiān)控方面分析

將小店部分用戶(hù)DN150 mm旋翼式水表更換為超聲波水表，并用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的超聲波數(shù)據(jù)分析原來(lái)水表的使用情況，得出結(jié)論如下。

3.3.1 建立監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)用戶(hù)用水狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能顯示，供水企業(yè)和用戶(hù)可以足不出戶(hù)，實(shí)時(shí)查看水表的瞬時(shí)流量、累積流量等相關(guān)信息，對(duì)瞬時(shí)為零用戶(hù)，供水企業(yè)可調(diào)查分析出現(xiàn)這種情況的原因，進(jìn)行針對(duì)性的處理。見(jiàn)圖3，對(duì)于33所用戶(hù)，2011年3月12日數(shù)據(jù)一直未上傳，營(yíng)銷(xiāo)部通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)，表井被大量煤堆覆蓋，嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸，通過(guò)及時(shí)清理，恢復(fù)正常?？梢?jiàn)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種突發(fā)情況，便于及時(shí)處理解決問(wèn)題，有效降低企業(yè)的損失，同時(shí)避免和用戶(hù)發(fā)生因水量估算而產(chǎn)生的糾紛。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面圖

圖4 日期和瞬時(shí)流量對(duì)應(yīng)折線圖

圖5 日期和瞬時(shí)流量對(duì)應(yīng)折線圖

3.3.2 建立監(jiān)控系統(tǒng)，可隨時(shí)分析水表選型是否合理

從慶云街富士康水的上日期和瞬時(shí)流量折線圖（見(jiàn)圖4）可以看出，原來(lái)旋翼式水表（過(guò)載流量為200 m3/h）長(zhǎng)期處于超過(guò)常用流量狀態(tài)下及過(guò)載流量狀態(tài)下，水表的易損件加速磨損，造成水表卡字走?，F(xiàn)象，嚴(yán)重影響水表的計(jì)量性能，給供水企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，旋翼式機(jī)械水表已經(jīng)不適合該用戶(hù)使用，該用戶(hù)用水量波動(dòng)較大，適合使用寬量程比、穩(wěn)定性高的超聲波水表。

3.3.3 監(jiān)控系統(tǒng)分析出原來(lái)機(jī)械水表對(duì)較小流量漏計(jì)問(wèn)題

從電子街富士康水表的日期和瞬時(shí)流量折線圖（見(jiàn)圖5）可以看出，原來(lái)旋翼式水表用戶(hù)長(zhǎng)期處于始動(dòng)流量（0.55 m3/h）狀態(tài)以下運(yùn)行，該機(jī)械水表不計(jì)量，而更換為始動(dòng)流量極小的超聲波水表，可計(jì)量機(jī)械水表始動(dòng)流量值之下的流量。按照每小時(shí)0.3m3，每天按15 h計(jì)算，比原來(lái)機(jī)械水表一天多計(jì)量4.5 m3，一年多計(jì)量1 600 m3左右，為供水企業(yè)減少了不必要的損失。

通過(guò)上述分析，使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還可以隨時(shí)分析口徑及量程和流量的匹配程度，并掌握每個(gè)大用戶(hù)的用水變化規(guī)律，進(jìn)而建議使用最適合用戶(hù)的水表型號(hào)規(guī)格，這樣可解決大表小流量，小表大流量等水表選型不合適的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

超聲波水表的使用和無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，而且使大口徑水表的計(jì)量管理水平有了質(zhì)的飛躍，也為企業(yè)的節(jié)能降耗、和諧發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.冷水水表國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程（JJG162-2009）.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009.

[2]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.封閉滿(mǎn)管道中水流量的測(cè)量飲用冷水水表和熱水水表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T778-2007）.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3]詹志杰.水表技術(shù)手冊(cè).北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009.