壓差式止漏失水表設計*

任金恒 劉金玉 李慶林

(1.中國石油大學石油工程學院,青島 266555；2.中國石油大學理學院,青島 266555)

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壓差式止漏失水表設計*

任金恒1劉金玉2李慶林2

(1.中國石油大學石油工程學院,青島 266555；2.中國石油大學理學院,青島 266555)

以始動流量為界將自來水漏失分為以滴漏為代表的小漏失和大漏失，分別建立判斷小漏失和大漏失是否存在的準則，其中小漏失以流量和壓差為檢測參量進行定性判斷，大漏失的判斷以持續(xù)通流時間和持續(xù)通流量作為檢測參量，在此基礎上研制了一臺壓差式止漏失水表?，F(xiàn)場測試表明該水表能有效防止自來水漏失，可為國家節(jié)約大量水資源，具有十分重要的推廣應用價值。

止漏失；判斷準則；壓差；持續(xù)通流時間；持續(xù)通流量

0 引言

在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)過程中，自來水以滴漏(水龍頭或水管連接處滴漏)或大流量方式(忘記關閉水龍頭或水管突然破裂，水快速流出)發(fā)生漏失的現(xiàn)象極為常見，這給家庭、企業(yè)及國家?guī)砹酥卮髶p失，如何判斷自來水漏失情況以及如何防止其漏失已成為一個非常重要的研究問題[1-2]。雖然最近出現(xiàn)了一些節(jié)約型水表[3-9]，但這些水表都是通過動量集中或動量積累來沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，以降低始動流量的方式試圖對滴漏等小流量進行計量，進而達到防滴漏的目的。本文介紹了一種壓差式止漏失水表，該水表不僅具備基本的計量功能，且能有效防止自來水漏失，具有十分重要的推廣應用價值。

1 止漏失原理

自來水漏失方式眾多，從漏失快慢的角度考慮，將水龍頭或水管連接處滴漏等漏失稱為小漏失，將忘記關閉水龍頭或水管突然破裂等引起自來水快速流出而導致的漏失稱為大漏失。

1.1 小漏失監(jiān)控原理

水龍頭或水管連接處的滴漏，其流量小于現(xiàn)有水表的始動流量，致使現(xiàn)有水表無法計量。再高精度葉輪的旋轉(zhuǎn)也要靠大于一定動量的自來水來驅(qū)動，由于現(xiàn)實中存在很多種動量非常小的滴漏，因此，通過提高水表精度和匯聚水體動量來降低水表始動流量的方式都不可行?？傊粤髁繛闄z測參量來定量判斷有無滴漏的方式不可行，需尋求新的檢測參量。

下面提出的以流量和壓差為檢測參量的定性判斷方式能夠有效判斷滴漏是否存在，具體原理如下：當水的流量小于始動流量時，關閉電磁閥門，將管道中水體阻隔為兩部分，靠近水體源一側(cè)管道中水體的壓強和水體源壓強保持一致；如果水龍頭或水管連接處不存在滴漏，則遠離水體源一側(cè)管道中水體的壓強仍和水體源壓強保持一致，反之，其壓強將降低，且降低幅度大，降低至大氣壓附近，另外由于水體壓縮系數(shù)非常小[10-12],滴漏的存在使得水體壓強降低速度非常快，故可在水的流量小于始動流量時，即關閉電磁閥門情況下，通過檢測電磁閥門兩側(cè)的水體是否存在預定壓強差來快速判斷是否存在滴漏。

1.2 大漏失監(jiān)控原理

鑒于自來水正常流動時，一次持續(xù)通流時間和一次持續(xù)通流量都存在一極大值，據(jù)此特點，可將持續(xù)通流時間和持續(xù)通流量作為檢測參量來判斷大漏失的存在。具體原理如下：首先設定一時間閾值和一流量閾值分別作為持續(xù)通流時間和持續(xù)通流量的極大值，當檢測到持續(xù)通流時間或(和)持續(xù)通流量超過設定的閾值時，判斷為存在大漏失，隨即關閉電磁閥門，阻止自來水繼續(xù)漏失。當自來水漏失的流量相對較小時，持續(xù)通流時間比持續(xù)通流量先超過設定的閾值；當自來水漏失的流量相對較大時，持續(xù)通流量比持續(xù)通流時間先超過設定的閾值；兩檢測參量聯(lián)合監(jiān)控，能準確判斷大漏失是否存在。

2 壓差式止漏失水表結(jié)構

壓差式止漏失水表主要由電磁閥門、脈沖流量計、壓強傳感器和控制器組成，控制器又細分為計數(shù)單元、比較單元和中央處理單元，另附加遙控器和報警器，壓差式止漏失水表的基本結(jié)構如圖1所示。該系統(tǒng)以89C52單片機[13-14]為核心，具有32個I/O口，3個定時/計數(shù)器，其具有的看門狗功能[15]可以有效防止程序跑飛。由于水體壓強降低幅度大，降低速度快，故上述壓強傳感器無需高精度和高靈敏度，選用以彈簧為主要構件的機械式壓差開關亦可滿足要求，從而降低成本，減少功耗，延長使用壽命。

圖1 壓差式止漏失水表的基本結(jié)構

3 控制程序和流程

控制程序主要由主函數(shù)、初始化函數(shù)、按鍵函數(shù)、顯示函數(shù)以及報警函數(shù)組成。主函數(shù)計算脈沖流量計輸出脈沖的頻率；初始化函數(shù)完成系統(tǒng)的初始化，設置預定壓強差、持續(xù)通流時間和持續(xù)通流量的極大值等；通過調(diào)用按鍵函數(shù)可以調(diào)節(jié)預定壓強差、持續(xù)通流時間和持續(xù)通流量的極大值的具體數(shù)值；通過調(diào)用顯示函數(shù)可以在液晶屏幕上顯示實時流量、累加流量、系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息；判斷出自來水存在漏失時，可調(diào)用報警函數(shù)實現(xiàn)聲光報警功能。

自來水正常流動時，一次持續(xù)通流時間和一次持續(xù)通流量都存在一極大值，首先設定時間閾值作為一次持續(xù)通流時間的極大值，流量閾值作為一次持續(xù)通流量的極大值。設定脈沖流量計能檢測的最小流量為始動流量。

步驟S210：判斷水龍頭與電控閥門之間部分的水的流量是否小于始動流量。如果是，有兩種情況：第一種情況是水未流出，第二種情況是水正在流出。需要進一步判斷，則進入步驟S220?？梢愿鶕?jù)脈沖流量計檢測結(jié)果判斷水的流量是否小于始動流量。

步驟S220：關閉電控閥門。

步驟S230：判斷電控閥門的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間是否存在預定壓強差。如果否，則屬于第一種情況，不進行動作。如果是，則屬于第二種情況。第二種情況又有兩種情形：第一種情形是水存在滴漏，第二種情形是水龍頭正常打開，水正常流出。需要進一步判斷，進入步驟S240。

步驟S240：打開電控閥門。

步驟S250：判斷水的流量是否小于始動流量。如果否，屬于第二種情形，則不進行動作，認為水無漏失。如果是，屬于第一種情形，則進入步驟S260。

步驟S260：判斷出水存在滴漏，將電控閥門關閉，避免水繼續(xù)外流，報警器報警。

另外，在步驟S210中，如果判斷水的流量不小于始動流量時，還可以進入步驟S270。步驟S270中，判斷一次持續(xù)通流量是否達到流量閾值，或者判斷一次持續(xù)通流時間是否達到時間閾值，如果是，則認為水發(fā)生大漏失，將電控閥門關閉，報警器報警。如果否，則說明水正常流出，不進行動作?？刂屏鞒虉D如圖2所示。

圖2 控制流程圖

4 結(jié)論

1)滴漏促使水體壓強降低幅度大，降低速度快，以流量和壓差為檢測參量的定性判斷方式能夠有效判斷以滴漏為代表的小漏失是否存在。

2)持續(xù)通流時間和持續(xù)通流量作為檢測參量聯(lián)合監(jiān)控，能夠準確判斷大漏失是否存在。

3)壓差式止漏失水表可實現(xiàn)對自來水的自動化控制，可以實時、連續(xù)、準確監(jiān)控水體情況。

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