智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

程海鋒 潘樂

【摘要】智能水表相較于傳統(tǒng)水表在產(chǎn)品計(jì)量性能提升和功能拓展等方面有著明顯的優(yōu)越性。本文簡述了智能水表的定義及種類，對(duì)幾種智能水表的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了概述和分析;針對(duì)未來智能水表行業(yè)的發(fā)展，提出智能水表技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注提升計(jì)量性能、拓展功能和構(gòu)建智能水表系統(tǒng)等方面;從規(guī)范我國智能水表產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的長遠(yuǎn)角度出發(fā)，指出了完善我國智能水表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的重要性。

【關(guān)鍵詞】智能水表;機(jī)械式水表;電子式水表;計(jì)量

【DOI 編碼】10.3969/j.issn. 1674-4977.2022.02.016

The Develoμment Status and Trend of Smart Water Meters

CHENG Hai-feng，PAN Le

（Jiangsu Institute of Metrology，Nanjing 210007，China）

Abstract：Compared with traditional water meters，smart water meters have obvious advantages in terms of product measurement performance improvement and function expansion. This article briefly describes the definition and types of smart water meters，and summarizes and analyzes the working principles，characteristics，application status，advantages and disadvantages of several smart water meters. In view of the future development of the smart water meter industry，it is proposed that smart water meter technology should focus on improving metering performance，expanding functions，and building smart water meter systems. From the long-term perspective of standardizing the healthy development of my country's smart water meter industry，it points out the importance of improving my country's smart water meter technical standard system.

Key words：smart water meter;mechanical water meter;electronic water meter;meterage

水表是一種日常用水計(jì)量器具，在用水及水資源管理方面有著不可替代的作用。智能水表作為一種以微電子技術(shù)、傳感技術(shù)等為支撐，以信息化管理為依托發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)品，在產(chǎn)品計(jì)量性能提升和功能拓展等方面有著明顯的優(yōu)勢。它的應(yīng)用為水務(wù)公司的供水管理提供了便利，解決了用戶住宅私密性的問題，成為水務(wù)部門和用戶建立信息化服務(wù)的重要渠道。

1智能水表的定義和分類

智能水表的定義為：以準(zhǔn)確的傳感與信號(hào)處理單元（包括使用廣泛的高性能葉輪式或活塞式流量傳感機(jī)構(gòu)及機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置）、內(nèi)置嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和算法、各類輸入輸出接口及（或）電控執(zhí)行器等為依托，具有或部分具有流量參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)處理、通信、顯示、電控執(zhí)行器受控及網(wǎng)絡(luò)接入等功能的全新電子類水表產(chǎn)品[1]。參考水表現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，可將智能水表分為帶電子裝置的機(jī)械式水表與電子式水表兩大類。

1.1帶電子裝置的機(jī)械式水表

這類水表的特點(diǎn)是基表采用傳統(tǒng)的機(jī)械式水表，通過在水表上設(shè)置機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，將原水表的機(jī)械讀數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)數(shù)據(jù)，由水表內(nèi)部裝設(shè)的信號(hào)處理元件或電控閥等機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和儲(chǔ)存，按結(jié)算交易方式的要求進(jìn)行自動(dòng)或人工控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信、預(yù)付費(fèi)、閥控等功能。

1.2電子式水表

所謂電子式水表，就是流量傳感部分不含機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的水表，國外也有稱其為固態(tài)水表（Solid State Water Meter）[2]，用無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電磁、超聲、射流等原理，具備測量準(zhǔn)確度高、范圍寬、使用壽命長、壓力損失小、長期工作穩(wěn)定等特性[3]。

目前，已投入應(yīng)用的智能水表產(chǎn)品主要有在機(jī)械式水表上加裝電子裝置的電子遠(yuǎn)傳水表、電子遠(yuǎn)傳閥控水表、預(yù)付費(fèi)水表以及可帶數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳與閥控功能的超聲波水表、電磁水表等。

2智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1帶電子裝置的機(jī)械式水表

日常應(yīng)用中比較普遍的帶電子裝置的機(jī)械式水表主要有以下三種。

1）脈沖式遠(yuǎn)傳水表

通過表具持續(xù)發(fā)出脈沖信號(hào)，再由采集器將脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、累加、存儲(chǔ)，最后將數(shù)據(jù)上傳。因技術(shù)較為成熟，應(yīng)用推廣方便，目前國內(nèi)已普遍采用。

從技術(shù)角度而言，脈沖式遠(yuǎn)傳水表有以下問題：脈沖式遠(yuǎn)傳水表發(fā)出的信號(hào)是脈沖，處理器將脈沖累加成數(shù)據(jù)，在累加過程中易受到干擾，比如線路通訊中斷、斷電現(xiàn)象或核心部件的永磁體受到磁干擾導(dǎo)致脈沖信號(hào)丟失，都會(huì)引起累加過程中斷導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，造成供水公司的利益損失;進(jìn)行故障排除時(shí)，需對(duì)水表進(jìn)行人工抄讀后再將表的實(shí)際數(shù)值重新輸入數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行初始化，維護(hù)的工作量大且難以預(yù)測，大面積推廣時(shí)需要足夠的人力物力來保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2）直讀式遠(yuǎn)傳水表

其工作原理是在水表碼盤相應(yīng)位置裝置紅外收發(fā)光電管、電阻或金屬觸點(diǎn)，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)至某一刻度時(shí)系統(tǒng)供電抄表，由水表自帶電子模塊完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)通過通信線路上傳至集中器或手持式抄表器，需要時(shí)再將所抄數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)管理中心。常見的有光電直讀式、攝像直讀式、觸點(diǎn)直讀式、計(jì)數(shù)直讀式等類型。

直讀式水表最大的特點(diǎn)是：①無源。平時(shí)不需供電，只需在抄表瞬間供電，基本無功耗，因此不怕斷電斷線，工作時(shí)可免受機(jī)械振動(dòng)或是磁干擾，增強(qiáng)了運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性。②直讀。因?yàn)橹苯幼x取表盤顯示的數(shù)據(jù)而非累計(jì)脈沖數(shù)，從理論上講可以保證水表機(jī)械讀數(shù)與抄表讀數(shù)一致，避免了用戶與供水部門由于數(shù)據(jù)不一致而導(dǎo)致的矛盾。

直讀式水表后期維護(hù)無需對(duì)集中器進(jìn)行初始化，減少了維護(hù)工作量。但從技術(shù)上來說，直讀式水表光電轉(zhuǎn)換、編碼技術(shù)等對(duì)制造工藝、裝配等工藝要求苛刻，制造成本較高，不利于規(guī)模化生產(chǎn)與推廣。某些傳感器因應(yīng)用條件的限制，效果也有待進(jìn)一步考察。

3）預(yù)付費(fèi)水表

預(yù)付費(fèi)水表是在機(jī)械式水表的指針或齒輪組某個(gè)位置加裝傳感器（光電管或干簧管等），將機(jī)械讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)參數(shù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存，并通過增加智能模塊、智能卡和電控閥等，來實(shí)現(xiàn)水表的提示、控制、保護(hù)、報(bào)警等功能（如用水累積、購水提示、低電壓提示、開關(guān)閥、磁干擾報(bào)警等）[4]。常見的預(yù)付費(fèi)水表有接觸式IC卡水表、非接觸式射頻卡水表等。預(yù)付費(fèi)水表最大的優(yōu)勢是用戶需預(yù)先繳費(fèi)，不繳費(fèi)時(shí)可自動(dòng)斷水，有效地提高了供水部門水費(fèi)的回收且不需要人工抄表收費(fèi)，減輕了負(fù)擔(dān)。

實(shí)踐中預(yù)付費(fèi)水表存在以下問題：①長期的使用過程中，由于水中雜質(zhì)、水垢或銹蝕等影響電控閥性能，導(dǎo)致開關(guān)閥困難、不到位等問題，引發(fā)用戶和供水部門的矛盾。②電控閥功耗較大，電池在長期的使用過程中能否達(dá)到要求。③智能卡被盜或被破解后引發(fā)的糾紛。

現(xiàn)階段，有不少遠(yuǎn)傳水表加裝控制閥，可遠(yuǎn)程控制開關(guān)閥或?qū)︻A(yù)付費(fèi)水表增加遠(yuǎn)傳功能，從而方便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理。

2.2電子式水表

電子式水表的流量傳感技術(shù)更優(yōu)異、更先進(jìn)。與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的水表相比，電子式水表在當(dāng)前的智能水表中發(fā)展較為迅速[5]。它改變了機(jī)械式水表出現(xiàn)的誤差曲線難以校正的問題以及解決了長期應(yīng)用中磨損的問題。代表性的產(chǎn)品主要有超聲波水表、電磁水表等，目前國內(nèi)有多家水表生產(chǎn)企業(yè)已成功研制并生產(chǎn)該類型產(chǎn)品，逐步提升國內(nèi)水表市場的占有率，部分已批量出口至國外。

1）超聲波水表

超聲波水表是通過檢測超聲波束在水中順流逆流傳播時(shí)因速度發(fā)生變化而產(chǎn)生的時(shí)差，分析處理計(jì)算出水流量的一種新式水表。超聲波水表的主要特點(diǎn)：測量管內(nèi)無運(yùn)動(dòng)部件，壓損小;測量范圍寬、具有較好的小流量檢測能力;幾乎不受水質(zhì)影響等。

2）電磁水表

電磁水表是利用法拉第電磁感應(yīng)原理，通過測量水流經(jīng)測量管時(shí)切割由恒定磁場產(chǎn)生的磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的強(qiáng)弱來確定被測介質(zhì)的流速，進(jìn)而求得流量值。電磁水表具體樣式見圖1。電磁水表的主要特點(diǎn)：傳感器結(jié)構(gòu)簡單，測量管內(nèi)無運(yùn)動(dòng)部件，壓損較小;無機(jī)械磨損，不受被測介質(zhì)的溫度、黏度、密度和水質(zhì)狀況等影響，量程范圍寬;無機(jī)械慣性，響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)特性好。

電子水表自帶電信號(hào)輸出，克服了計(jì)量數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換的問題，在智能化方面相對(duì)機(jī)械水表有著先天的優(yōu)勢，可更方便地完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、預(yù)付費(fèi)等功能。但電子水表目前價(jià)格偏高，也有易受環(huán)境條件干擾（振動(dòng)、電磁環(huán)境等）的局限性。

3智能水表的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

3.1智能水表發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)、傳感技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展以及社會(huì)化需求，智能水表在未來的發(fā)展體現(xiàn)在以下方面。

1）計(jì)量性能的進(jìn)一步提升

水表作為一種計(jì)量器具，計(jì)量性能的提升是其最原始的要求，也是首要關(guān)注的重點(diǎn)。電子水表作為在現(xiàn)代水流量傳感技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)共同催生的一種新型水表產(chǎn)品，與傳統(tǒng)機(jī)械式水表的非線性修正難、測量范圍較窄、壓損大、長期使用后的準(zhǔn)確性和可靠性難以令人滿意等問題相比，具有測量準(zhǔn)確度高、壓損小、量程寬、流量特性可修正的特點(diǎn)，單從技術(shù)角度而言，其代表了水表產(chǎn)品的發(fā)展方向。

2）使用功能的積極拓展

隨著智能水表相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)用水和自動(dòng)抄表功能的基礎(chǔ)上，水表測量特性的自校自檢、關(guān)閥控制、無線通信及網(wǎng)絡(luò)接入等功能也將逐步進(jìn)入應(yīng)用。

3）發(fā)展智能水表系統(tǒng)

在當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”新發(fā)展模式下，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，現(xiàn)在計(jì)量用的水表正由單純的產(chǎn)品向網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、集成化的整體發(fā)展，水資源計(jì)量管理模式也由單純用水計(jì)量逐步向計(jì)量、監(jiān)測、控制等手段的系統(tǒng)化的管理模式發(fā)展。智能水表可作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知層的智能終端，通過將獲取的數(shù)據(jù)融入互聯(lián)網(wǎng)，在平臺(tái)的支持下完成智能水表的規(guī)模化管理，真正實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的自動(dòng)化、信息化與智能化[6]。

3.2智能水表面臨的挑戰(zhàn)

在智能水表產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，大多數(shù)智能水表雖然可用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 778《引用冷水水表和熱水水表》來確定其主要性能指標(biāo)，但對(duì)于一些新型產(chǎn)品如電磁水表，仍缺乏針對(duì)產(chǎn)品特有性能、功能和型式的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需盡快完善智能水表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系來指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和健康發(fā)展。同時(shí)，智能水表的新技術(shù)仍需在實(shí)踐中進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證，如電子水表實(shí)際應(yīng)用中如何在降低功耗的前提下保證水表尤其是戶用小口徑電子水表的計(jì)量準(zhǔn)確性、可靠性，物聯(lián)網(wǎng)表在規(guī)?；瘧?yīng)用中可靠性等都是有待研究的問題。

4結(jié)語

水表的應(yīng)用領(lǐng)域已由傳統(tǒng)飲用水計(jì)量逐步擴(kuò)展至飲用冷熱水、供熱、農(nóng)田水灌溉、能源計(jì)量、工業(yè)生產(chǎn)排污及消防等領(lǐng)域。智能水表作為現(xiàn)代化科技產(chǎn)物，其發(fā)展必將以計(jì)量更加準(zhǔn)確、使用壽命更長、功能更豐富為目標(biāo)?？傊?，一個(gè)以水表計(jì)量性能提升、功能豐富和融入互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為標(biāo)志的“互聯(lián)網(wǎng)十智能水表”模式將大大豐富智能水表在“智慧供水”乃至“智慧水務(wù)”等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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