智能水表的应用现状及前景展望

    前言 

    智能水表是近年来以自动控制技术和信息网络技术为支撑,以信息化管理需求为依托而发展起来的高新技术产品,在实现城乡各级水务部门与用户建立信息化服务与沟通的渠道中得到广泛应用,在实现管理者和用户间的沟通与服务中起到承上启下的作用,是二者间实现互动交流的平台。 

    1　智能水表的应用现状 

    1. 1　智能水表的分类
 
    基于智能水表的信息化和网络化的应用,它已不是传统意义上的“水表”概念,取而代之的是以“系统”、“集成”的理念来认识和发展智能水表。为了对智能水表的发展有一个较为全面的认识,首先对远程集抄和卡式智能水表的应用现状作一个概述,以探讨现行方式中可能存在的问题,为智能水表的未来发展方向提供一个坐标或起点。 

    目前,依据智能水表所构建的系统功能和硬件平台,可将智能水表分为智能水表远程集中抄表系统(以下简称远程集抄)和卡式智能水表系统。 

    1. 2　远程集抄的组成及其技术应用现状 

    远程集抄主要由基表、数据存贮与通讯系统、后台软件操作系统三部分组成。 

    基表是指对水量进行精确计量并将计量信息通过感器采集进而转化成电信号的表具,基表主要包括计量机构和传感器两部分。目前,现行主要基表是以水表计量机构中的叶轮对通过的水量进行计量,叶轮的旋转频率所记录的流量信息通过水表的指示元件(指针、字轮等)逐次显示。叶轮、指针、字轮等包含流量信息的元件统称为计量元件,传感器对计量元件的运动状况进行采集,进而将计量信息转化为电信号的形式。 

    根据计量元件在基表中传递水流能量的前后顺序,直接受水流作用而运动的始动元件称为初级计量元件,如叶轮;将初级计量元件的运动进行逐级减数并可将计量信息加以指示的元件称为次级计量元件,如指针(或与其相连接的齿轮)和字轮等。目前,常用的可供计量的表具是以多流束式水表为主的旋翼式水表和水平螺翼式大口径水表等。 

    目前,常用的传感器主要分为磁敏传感器、电感式传感器和直读式传感器。 

    磁敏式传感器主要包括干簧管、霍尔元件、维根等,干簧管、霍尔元件由于分别受到使用寿命和工作频率的影响,它们主要是对次级计量元件进行采集,分别以开关和脉冲的形式输出信号。维根可不受寿命和工作频率的影响,可在各级计量元件中得到应用,以脉冲的形式输出信号。 

    磁敏元件在应用中对水表的灵敏度以及受外界磁干扰的影响较大,同时也会对水表的使用寿命造成不利影响,因此磁敏元件在使用上具有一定的局限性。但由于磁敏元件价格便宜,安装简单,适于大批量生产,因而目前仍然得到广泛使用。 

    电感式传感器主要是通过对振荡信号的周期性衰减的采集获取计量信息,主要应用于初级计量元件,由于采用非磁激励,因而叶轮的运动阻尼小,抗外磁干扰能力强, 适用于各种水质,具有较广泛的应用。目前,由于电感线圈在制作工艺上的限制,线圈中的铁芯在一定程度上受到外磁的干扰,因此抗外磁能力有待进一步提高。目前,随着线圈制作工艺和相关技术水平的提高,全无磁式电感传感器已得到发展和初步应用。 

    直读式传感器分为光电式和机械式两种,光电式可根据发射器和接收器的相对位置分为反射式和对射式。光电直读是对次级计量元件字轮进行相关信息采集,从而确定字轮的读数。光电直读由于传感器元件应用较多,硬件电路复杂,工艺要求高,因而成本较高,批量生产工艺难度大。机械式直读主要是通过压簧片对码盘的直接接触,获取编码信息,从而确定其相应的指示位置。该方式虽然较前者成本低,但由于受簧片材质和加工工艺的影响,存在着可靠性差,机械阻尼大(水表始动流量大) ,批量生产工艺性有待提高等问题。 

    综上所述,现阶段智能水表的基表在计量的表具和传感技术上呈现出多样性的特点,各种方式由于受到现行技术水平和工艺技术的限制,并没有形成突出的技术优势和产业优势。 

    在数据通讯方面,现行采用RS485总线和MBUS总线的通讯方式,具有较完善的标准体系,同时智能水表的通讯技术是随着现代通讯技术的发展而发展的,目前,数据通讯方面除了有线方式外,各种无线抄表技术也层出不穷。在后台软件操作系统上,现行软件上由于各水务管理部门在服务模式、收费方式,以及在数据接口等方面存在较大差别,因此后台软件系统具有个性化、相互不兼容的特点。在远程集抄的应用方面,主要是系统的管理者单方面从用户方实时获得相关数据,如用水量等,这种数据交流的单向性造成了双方获取信息的不对称。 

    虽然远程集抄在基表、后台处理等方面存在各种矛盾,但它由于初步建立了管理者与用户之间的实时沟通渠道,为水资源管理行为实现社会化、集约化、实时化和人性化等现代管理要求中所起到的支撑作用却是无可替代的。 

    1. 3　卡式智能水表系统组成及其技术应用现状 

    卡式智能水表系统由卡式智能水表、读写卡、后台处理系统三部分组成。 

    智能卡水表是以带有发信装置的水表为计量基表,以读写卡为媒体,加装控制器和电控阀所组成的一种具有预付费功能的水量计量仪表。读写卡是指可进行读写操作的的媒体,如IC卡、TM卡、射频卡等。后台处理系统是指可对读写卡进行读、写操作的硬件和软件系统。该系统中由于读写卡承担了管理者与用户间的沟通以及用户与与卡表间的沟通,而用户是读写卡的持有者,因而在管理者与用户间的实时沟通上受到一定的制约,这种非实时性同时降低了管理者与用户间人性化服务的程度。 

    2　智能水表的发展方向 

    针对智能水表系统的硬件配置和网络化服务的现状,

    智能水表的发展方向表现为:经济实用、双向实时、数据共享。 

    智能水表是信息社会发展的必然需要和产物,它终将成为面向千家万户的“平民化”产品,因而经济性和实用性是市场对智能水表的必然选择。本文主要从基表来探讨智能水表的经济性和实用性。 

    传统水表依然是今后一段时间内的智能水表基表的首选,其中单流束式水表以其结构简单,体积小,在同一规格的各型水表中具有最高的性价比,其质量比同规格的其它类型水表质量减轻20% ～40% ,由于加工工艺水平和设计水平的提高,批量合格率可达到90%左右,生产成本显著降低,产品的可靠性、寿命较以往有了较大的突破。由于初级计量元件的传感器安装方式简单,采集精度高, 因而生产成本低、工艺性能好,同时可以作为开发高计量精度等级的基表。非磁敏式传感器是传感器技术开发的方向,它的品质应达到:从水表的始动流量至过载流量的流量采集全程响应;低功耗;抗外界干扰;无阻尼和适用于多种水质。目前,电感线圈式传感器在开发与应用方面已取得初步成效。因此,单流束式全无磁(电感线圈式)式基表具有计量精度等级高(D级精度) 、灵敏度高(3～4 L /h) 、抗干扰能力强(外磁场干扰) 、使用寿命长、性价比高等诸多优点,可较好体现出对智能水表基表经济实用的要求。 

    从长远看,随着传感器技术水平的提高和产业化应用的深入,各高档流量计技术,如超声波流量计、电磁流量计等将会广泛应用于水表的设计和使用中,以此技术开发的基表,结构简单,真正实现了无机械传动,长寿命(等同于元器件寿命或管道寿命) ,无压力损失,精确计量的量程广(等同于安装管道的流通能力)等优点。目前该技术在小口径(DN152DN40)和大口径(DN502DN500)基表的应用正处于开发阶段,其传感器(换能器)由于受到工艺技术水平的制约,成本较高,产业化开发和应用需要相当长的一段时间。 

     双向实时是对系统通讯与网络技术的要求,智能水表系统的使用者是水务管理者和用户,该系统应用水平的高低取决了双向互动交流的程度以及双向沟通的实时性。如前所述,现阶段,集抄系统单方面建立起管理者从用户方实时获取信息的渠道,如管理者可通过该系统获得用户用水量的相关信息,而用户无法通过该系统实时获取管理者的服务信息,这种获取信息的不对称制约了双方互动的效能。而卡式智能水表系统虽然可以通过对IC卡的读写操作实现管理者与用户间的双向沟通,即管理者可以通过读写卡和后台处理软件了解用户消费行为等相关信息,同时用户也可通过读写卡和基表中的显示界面了解管理者的管理和服务行为等相关信息,但这种双方沟通缺乏实时性,容易造成管理和服务行为的滞后。由此可见,网络化实现了双方沟通的实时性;读写卡的应用实现了双方信息的互动交流,控制阀的应用丰富了远程控制和执行功能。因此建立由卡式智能水表、读写卡、远程集抄的数据通讯网络以及相应的后台数据处理软件所构成的智能水表系统可以深化双方交流的行为方式,提高智能水表应用的广度和深度。 

    共享性是对系统社会化的需要,随着人类对水资源集约化管理程度的日益提高,人类对水资源利用的各项数据不仅是一个局部、一个地区关注的问题,而越来越成为一个国家、一个社会关注的问题。因此,数据的共享性就成为全社会对水资源实现集约化管理的基础。由于长期以来,后台数据处理软件在数据接口,管理流程等方面形式多样,造成数据交流共享程度不高,因此后台数据处理软件的标准化和模块化是实现数据共享的必由之路。标准化确保数据读取方式的统一,模块化可以确保水务管理对软件功能多样化的需求,提高软件应用的适用性,从而实现水务管理跨区域的联合。 

    3　结语 

    智能水表系统是随着现代计量技术、传感技术和信息网络技术以及社会化需求的发展而不断向前发展的,智能水表系统在未来发展中所体现出的经济实用、双向实时、数据共享的特点正是这种技术发展和社会需求发展的集中体现,同时体现着人类与水资源和谐共存的依存理念。