關鍵字：靜態(tài)水表計量 智能電表 智能電網(wǎng)

世界變得越來越智能，我們對設備、通信和網(wǎng)絡的期待也越來越高，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方面，我們尚處于初級階段。受電力供應商智能電表和智能電網(wǎng)的推動，實時監(jiān)測和控制電器設備正越來越普遍。這種實時訪問信息的能力對于服務供應商及其服務對象來說，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域延伸至現(xiàn)代家居服務的各個方面。

渴望更智能化服務的同時，人們還要求提高用水計量的精度，并最終減少浪費。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 IMS Research 估算，到 2016 年，水表市場規(guī)模將達到大約每年 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)外觀的設備，很難與現(xiàn)代化、智能技術聯(lián)系在一起。坦率地講，現(xiàn)有絕大多數(shù)流量計的技術已經(jīng)相當落伍。流量計基本上采用兩種計量技術之一：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過程中，對固定容積的離散單位進行計數(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)在應該采用更好的計量技術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低速流量，或者干脆不測量低速流量。

可靠性問題也很嚴重，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，第一版標準頒布于 1921 年，要求美國自來水廠協(xié)會（AWWA）測試的冷水水表的最低流量從未發(fā)生過變化。目前的最小流量精度要求為 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。

美國自然資源保護委員會（NRDC）與全美國的自來水公司合作，已經(jīng)提交了關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，服務供應商就不會將損失轉嫁到消費者頭上。

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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。此類水表的精度極高，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（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對應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。

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圖 1. 傳播時間差計算示例。

超聲傳播時間差式流量表的電子方框圖見圖 2。圖中采用一款專用、超時傳播時間差 IC，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核，精度達 20ps，提供優(yōu)異的流量精度。盡管最終精度依賴于管道直徑和流量，這種架構可提供低于 1 升每小時的泄漏檢測能力，在水表生命周期內保證滿足 EN 和 OIML 規(guī)范的精度。