靜態(tài)“智能家居”水計量的必然演變

流量計讓人聯(lián)想到大型、笨重、金屬、工業(yè)外觀的設備。這幾乎不是我們所認為的現(xiàn)代智能技術。坦率地說，大多數(shù)已安裝流量計底座的技術已經過時。流量計的計量技術基本上是正排量或速度兩種類型之一。在容積式儀表中，當活塞缸、儲液罐或隔膜充滿并隨后以重復方式釋放時，將計算固定體積的離散單位。在速度計中，測量液體的流量并推斷體積，因為管道的直徑是已知的。雖然這些傳統(tǒng)的機械儀表幾十年來一直為我們提供了良好的服務，但現(xiàn)在是時候轉向更好的計量技術及其帶來的好處了。

機械流量計的局限性和影響

盡管機械儀表歷史悠久，但其準確性和可靠性存在重大限制。在低流速下，精度問題尤其成問題。由于無法以實惠的價格提供精細的測量功能，因此機械儀表通常測量不足，或者在低流速下根本不記錄任何流量。

可靠性也是個問題。機械儀表往往會隨著時間的推移和使用而變慢。摩擦和磨料磨損會降低其性能。換句話說，隨著時間的推移，機械儀表往往會低估流量，精度會逐漸降低。

隨著時間的推移，低流量精度和性能下降的影響是巨大的。低流量性能使泄漏檢測變得困難或不可能。在美國，自1921年提出第一個標準以來，美國水廠聯(lián)合會（AWWA）要求測試冷水表的最低流量沒有改變。3目前的最低流速精度要求為每分鐘 1/4 加侖（0.95 升）。以這種速度連續(xù)流動相當于大約 1，363 升/天。這是浪費的水。浪費還導致所有消費者的賬單增加，因為公用事業(yè)公司通過更高和更頻繁的費率上漲來收回這些水損失的成本。

自然資源保護委員會（NRDC）與美國各地的公用事業(yè)公司合作，提交了一份減少這種浪費的提案。NRDC建議增加“泄漏檢測測試流程”，要求測量低至1/16加侖/分鐘或0.01米的流速3/hr，精度在實際通過儀表的水的 80% 到 101% 之間。4為了滿足這一要求，需要顯著提高水表的精度。

靜電計量的出現(xiàn)

幸運的是，新的、改進的“靜態(tài)”計量技術正在走向智能家居。靜態(tài)儀表是任何沒有移動部件的計量設備，與傳統(tǒng)的機械儀表相比具有顯著的優(yōu)勢。靜態(tài)儀表已經在商業(yè)和工業(yè)市場使用了多年。

靜態(tài)儀表具有明顯更好的精度，尤其是在低流速下。此外，由于它們沒有運動部件，它們更可靠，并且性能不會隨著時間的推移而下降。泄漏越少，浪費和損失就越少。因此，服務提供商不會將收入損失的成本返還給消費者。

靜電計分為電磁和超聲波飛行時間。在電磁計中，磁場施加到管道上，并產生垂直于磁通線的電壓。該電壓與流速成正比。雖然這種類型的儀表提供了出色的精度，但它往往具有相當高的功耗。

當今靜態(tài)儀表技術的主要類型是超聲波飛行時間。在該儀表中，壓電傳感器是脈沖的。由此產生的聲波穿過介質（我們討論中的水），并在下游的第二個壓電換能器處拾取。完成此路徑后，壓電傳感器信號反轉;下游壓電陶瓷脈沖，上游壓電陶瓷拾取信號。兩個脈沖的飛行時間差可以測量流量，因為聲波的速度與流量成正比。圖1顯示了帶有超聲換能器的典型閥芯體中的飛行時間差計算。

與先前目標0.01m對應的增量飛行時間值3/hr 對于小于 3/4 英寸（19.1 毫米）的管道，泄漏檢測測試流量約為 1.2ns。在1.2ns時，測量的飛行時間必須在960ps（80%）和1212ps（101%）之間，以滿足所需的精度。

圖1.飛行時間差計算示例。

超聲波飛行時間流量計的電子元件框圖如圖2所示。這里是一個專用的超聲波飛行時間IC，MAX35101，與兩個壓電閥接口。每個壓電陶瓷交替用作聲波發(fā)生器和接收器，具體取決于脈沖的方向。該IC采用高精度飛行時間磁芯，精度為20ps，具有出色的流速精度。雖然最終精度取決于管道直徑和流速，但這種架構可以提供每小時 1 升以下的泄漏檢測，并在儀表的使用壽命內保持精確到 EN 和 OIML 規(guī)范。

圖2.水表超聲波飛行時間方案采用帶模擬前端（AFE）的MAX35101時間數(shù)字轉換器。

實現(xiàn)靜態(tài)計量

到目前為止，靜態(tài)儀表技術對于住宅用水并不實用。然而，最近服務提供方面的演變變化正在創(chuàng)造機會。

住宅使用靜態(tài)電表的最大挑戰(zhàn)很簡單：電源。操作電子設備需要電源。由于大多數(shù)水表沒有接線供電，因此靜態(tài)水表傳統(tǒng)上不是一個實用的選擇。隨著AMR（高級抄表）和AMI（高級電表基礎設施）的出現(xiàn)，這種情況正在發(fā)生變化。AMI 和 AMR 通常使用無線通信技術支持遠程抄表和/或控制。

當服務提供商決定需要 AMI/AMR 功能時，他們現(xiàn)在需要通過線路電壓或電池為電表供電。由于無論如何都必須為儀表供電，這為靜態(tài)計量打開了大門。靜態(tài)計量所需的功率肯定會增加功率要求，但不會帶來新的挑戰(zhàn)。電池技術的同時改進正在幫助推動電表技術的變革。由于功率密度在提高，儀表的使用壽命也在增加?？吹诫姵貕勖鼮?15 年或更長時間的靜態(tài)儀表并不少見。

其他因素正在推動住宅采用靜態(tài)儀表，特別是改進的泄漏檢測和根據該信息采取行動的能力?？梢詸z測到泄漏然后做出反應的儀表，例如通過自動閥門關閉，為家庭增加了顯著的安全性。雖然不一定是直接的安全隱患，但漏水檢測可以為房主避免不必要的高額水費并防止水損壞。

結論

智能電表。智能電網。智能技術。我們生活在一個更智能的世界里，更明智的決策正在被推回更智能的設備。對于住宅用水表來說，這當然是正確的。我們家庭的服務交付基礎設施正變得越來越智能。靜態(tài)住宅水表是新興技術，注定要取代我們現(xiàn)在隨處可見的傳統(tǒng)機械水表。雖然仍處于起步階段，但靜態(tài)儀表有望提高精度和可靠性。隨著對智能基礎設施需求的增加，成本將隨著規(guī)模的擴大而降低。毫無疑問，靜態(tài)計量將更好地管理我們的天然水資源，提高安全性，并提供更好的消費者體驗。

審核編輯：郭婷