智能水表技術的發(fā)展與展望

智能水表技術的發(fā)展與展望

0當前對表產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關注智能水表是近十年來發(fā)展最快的節(jié)水產(chǎn)品新品種。它在提高產(chǎn)品的測量性能和應用功能方面具有傳統(tǒng)表面無法比擬的優(yōu)越性?，F(xiàn)在很多企業(yè)及機構都在關注它的發(fā)展動向和態(tài)勢,對其技術前景作出評論和預測,這給水表產(chǎn)業(yè)帶來希望和鼓舞的同時,也會因某些觀點偏頗給相關企業(yè)造成不必要的迷茫和誤判。如何把握智能水表發(fā)展方向和趨勢,需要認真分析水表技術構成和相關新技術的進展情況,需要深入了解水表使用對象和供水行業(yè)的發(fā)展需求,需要了解淡水資源現(xiàn)狀以及國家水資源管理政策等。1供水技術描述1.1產(chǎn)品分類根據(jù)水表國家標準GB/T778.1-2007,水表產(chǎn)品按結構特征可作如下分類。1表類表型根據(jù)傳感原理不同,機械水表可分為:速度式水表和容積式水表兩類;根據(jù)水表涉水部件機械結構不同,又可分為:水平螺翼式水表和垂直螺翼式水表,多流束旋翼式水表和單流束旋翼式水表,以及旋轉活塞式水表和圓盤刮板式水表等。2機械示數(shù)式脈沖信號帶電子裝置的機械水表,是在機械水表上設置機電轉換裝置,將水表工作時葉輪(活塞)的旋轉量轉換成增量編碼形式的脈沖電信號,或將機械示數(shù)裝置的字輪讀數(shù)位置量轉換成絕對編碼形式的數(shù)字電信號;水表內(nèi)設有信號處理部件和電控閥等機構,可以實現(xiàn)水表數(shù)據(jù)遠傳、預付費用水、網(wǎng)絡閥控、水量定量控制等功能。3檢測方法分類所謂電子水表,就是流量傳感部分不含機械運動部件的水表,國外也有稱其為“固態(tài)水表”(SolidStateWaterMeter)。電子水表根據(jù)流量傳感原理不同可以分為:電磁水表、超聲水表、射流水表、渦街水表、科氏水表等幾種;根據(jù)結構不同可以分為:圓形測量截面的電磁水表、矩形測量截面的電磁水表,單聲道超聲水表、多聲道超聲水表等。按被測介質(zhì)和使用功能不同,水表可以分為飲用水和非飲用水水表兩大類。非飲用水水表主要用于灌溉用水、消防用水、污水排放、供熱熱水、工業(yè)過程用水等的計量和測量。1.2設計與制造技術水表技術主要由產(chǎn)品技術、設計與制造技術、材料與裝備技術等構成。其中,產(chǎn)品技術主要包括了產(chǎn)品性能特性實現(xiàn)技術和產(chǎn)品使用特性實現(xiàn)技術;設計與制造技術主要包括了產(chǎn)品與模具設計技術、工藝與工裝技術、測量與試驗技術以及模具制造技術;材料與裝備技術主要包括了工程塑料材料選用及改性技術、金屬材料選用及表面防護技術以及專用加工與檢測設備制造技術等。1.3產(chǎn)品技術分析1改善測量性能上述三類水表在產(chǎn)品性能特性方面要求是基本一致的,但各自有所側重。對機械水表和帶電子裝置的機械水表而言,應關注:擴展水表測量范圍,降低測量閾值;改善測量非線性及軸系磨損特性;提高機電轉換部件工作的準確性和可靠性。對電子水表而言,則應關注:抑制環(huán)境干擾和內(nèi)部噪聲影響;降低電源功耗,延長使用壽命;提高系統(tǒng)軟硬件工作的可靠性;探索新型水流量傳感與信號處理技術,高效非線性特性校正技術,大容量電池與新型供電電源技術等。2積極參加有效測量管網(wǎng)中飲用水的測量與計量水表的使用特性主要分為計量特性和功能特性兩方面。產(chǎn)品計量特性主要體現(xiàn)在水表的測量準確性、使用可靠性和壽命等方面,即水表在檢定周期內(nèi)應滿足準確、可靠地計量(或測量)管網(wǎng)中飲用水的累積流量或瞬時流量的要求。與此同時,還應創(chuàng)造條件逐步開展非飲用水的測量與計量。水表功能特性除了最基本的計量功能外,目前智能水表已經(jīng)將功能擴展至水表計量數(shù)據(jù)的遠程傳輸、終端預付費用水管理、水表網(wǎng)絡接入及閥控等功能。3測量與控制功能的新超越隨著傳感與信號處理、網(wǎng)絡通信、自動控制、計算機及數(shù)據(jù)安全等技術的快速發(fā)展,水表作為管網(wǎng)中應用最為普及的測量儀表(傳感器)終端,在借助于其他傳感器件、測控裝置和嵌入式軟硬件條件下,可以實現(xiàn)測量與控制功能的新跨越,即在水表原有水計量功能基礎上拓展用水量實時動態(tài)檢測與分析、管網(wǎng)滲漏水偵聽與定位、管網(wǎng)水質(zhì)與水壓檢測、滲漏水與水質(zhì)異常關閥控制、水表特性的自檢與自校等功能。與此同時,管網(wǎng)水力建模與測控,地理信息系統(tǒng)(GIS)與全球定位系統(tǒng)(GPS),網(wǎng)絡通信與數(shù)據(jù)安全,數(shù)據(jù)挖掘與應用,無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)與物聯(lián)網(wǎng)(IOT)應用,新型大容量電池及無線供電等技術也隨之進入人們的視線。2智能水表及相關技術2.1創(chuàng)建帶能輸出的電子表現(xiàn)設備對智能水表,我國目前尚無公開發(fā)布的定義。2013年中國計量協(xié)會水表工作委員會智能水表技術工作組提出了智能水表的定義為:以流量傳感與信號處理部件、內(nèi)置嵌入式微型計算機系統(tǒng)和算法、各類輸入-輸出接口及(或)電控執(zhí)行器等為平臺,具有或部分具有流量參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)處理(如:濾波、運算、存儲、自檢與自校)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信、電控閥受控啟閉以及網(wǎng)絡接入等功能的帶電子裝置的機械水表和電子水表。目前已投入使用的智能水表產(chǎn)品主要有:電子遠傳水表、預付費IC卡水表、網(wǎng)絡閥控水表、數(shù)控定量水表,可帶數(shù)據(jù)遠傳與閥控功能的射流水表、超聲水表、電磁水表等。2.2大量涌干物質(zhì)隨著網(wǎng)絡技術發(fā)展,尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術興起,與智能水表(終端)相關的新技術大量涌現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)已成為當今供排水管網(wǎng)測控技術的最佳平臺,其應用涵蓋了感知層、網(wǎng)絡層和應用層,涉及到的技術主要有:新型水流量傳感與信號處理技術、網(wǎng)絡接入與數(shù)據(jù)傳輸技術、通信協(xié)議與路由技術、數(shù)據(jù)安全與可靠性技術、數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)管理技術等。2.3智能水表測量密度和測量重復性指標智能水表涉及的主要技術指標有:測量準確度、測量重復性、流量測量范圍、始動流量、壓力損失、使用壽命、工作可靠性、電池使用壽命、網(wǎng)絡接入特性、電控閥可控性等。目前,國內(nèi)現(xiàn)行水表標準僅規(guī)定了2級準確度等級,且無測量重復性要求。但最新發(fā)布的水表國際標準已將水表準確度等級擴展為1級和2級兩個等級,并規(guī)定測量重復性指標為最大允許誤差的三分之一。流量測量范圍和始動流量兩項指標對水表而言十分重要。水表的計量范圍相比水流量計要寬得多,為了保證在大小用水量條件下均能有效、準確計量,水表的流量測量范圍必須要寬,且始動流量要盡量低(即水表的靈敏閾要高)。智能水表電池壽命與產(chǎn)品使用壽命同樣重要,特別是需要閥控、無線通信、實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠a(chǎn)品,電池供電能力及功耗極其關鍵。物聯(lián)網(wǎng)技術的應用,需要水表接入網(wǎng)絡系統(tǒng),完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制指令的接收,因此智能水表的網(wǎng)絡接入特性及電控閥的可控性也將是一項很重要的技術指標。3供水技術的發(fā)展動力3.1水計量技術的發(fā)展趨勢國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要指出:“實現(xiàn)最嚴格的水資源管理制度,加強用水總量控制與定額管理”;國務院2012年出臺的《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》,立足水資源戰(zhàn)略與全局,要求水計量技術應以計量、監(jiān)測、控制為一體,向高精度、智能化、系統(tǒng)化等方向發(fā)展,為早日實現(xiàn)全國范圍水資源總量控制提供必要的技術保障;國家發(fā)改委等5部委2005年發(fā)布的《中國節(jié)水技術政策大綱》也要求,提高水資源計量與測控的準確性和系統(tǒng)性,加快研發(fā)先進計量、測控設施及系統(tǒng),更好服務于工農(nóng)業(yè)用水和城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)。要實現(xiàn)節(jié)約用水和高效用水之目的,用水量的測量與計量是必不可少的重要保障手段。沒有科學的水計量技術與準確的水計量之器具,也就不可能有節(jié)約用水之成效。可以這么說,水表在水資源綜合利用和科學用水與節(jié)水管理過程中有著不可替代的作用。3.2表產(chǎn)質(zhì)量標準國家已從標準層面對水表計量性能提出新要求,使用高性能水表已成為一種趨勢。ISO4064和OIMLR49最新聯(lián)合發(fā)布的水表產(chǎn)品新標準已將水表測量準確度提升為1級和2級兩個等級,同時規(guī)定了測量重復性的要求;國家強制性標準GB24789-2009、GB17167-2006對用水計量器具的測量準確度也提出了高于現(xiàn)行產(chǎn)品標準的要求。3.3表的選擇原則國家建設部發(fā)布的《城市供水行業(yè)2010年技術進步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠景目標》中指出:“供水系統(tǒng)流量儀器儀表應首選計量準確度優(yōu)于1.0級以上的管段式電磁流量計和超聲波流量計”;“建議一、二類供水企業(yè)選擇0.5級及以上的電磁流量計和超聲量流計;有條件的企業(yè)或有特殊準確度要求或者重要環(huán)節(jié)如與大用水戶進行貿(mào)易結算,可選用高準確度(1.0級或以上)的電磁或超聲水表”;應“重視開發(fā)準確度高、量程寬、低流速的計量儀表”。4智能水表技術的發(fā)展趨勢近年來,智能水表技術發(fā)展進入快車道,各類新技術應用層出不窮,但歸納起來智能水表技術的發(fā)展可以分為三個方面來描述。4.1改善表面質(zhì)量水表產(chǎn)品第一使用功能就是計量功能,因此水表計量性能提升是首先應重點關注的發(fā)展領域。傳統(tǒng)機械水表設有運動計量部件和機械計數(shù)(示數(shù))裝置,使產(chǎn)品的測量準確度和重復性指標難以長期保持,儀表非線性特性校正困難,壓力損失較大,測量可靠性和使用壽命不盡人意,為此必須采用新型水流量傳感與信號處理技術等方法來改變這一現(xiàn)狀。水表計量性能提升主要包括:1)提升測量準確度。從目前2級準確度逐步提升至1級準確度,尤其對大流量測量水表而言,應提前實現(xiàn)這一目標。2)拓展測量范圍,改善小流量測量特性。降低水表始動流量和靈敏限,減少大流量測量條件下的壓力損失值。3)非線性特性的線性化。采用水表內(nèi)置嵌入式計算機系統(tǒng)和特性校正等算法,減少水表因非線性特性引起的測量誤差。4)可靠性與壽命的提高?？煽啃蕴匦孕枰ㄟ^設計、制造來保證,當前應重點關注提高智能水表產(chǎn)品的平均無故障時間(MTBF)指標,降低產(chǎn)品批使用的故障率;壽命指標涉及產(chǎn)品和電池兩個方面,除了保證產(chǎn)品自身使用壽命外,還應關注采用低功耗設計技術和選用高容量電池等問題。5)壓力損失的降低。盡量采用無阻流件、無運動部件的水流量傳感器,改善壓損,延長產(chǎn)品使用壽命。4.2預付費用水的控制在計量功能基礎上,智能水表已拓展了一些新功能,滿足了用戶在用水管理方面的需要,如:預付費用水及售水管理、數(shù)據(jù)遠傳及抄表管理、網(wǎng)絡閥控及定量控制等。隨著智能水表相關技術的成熟和應用,水表測量特性的自檢、自校、自補償,電源電壓自檢與告警,欠費、漏水等的關閥控制,無線通信及網(wǎng)絡接入等功能也會逐步進入應用階段。4.3信息聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的發(fā)展正逐漸現(xiàn)在水計量領域產(chǎn)品,已從單一終端產(chǎn)品向網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成產(chǎn)品和整體解決方案發(fā)展,硬件產(chǎn)品向軟硬件結合的智能化產(chǎn)品發(fā)展。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術的興起,供水管網(wǎng)的感知(檢測)技術、網(wǎng)絡通信技術、數(shù)據(jù)安全傳輸技術、數(shù)據(jù)挖掘與應用技術、終端控制技術等正在得到應有的重視和應用。智能水表作為物聯(lián)網(wǎng)技術感知層的智能終端,在供水管網(wǎng)測控系統(tǒng)中的地位是極為重要的?？梢灶A期,隨著水表使用功能的不斷拓展,其在測控系統(tǒng)中的作用更是顯而易見的。5水計量與測控技術的發(fā)展方向當前,水表產(chǎn)品的應用領域已從傳統(tǒng)飲用水計量服務為主逐步拓展至包括飲用冷熱水、供熱用水、灌溉用水、中水與污水、工業(yè)及消防用水等領域;代表水計量技術最核心部分的傳感技術也從原先的葉輪式和活塞式傳感方式向電磁、超聲、射流、渦街等新型流量傳感與信號處理技術等方向發(fā)展;隨著自動抄表和預