世界變得越來越智能，我們對(duì)設(shè)備、通信和網(wǎng)絡(luò)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(duì)于不同人有不同的含義，但廣義來說，智能喻示著更強(qiáng)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(jì)量領(lǐng)域用新型靜態(tài)表代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械水表的原因。
在為家庭提供智能服務(wù)方面，我們尚處于初級(jí)階段。受電力供應(yīng)商智能電表和智能電網(wǎng)的推動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制電器設(shè)備正越來越普遍。這種實(shí)時(shí)訪問信息的能力對(duì)于服務(wù)供應(yīng)商及其服務(wù)對(duì)象來說，都非常有用并可從中受益。通過實(shí)時(shí)測(cè)量和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，我們能夠了解用電情況以及對(duì)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(lǐng)域延伸至現(xiàn)代家居服務(wù)的各個(gè)方面。
渴望更智能化服務(wù)的同時(shí)，人們還要求提高用水計(jì)量的精度，并最終減少浪費(fèi)。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(dá)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(jì)回顧
水是生活必需品，采用流量計(jì)計(jì)量，據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IMS Research估算，到2016年，水表市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到大約每年1.2億只2。
流量計(jì)很容易讓人想到體積大、笨重、金屬制造、工業(yè)外觀的設(shè)備，很難與現(xiàn)代化、智能技術(shù)聯(lián)系在一起。坦率地講，現(xiàn)有絕大多數(shù)流量計(jì)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)落伍。流量計(jì)基本上采用兩種計(jì)量技術(shù)之一：正位移或流速。在正位移式水表中，在充滿活塞套筒、儲(chǔ)液器或膜盒然后排放的反復(fù)過程中，對(duì)固定容積的離散單位進(jìn)行計(jì)數(shù)；在流速式水表中，已知管道的直徑，所以測(cè)量液體的流速，即推算出容積。雖然這些傳統(tǒng)式機(jī)械水表已經(jīng)服役了數(shù)十年，但現(xiàn)在應(yīng)該采用更好的計(jì)量技術(shù)并享受其帶來的益處。
機(jī)械式流量計(jì)的局限性和影響
盡管歷史悠久，但機(jī)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(shí)，精度問題尤其明顯；一分價(jià)錢一分貨，機(jī)械式水表通常測(cè)不準(zhǔn)低速流量，或者干脆不測(cè)量低速流量。
可靠性問題也很嚴(yán)重，機(jī)械式水表隨著使用時(shí)間的推移會(huì)變慢，摩擦和磨粒磨損會(huì)降低其性能。也就是說，隨著時(shí)間推移，機(jī)械水表精度變差，測(cè)不準(zhǔn)流量。
低流量精度和性能隨時(shí)間劣化的影響顯而易見，低流量性能使得漏泄難以檢測(cè)或幾乎不可能檢測(cè)。在美國，第一版標(biāo)準(zhǔn)頒布于1921年，要求美國自來水廠協(xié)會(huì)(AWWA)測(cè)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(dāng)于1,363升/天，這是浪費(fèi)的水。由于自來水公司會(huì)將所有水損耗成本體現(xiàn)在更高的價(jià)格以及更加頻繁的提高水價(jià)，浪費(fèi)會(huì)造成全體消費(fèi)者的水費(fèi)賬單更高。
美國自然資源保護(hù)委員會(huì)(NRDC)與全美國的自來水公司合作，已經(jīng)提交了關(guān)于減少這種浪費(fèi)的提案。NRDC提議增加一種“泄漏檢測(cè)測(cè)試流量”，要求將流量測(cè)量降低至1/16加侖/分鐘或0.01立方米/小時(shí)，精度為水表實(shí)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(jì)量的緊迫性
幸運(yùn)的是，新型的改良“靜態(tài)”計(jì)量技術(shù)正在走向智能家居。靜態(tài)儀表是指任何沒有運(yùn)動(dòng)部件的計(jì)量裝置，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械水表具有明顯優(yōu)勢(shì)。靜態(tài)水表在商業(yè)和工業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用已有多年。
靜態(tài)水表的精度尤其是低流量時(shí)的精度要高得多。此外，由于沒有運(yùn)動(dòng)部件，所以更可靠，性能不會(huì)隨時(shí)間推移而下降。泄漏越少，浪費(fèi)和損失就越小。所以，服務(wù)供應(yīng)商就不會(huì)將損失轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者頭上。
靜態(tài)水表分為電磁式和超聲傳播時(shí)間式。在電磁水表中，向管道應(yīng)用電磁場(chǎng)，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(shí)間式，在此類水表中，向壓電傳感器施加脈沖信號(hào)；產(chǎn)生的超聲波穿過介質(zhì)(本文中指水)，被下行方向的第二個(gè)壓電傳感器檢測(cè)到。完成這一過程后，將壓電傳感器信號(hào)反過來：對(duì)下行方向的壓電傳感器施加脈沖信號(hào)，上行方向的壓電傳感器檢測(cè)信號(hào)。由于超聲波的速度與流量成比例，所以利用兩個(gè)脈沖的傳播時(shí)間差，即可測(cè)量流量。圖1所示為帶有超聲傳感器的典型閥芯體內(nèi)的傳播時(shí)間差計(jì)算。
圖1. 傳播時(shí)間差計(jì)算示例
對(duì)于尺寸小于3/4in (19.1mm)的管道，與上述0.01立方米/小時(shí)泄漏檢測(cè)測(cè)試流量目標(biāo)對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間差為大約1.2ns。為滿足要求精度，傳播時(shí)間差為1.2ns時(shí)，測(cè)得的傳播時(shí)間必須介于960ps (80%)和1212ps (101%)之間。
超聲傳播時(shí)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(shí)傳播時(shí)間差I(lǐng)C，MAX35101，連接有兩個(gè)壓電傳感器。每個(gè)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(shí)間內(nèi)核，精度達(dá)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(gòu)可提供低于1升每小時(shí)的泄漏檢測(cè)能力，在水表生命周期內(nèi)保證滿足EN和OIML規(guī)范的精度。
圖2. 超聲傳播時(shí)間式水表方案，采用帶有模擬前端(AFE)的MAX35101時(shí)間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器
靜態(tài)計(jì)量的實(shí)現(xiàn)
截至目前，靜態(tài)水表的技術(shù)對(duì)于住宅水表應(yīng)用尚不實(shí)用，然而服務(wù)提供領(lǐng)域最近的創(chuàng)新變化提供了大好機(jī)會(huì)。
靜態(tài)水表在住宅領(lǐng)域應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)很簡單：電源，電子裝置需要電源才能工作。由于大多數(shù)水表都未連接電源，所以靜態(tài)水表曾經(jīng)一度不是實(shí)用的選擇。隨著AMR(自動(dòng)抄表)和AMI(高級(jí)表計(jì)基礎(chǔ)架構(gòu))的啟動(dòng)，這一現(xiàn)狀得到了改觀。AMI和AMR支持遠(yuǎn)程抄表和/或控制，通常采用無線通信技術(shù)。
當(dāng)服務(wù)供應(yīng)商認(rèn)為其需要AMI/AMR功能時(shí)，就需要為水表供電，無論是通過市電還是電池。由于無論如何都必須為水表供電，所以這就打開了靜態(tài)計(jì)量的大門。靜態(tài)計(jì)量需要電壓這項(xiàng)要求是確定的，但這并未導(dǎo)致產(chǎn)生新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，電池技術(shù)的發(fā)展也有助于推動(dòng)水表技術(shù)的變化。隨著功率密度的提高，水表壽命也進(jìn)一步延長。電池壽命達(dá)到或超過15年的靜態(tài)水表并不鮮見。
其它因素也正在驅(qū)使住宅采用靜態(tài)水表，尤其是提高泄漏檢測(cè)水平以及根據(jù)信息采取措施的能力等因素。如果水表能夠檢測(cè)泄漏并采取措施，例如通過自動(dòng)閥門關(guān)斷，就大大增加了家居安全性。盡管不一定是直接的安全危險(xiǎn)，但水泄漏檢測(cè)可避免業(yè)主不必要的高水費(fèi)，防止水害。
結(jié)論
我們生活在智能的世界，設(shè)備越智能，所做的決策就越明智。對(duì)于水表在住宅領(lǐng)域的應(yīng)用，這點(diǎn)是毋庸置疑的。我們家居的服務(wù)提供也變得越來越智能。住宅靜態(tài)水表是涌現(xiàn)出的新技術(shù)，必定要代替目前無處不在的傳統(tǒng)機(jī)械水表。盡管目前尚處于萌芽階段，靜態(tài)水表注定會(huì)提高精度和可靠性。隨著智能基礎(chǔ)架構(gòu)的規(guī)模增長，成本將逐漸下降。毫無疑問，靜態(tài)計(jì)量將幫助我們更好地管理自然水資源，提高安全性，并提供更好的消費(fèi)體驗(yàn)。
參考
1. Data supplied by the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) WaterSense Program, http://www.epa.gov/WaterSense/pubs/fixleak.html .
2. IMS Research, The World Market for Water Meters – 2011.This marketreport is available by subscription.
There are, however, many commentaries about it on the web.If you do not have the report itself, see, Water World, “Smart water meter market analyzed in new report,” and the commentary:“By the end of 2016, the global installed base of advanced electricity meters is expected to double, according to a new market study from IMS Research, part of IHS Inc., titled The World Market for Smart Electricity Meters – 2012 Edition.This is forecast to propel the installed base of communicatingmeters to almost 35 percent penetration globally.”http://www.waterworld.com/articles/2011/12/smart-water-meter-market-analyzed.html.See also M2M World News, “Smart Water Meter Market Update,” for “The advanced water metering market, estimated at about 5.5 million global shipments in 2010, and anticipated to be roughly 10 million shipments annually in 2016, continues to increase its product share, particularly in North America.See more at:http://m2mworldnews.com/2011/11/22/20198-smart-water-meter-market-update/#sthash.7j8dKtq4.dpuf .
3, See press release at http://www.nrdc.org/media/2013/130326.asp .
4. See http://docs.nrdc.org/water/files/wat_13032601a.pdf.
