朱 華，郭小勇，黃 錚，陳文波

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院 廣東 深圳 518000）

0 引言

目前我國(guó)水表市場(chǎng)以機(jī)械水表為主。機(jī)械水表內(nèi)部安裝有運(yùn)動(dòng)計(jì)量部件和機(jī)械計(jì)數(shù)裝置，壓力損失大[1]；由于磨損等因素使得水表的檢測(cè)準(zhǔn)確度和重復(fù)性指標(biāo)難以長(zhǎng)期保持，檢測(cè)可靠性差，使用壽命短；機(jī)械水表的非線性特性校正困難；機(jī)械水表功能單一，本身不具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理[2-3]。

超聲水表是一種利用超聲波測(cè)量流量的儀器。超聲水表的種類(lèi)很多，其實(shí)現(xiàn)原理有多普勒法、波束偏移法、噪聲法、傳播頻率差法等[4-5]。多普勒法主要應(yīng)用于含有雜質(zhì)及泡沫的流體上，其精度通常較低。相關(guān)信號(hào)隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)換能器的性能要求高，且成本較高。波束流偏移方法適用于高流速環(huán)境，在低流速條件下精度較低。噪聲法適用于流量噪聲較大的流體。傳遞頻率差法是用超聲波在上游和下游傳遞時(shí)所形成的速度差來(lái)進(jìn)行流速計(jì)算。傳遞頻率差法又分為均時(shí)差法、頻差法和相位差法，它們都分別通過(guò)用超聲波的上下游時(shí)間差、頻差和相位差進(jìn)行流速計(jì)算。頻差法電路特性并不穩(wěn)定，而相位差法易受環(huán)境溫度影響。但應(yīng)該說(shuō)明的是時(shí)間差法由于原理簡(jiǎn)便、計(jì)量精確而獲得了普遍的使用。

自2003年國(guó)產(chǎn)超聲水表誕生以來(lái)，以其三高一低的特點(diǎn)（高精度、高量程比、高性?xún)r(jià)比、低始動(dòng)流量）[6-7]，逐漸受到自來(lái)水公司客戶(hù)的接受，目前已廣泛應(yīng)用于分戶(hù)計(jì)量。本文將結(jié)合戶(hù)用超聲水表的高量程比、易安裝、抗冰凍、防自轉(zhuǎn)、低功耗、高防護(hù)等方面的最新技術(shù)進(jìn)展，闡述超聲水表技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，對(duì)超聲水表設(shè)計(jì)制造與使用中的相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)探討。

1 超聲水表的工作原理

超聲水表以聲波信號(hào)在流體中的傳播時(shí)間與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為基本原理[8]，通過(guò)測(cè)量沿管道流動(dòng)方向的順程、逆程傳播時(shí)間差，計(jì)算流體流速和流量。

戶(hù)用超聲水表采用U型反射原理[9]，在不改變水流的流向的前提下在水表管道內(nèi)嵌了兩個(gè)具有一定角度的反射片，同時(shí)在管道的一側(cè)放置兩個(gè)換能器，并且換能器的中點(diǎn)和反射片的中點(diǎn)在同一直線上。當(dāng)反射的換能器發(fā)出超聲波后先由正下方的反射面反射，再以平行于管道的方向入射到接收換能器下方的反射片，最后才由另一個(gè)換能器接收。這種換能器的安裝方式對(duì)角度的要求不高，同時(shí)又能增加超聲波的傳播路程，目前是國(guó)內(nèi)外的民用超聲水表使用最多的換能器布置方式。超聲水表結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 戶(hù)用超聲水表測(cè)量原理示意圖

超聲波在被測(cè)介質(zhì)中正、逆程傳播時(shí)間分別為t12和t21，并由時(shí)間差法推導(dǎo)流量，計(jì)算公式如下：

式中：

v—管道內(nèi)被測(cè)介質(zhì)（水）的平均流速；

c—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；

A—管道截面積和修正系數(shù)乘積值；

D—測(cè)量管道內(nèi)徑；

L—兩反射片之間的中心距離；

Δt—超聲波傳播時(shí)間差；

t12、t21—超聲波在介質(zhì)中的正、逆向傳播時(shí)間，即從上游換能器（或下游）至下游換能器（或上游）的傳播時(shí)間。

2 超聲水表特點(diǎn)

2.1 量程比寬

由超聲水表工作原理和推導(dǎo)公式可以看出，影響超聲水表計(jì)量性能的關(guān)鍵因素包括：

（1）精密的幾何尺寸，主要由生產(chǎn)、加工、組裝精度保證；

（2）精確的時(shí)間測(cè)量，高精度時(shí)間分辨率決定了水表的測(cè)量性能。

目前市場(chǎng)上主流時(shí)間測(cè)量方案的時(shí)間測(cè)量分辨率在幾十個(gè)ps，由此方案生產(chǎn)出來(lái)的儀表已經(jīng)基本滿足對(duì)機(jī)械水表替換的需要，但要滿足更高性能水表的計(jì)量要求，需要進(jìn)一步提高時(shí)間測(cè)量精度。最新研究成果已經(jīng)將時(shí)間測(cè)量分辨率提高到了6 ps，6 ps和25 ps時(shí)間測(cè)量分辨率下的流量性能對(duì)比如圖2所示，從中可以看到，6 ps比25 ps的流量性能提升超過(guò)10倍，對(duì)改善小流量計(jì)量性能起到關(guān)鍵作用。

圖2 時(shí)間分辨率6 ps和25 ps的流量波動(dòng)趨勢(shì)

高精度的時(shí)間測(cè)量是影響超聲水表計(jì)量性能的關(guān)鍵因素，但不是唯一因素[10]。實(shí)踐中，高靈敏的超聲傳感器設(shè)計(jì)、聲波傳輸路徑設(shè)計(jì)，以及生產(chǎn)過(guò)程中一致性的保證，可以使超聲水表的量程比達(dá)到400：1。量程比越高，說(shuō)明超聲水表測(cè)量范圍越寬，使用性能越強(qiáng)。量程比為Q3與Q1的比值，難點(diǎn)在于降低最小流量Q1，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微小流量計(jì)量以及防偷盜水，有效降低漏損。

2.2 流態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)

超聲水表在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況往往不能滿足實(shí)驗(yàn)室要求的安裝條件，在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況仍能滿足測(cè)量精度是評(píng)價(jià)超聲水表好壞的關(guān)鍵因素。

目前市場(chǎng)上主流超聲水表均采用獨(dú)特的管段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)中反射體除具有反射超聲波信號(hào)的作用外，還兼具束流功能，極大地改善了管段體入口處流體流態(tài)。通過(guò)流體仿真獲得的管段剖面流速分布，如圖3所示。

圖3 戶(hù)用水表管段剖面流速分布

超聲水表在各種擾流工況下，測(cè)量誤差均可滿足精確度范圍要求，因此可勝任U0D0（無(wú)前后直管段）的工作環(huán)境。各種擾流工況條件的測(cè)量誤差，如表1所示。

表1 不同直管段下的擾流試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 抗凍性能強(qiáng)

由于各地氣候環(huán)境的不同，比如北方寒冷低溫條件以及南方冬季不供暖條件下，或居民長(zhǎng)期不使用水處于靜態(tài)時(shí)，受安裝條件限制，封閉滿管道中的水表存在被凍壞的可能。當(dāng)水結(jié)冰后密度減小，體積膨脹，供水管路以及水表管段將承受高達(dá)200 MPa的巨大壓力，水表的測(cè)量精確度以及壽命將會(huì)受到不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

2016年蘇州水司曾展開(kāi)相關(guān)調(diào)研和試驗(yàn)工作，極端惡劣條件下，水表冰凍后受損較嚴(yán)重。超聲水表在前期模擬實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超聲水表在冰凍后也會(huì)出現(xiàn)損壞。主要體現(xiàn)在管段體本身開(kāi)裂，傳感器松動(dòng)、變形、損壞等方面。針對(duì)上述問(wèn)題，有針對(duì)性地改進(jìn)管段體結(jié)構(gòu)、改進(jìn)傳感器安裝結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)超聲水表的抗凍性能。目前抗凍型超聲水表新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已攻克水表在冰凍后性能受損的技術(shù)壁壘，試驗(yàn)表明，抗凍型超聲水表新型結(jié)構(gòu)在多輪冰凍試驗(yàn)后，儀表性能無(wú)明顯變化，測(cè)量精度及聲波信號(hào)未受影響?？箖鏊碓诒鶅銮昂蟮臏y(cè)量誤差如圖4所示。

圖4 戶(hù)用超聲水表冰凍前后測(cè)量誤差趨勢(shì)

2.4 防自轉(zhuǎn)功能

隨著居民用水，管網(wǎng)壓力將會(huì)發(fā)生變化，由于水具有黏性，管路中存在氣體，因此將造成供水管網(wǎng)中的水發(fā)生微小涌動(dòng)，此效應(yīng)表現(xiàn)為機(jī)械水表中的自轉(zhuǎn)。用戶(hù)家中非正常用水情況下的水表計(jì)量數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 水流涌動(dòng)導(dǎo)致水表非正常用水計(jì)量

圖5中不同時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)的瞬時(shí)流量峰值，真實(shí)記錄了由于管網(wǎng)壓力波動(dòng)造成的非正常條件下的用水計(jì)量。超聲水表不存在轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械部件，通過(guò)識(shí)別涌動(dòng)水流造成的超聲信號(hào)變化，增加與正常用水信號(hào)識(shí)別的相關(guān)技術(shù)，有效抑制涌動(dòng)原因造成的水量計(jì)量，此功能將會(huì)有效避免給水司客戶(hù)帶來(lái)的貿(mào)易結(jié)算糾紛。

2.5 短時(shí)斷續(xù)供水計(jì)量

戶(hù)用水表的應(yīng)用特點(diǎn)是用水時(shí)間短、非連續(xù)計(jì)量，而傳統(tǒng)水表的典型應(yīng)用場(chǎng)景為連續(xù)水流的計(jì)量。在非連續(xù)水流狀況下，保證水表的計(jì)量性能，是體現(xiàn)水表好壞的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。圖6對(duì)比了三種水表不同實(shí)驗(yàn)條件下的誤差。

圖6 DN15水表測(cè)試結(jié)果

2.6 物聯(lián)網(wǎng)功能

超聲水表作為一款全電子化的智能水表，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)正在被越來(lái)越多的水司接受和認(rèn)可，并且為水司帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)除了使用RS485，M-Bus等有線方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)集抄，也可以使用LoRa，NB-IoT等無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄讀，配合系統(tǒng)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析功能，分析用戶(hù)的用水行為，指導(dǎo)用戶(hù)科學(xué)合理用水，培養(yǎng)節(jié)約用水習(xí)慣，給水司客戶(hù)提供生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)輸送水的科學(xué)性合理性，提升水司客戶(hù)的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，精準(zhǔn)感知、可靠傳輸、智能處理、精準(zhǔn)決策將會(huì)成為熱計(jì)量運(yùn)營(yíng)的發(fā)展方向，完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是計(jì)量運(yùn)營(yíng)最為重要的基礎(chǔ)[11]。

2.7 低功耗技術(shù)

目前超聲水表從電路設(shè)計(jì)、期間選型、程序處理等各方面降低整體功耗，電池供電可滿足10年以上的應(yīng)用需求。硬件方面，對(duì)功耗較大的電路采用提高有效工作時(shí)間方法，軟件方面，研發(fā)休眠等節(jié)電工作方式，降低整機(jī)功耗，實(shí)現(xiàn)電池供電[12]。采用超低功耗微處理器，其他邏輯器件、運(yùn)放、模擬開(kāi)關(guān)等全部選用低功耗器件，程序運(yùn)行期間空閑時(shí)段計(jì)入低功耗模式。

2.8 IP68防護(hù)性能

IP68防護(hù)等級(jí)主要針對(duì)潮濕等環(huán)境惡劣問(wèn)題，所以在此環(huán)境下就要選擇IP68防護(hù)等級(jí)的水表，IP68防護(hù)水表因?yàn)樽陨淼奶厥庑苑浅＿m合在水井下工作，即使是在如此陰暗潮濕的環(huán)境下這款水表依然可以保證正常工作[13]。與普通的防水水表相比IP68防護(hù)等級(jí)水表有更高強(qiáng)度的防水性，在雨水多的季節(jié)，出現(xiàn)水井被雨水淹沒(méi)等情況，即使水表在水中浸泡，具有IP68防護(hù)等級(jí)的水表也可以正常工作。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文闡述了超聲水表的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以及最新研究進(jìn)展?！澳茉垂?jié)約，計(jì)量先行”，超聲水表是流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向，能夠在國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略中占有一席之地。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用結(jié)果表明，戶(hù)用超聲水表的新技術(shù)可成功在市場(chǎng)中應(yīng)用推廣。