光电直读湿式水表缺陷分析

●西华大学 鲁顺昌

       光电直读水表是在原有的普通干式机械水表或普通湿式机械水表上增加光电读取字轮位置的电路模块而制成，在干式水表上加装光电电路模块后称为光电直读干式水表，在湿式水表上加装光电电路模块后成为光电直读湿式水表。

目前光电直读干式水表，由于字轮和电路均干式一体化密封于同一个空腔内，在理论上没有技术缺陷，在实践中使用的效果基本可以；而光电直读湿式水表，存在一些技术上的缺陷，在近几年的使用过程中其长期可靠性和耐久性并不尽人如意，本文在此重点对光电直读湿式水表的技术缺陷进行分析，以给自来水公司一个全面的评估。

       光电直读技术的起源始于瑞士的罗兰.梅特勒先生在1994年申请的用于流量计的多位计数轮结构专利（专利号CN1127351A），在2005年之后，由于当时国内流行的IC卡式智能水表的电池出现了较多的问题，所以无源的光电直读水表开始流行。光电直读技术在干式水表上的应用基本成功，解决了自来水公司的抄表难问题；而光电直读技术在湿式水表上的应用上，一直不尽如人意。

       但由于掌握光电直读水表的技术的厂家众多，在厂家共同推动下，自来水公司误认为这项技术代表了潮流的技术。

       光电直读湿式水表目前有三种基本的技术方案，这三种基本的技术方案基本原理一致，只是从结构型式来讲分为三种，这三种结构型式各有优缺点，不能用一种结构局部优点去否定另一种结构的局部缺点。

       1.第一种结构：反射式光电直读字轮结构

       本项技术的原理是在字轮的0-9的正面的不同位置涂上不同的黑色和白色组合涂块（图层），由几组光电传感器的红外的发光管向这些涂块发光，由红外接收管接收发射的光线。抄表时，黑色块不反射光，白色块发射光，红外接收管由此可以判断出处于黑色块或白色块的位置，从而判断出字轮的0-9的位置。由于结构和尺寸的限制，此种的湿式直读表设置为直读个、十、百3位，更高位依靠软件实现进位。本结构见图一。

       由于字轮为圆弧状，安装光电传感器的电路板必须为软性的可弯曲的挠度板，与字轮的配合弯曲成圆弧状，为实现字轮数码可视，电路板必然放置在字轮下部，故而电路板的腔体只有放置在水中，为确保密封，使用环氧树脂将电路灌封起来，本方案的优点是：挠板紧贴字轮的下部，不容易受气泡的干扰，光只穿过一层透明塑料，光的行程短，光阻小。主要难点为挠板上焊接光学器件，光电管的成品率较低，工艺要求较高，很难掌握。

       本结构的主要缺点为：

     （1）水和空气的隔离为2mm厚的透明塑料，长期使用后透明塑料会开裂漏水。

     （2）采用环氧树脂灌封把电路和水隔离，时间久了由于热胀冷缩，水会进入电路板中，造成电路的失效，同时会发生水通过电路、M-bus通讯线漏水现象。

     （3）环氧树脂灌封时间久了会变色，影响光电传感器的透光性。

     （4）字轮黑白色块在光照、氧化等因素影响下会褪色或脱落，直接导致直读译码不良效果。

       2.第二种结构：透射式光电直读字轮结构

       透射式又叫对射式，是在字轮的0-9侧壁的位置刻上不同的槽，由几组红外的发光管和红外的接收管组成光电传感器的检测机构，发光管和光接收管分别安装在字轮片侧壁的两边。抄表时，红外光发光，有槽的地方透光，无槽的地方不透光，红外接收管由此可以判断出字轮处于0-9哪个位置。

       透射式的光电管焊接在普通的电路板组上，由于电路板组置于透明的腔体中，为了和水隔离，透明的腔体的出口使用透明环氧树脂进行灌封。结构见图二。

       这种结构的主要问题是：

     （1）水和空气的隔离为2mm厚的透明塑料，长期使用后透明塑料会开裂漏水。

     （2）采用环氧树脂灌封把电路和水隔离，时间久了由于热胀冷缩，水会进入电路板中，造成电路的失效，同时会发生水通过电路、M-bus通讯线漏水现象。

     （3）环氧树脂灌封时间久了会变色，影响光电传感器的透光性。

       3.第三种结构：湿式干装的透射式光电直读字轮结构

       这种结构的电路板不再放置于水中而是放在外部（空气中），其他原理同第二种结构。示意图见图三。

     本项技术由于电路不再浸泡在水中，所以电路的防水问题得到了很大的解决，但是仍未解决以下问题：

   （1）水和空气的隔离为2mm厚的透明塑料，长期使用后透明塑料会开裂漏水。

   （2）由于光电管安装在字轮的上部，水中的气泡很容易进入字轮的上部即光路的位置，长时间使用后由于气泡的影响会出现误读数。

   （3）透明塑料长期使用后会变黄变模糊，影响光的传输，出现误读数。

   （4）实践中，全液封或半液封在运输或使用过程中，或漏液或气泡，直接导致直读译码不良效果。

      1.长年使用后爆裂漏水

       这三种结构的光电直读湿式水表，其共同处为：光电直读湿式水表的电路（光电传感器及主电路）以及和电路连接的M-bus通讯线，因为通讯线要引出到外界，因此电路和外界空气是同一个大气压，水表的字轮位于水中，和管道的水是同一压力。电路和字轮之间只有一层2mm厚的透明塑料隔离，为什么只能是2mm厚的透明塑料呢？

       根据光电传感器的特性，光电传感器的可靠收发距离为不大于10mm，除去字轮的厚度4mm、电路板的缝隙2mm，为了实现光发射和光接收的可靠传输，字轮和电路板之间透明塑料最多只能做2mm厚，这2mm厚的透明塑料把水和外界空气隔离开。

       根据塑料的化学特性，随着时间的推移、四季寒暑的交替变化、温度的变化、水压力下的环境，透明的塑料会慢慢老化、变脆，新生产的水表在水压下、甚至打压至2MPa也没有什么问题，而等到三五年之后，透明塑料老化变脆后在水压下就会开裂，水通过开裂的塑料流向电路板、再通过M-bus通讯线流向外面，因此常年使用后的光电湿式水表必然会发生漏水甚至爆裂的情况。
       按照水表的国家标准要求，普通水表的水和空气的透明窗采用的是6mm厚的玻璃，由此可以推测出来2mm厚的塑料代替6mm厚的玻璃有很大的风险。

       现在一些厂家在表的显示窗的地方也加了一块玻璃，但是这块玻璃的作用并不是隔离水和空气，而是为了防止电路板不进水。玻璃的下部分放置电路，电路上连有M-bus通讯线，而M-bus通讯线引出到外界的空气中，所以玻璃的下部分和外界的空气是同一个大气压，水和电路及电路上的通讯线之间的隔离仍然靠2mm厚的塑料，所以长期使用后爆裂漏水问题在所难免。

       2.长期使用后读数的准确性变差

       读数的准确性变差主要由透明塑料变黄、字轮中出现气泡等因素引起。

       首先是透明塑料变黄的问题。对于三种结构的产品，光电直读湿式水表的光发射和光接收和字轮之间相隔一层（第一种结构）或两层（第二、三种结构）的透明塑料，随着时间的推移，四季寒暑的交替，透明塑料会满满老化、变黄、变模糊，阻碍光线的传输，光电直读表使用3、5年后读数的准确性会大打折扣。

       其次是水中气泡的问题。因为浑浊的水会影响光的传输，因此，湿式的光电直读表的字轮必须位于干净的液体（如纯净水）中，即字轮盒必须液封，字轮盒内充满了透明的干净的液体。湿式水表的字轮盒中进行液封后，必须伸出一根金属轴和水中的齿轮进行耦合传动，为了避免水和液体（纯净水）进行交换即为了避免漏液，需要轴的密封可靠，而密封可靠会引起轴的摩擦力增加，若摩擦力太大，对于水表来说误差变大、灵敏度变差，为了确保不漏液且摩擦力小，轴的密封一般采用在轴向密封上采用由动环和定环的结构方式，当有压力时，软密封就会变成硬密封，在没有压力的环境下，始终处于轴线密封。但是，由于管道中的水中有气泡的存在，在轴的旋转过程中，由于字轮盒的位置最高，无孔不入的气泡会通过轴的旋转进入字轮盒中，久而久之，进入字轮盒液体中的气泡会越来越多，气泡对发光管发射的光产生折射、衍射，光电接收管接收时出现数据的误判。所以液体灌满的光电直读计数器，长时间使用就会产生气泡，这是生产厂家都心知肚明而又心照不宣的一个问题，这是影响光电直读水表长期读数准确的一个天敌，液封水表漏液和气泡问题是各生产厂商都面临的难题。

       以上的两个问题从理论上来讲是解决不了的，为此，很多厂家在后台数据上做文章，比如，目前厂家采用的是在抄表的采集器或在计算机数据库内对数据进行修正（或者说造假）的方式，即每隔几个小时读取一次表的数据，当发现表的数据变化较大时，电脑自动置入一个估计的数据，采用修正的方法在前一两年基本上发现不了什么问题，但几年后由于数据进到了百位、千位，再加上光电管的透光失效，问题就会凸现，还有的厂家把抄表的数据库放置在自己公司专门的服务器中，由人工对数据进行改写，而只允许自来水公司从改写后的数据库中取得表的数据，美其名曰：云计算、云数据，而由于自来水公司没有精力到现场一一查证，所以真实的水表数据是模糊的，这为自来水公司的精细管理造成了一定的麻烦。

       3.长期使用后故障率高

       采用第一、第二种结构的光电直读电路模块放置在透明塑料盒或者透明塑料腔内，而透明盒置于水中，为了实现电路和水的隔离，透明盒口部采用环氧树脂材料，实行一次胶封。环氧树脂在水中长期浸泡，结晶面中的Na离子与水中游离的H离子会发生互换，当置换到一定时间后，水分子逐步渗透入电路板部位，这样会发生电路短路。此外，环氧树脂、包裹环氧树脂的塑料盒、电路均有热胀冷缩的特点，这三个部分的热胀冷缩的系数并不同，随着时间的推移、温度的变化，环氧树脂和透明塑料盒的壁会裂开，水会进入电路中，同时不同的热胀冷缩系数也会引起电子元器件的损坏，从而引起电路的损坏。

       三种结构的光电直读模块的光电传感器均为发光二极管、光敏三极管组成，每一块水表上共有20个发光二极管，20个光敏三极管，这40个器件，只要任何一个损坏，抄表的数据就会发生错误，根据国外最大的光电管生产厂家TUSHY-BA的光电传感器的材料，光电传感器的失效率，每年为千分之一左右，那么40个光电管的失效率，计算下来就是每年百分之四左右，目前国内安装的光电直读水表，新装的水表每年的维修率也在4%左右，和光电管的故障率基本吻合，所以说光电直读表是一项复杂且故障率较高的产品。另一方面，根据光电传感器的技术参数，光电管的平均寿命为大约为10年，所以光电直读表的电路的寿命也做多是10年左右。

       湿式表的光电直读电路随着时间的推移，一旦出现故障，电子模块根本无法维修且更换困难，大大增加了管理单位后期维护的成本。

       五、未来的出路

       光电直读水表自二十年前发明以来，2000年前曾在法国、以色列进行了短暂的安装外，总计安装大约不到5万块，当时在国外使用的是干式水表而不是湿式的光电直读水表。在2000年美国的TI公司推出TMS3723B无磁传感器芯片后，基于机械字轮式的光电直读水表表现在已被一种新型的无磁传感电子水表所替代，先进的采用无磁传感技术的水表或超声波技术的水表尽管在国内水行业尚未被认可，但在国外水行业已经被推广。综上，无磁水表、超声波水表、电磁水表在国内水计量行业的发展已不再是展望。