摘要：
基于无线数传技术的大口径预付费水表由无线IC卡阀门控制器和无线超声波水表两部分组成。无线IC卡阀门控制器采用可更换锂电池供电、一体式控制器控阀结构及全密封的防水设计。无线超声波水表采用数字化计量，定时将计量数据以无线方式传递给控制器，实现控制器数据的结算与控制。采用这种分体式、无线数传、超声波计量的设计，可有效提高大口径预付费水表的稳定性及可靠性，对于建设节水型社会具有重要意义。
关键词：预付费 大口径 超声波水表 控制 无线
一、前言
水是生命之源，无论是人类的生存还是社会的发展都离不开水。然而，近年来水资源大量流失，环境严重污染，严重影响到人类的正常生活。 十八大报告提出“加强水源地保护和用水总量管理，建设节水型社会”，报告也指出“集约利用资源，推动资源利用方式根本转变，提高利用效率和效益”、“坚定水资源的可持续发展”。可见水资源的管理已经到了刻不容缓的时刻。大口径水表，应用范围广，例如学校、企业、矿区、小区、果园灌溉等场合，均需要大口径水表对水资源进行管理。同时，在自来水公司大口径水表一般计量70%至80%的用水量。因此，如何科学的管理大口径水表对于水司的效益也至关重要。
常见的对水资源的管理是在机械式大口径水表的基础上增加了发讯装置和电子采集模块，因此可以方便的对大口径水表进行抄读，实现了抄表的便捷与高效。但仅有远程抄读功能，对于水资源的管理是不完整的，不能有效的遏制水资源的浪费现象。因此就迫切需要通过一种方式，将水资源与消费群体的利益联系在一起，通过先付费后用水，多用水、多付费的方式实现水资源的管理。大口径预付费水表就是在这种背景下产生的。
二、传统的大口径预付费水表遇到的难题
传统的大口径预付费水表由于基表、阀门体积大等原因，一般由控制器、电动阀门、发信水表三部分组成，三部分之间采用通讯线缆的方式连接，如图1所示。因此，在实际应用中存在一些难题。
1、 供电难，不易取电。大口径水表的阀门驱动一般需要1至2A的电流，动阀时间长，一般为1分钟左右，DN300及其以上的阀门动作时间更长。因此电路设计一般选用市电供电，以保证阀门的正常运行。而大水表实际使用的环境又比较复杂，甚至有的比较偏远，因此不易取电。即使能够取电，也存在停电的风险，因此传统的大口径水表内置蓄电池用于续航，而续航能力往往又有限。
2、 使用环境恶劣，防水、防潮难。众所周知，水气是电子元器件的天敌，会导致电子系统的瘫痪。控制器与阀门之间，控制器与发信水表之间采用有线连接，在潮湿的环境下工作久了，接线头之间会锈蚀，会接触不良，传感器会受潮，阀门电机会生锈，更何况市电供电本身也存在安全隐患，这些都是不易解决的问题。
3、 阀门锈死，开关阀无效。对于大口径阀门，普遍采用电动球阀。大口径的球阀加工精度高，造价昂贵，如管道中有杂质，很容易被杂质堵塞，导致阀门无法打开。有些厂家甚至对阀门做了定时开关阀，希望能够通过阀门的动作保持阀体表面的清洁，但效果也不是很好，原因是电动球阀阀门与管道壁接触面积太大，摩擦力本来就大，一旦锈死，根本无法动作。
4、 信号线受腐蚀，计量失效。采用脉冲方式计量的水表使用的传感器无外乎干簧管、霍尔、维根等。虽然通过灌封硅胶、环氧树脂等方式保护传感器不受潮，但水气、潮气通过接线口或信号线端子侵蚀信号线，也会侵蚀传感器。就算传感器没有损坏，信号线也会严重氧化，阻抗也会发生变化甚至断裂，导致计量失效。
5、 机械水表存在压损大、卡字轮、始动流量大的缺点。由于原理性结构限制，机械水表压力损失一般在60K Pa左右，字轮、齿轮在使用过程均存在磨损现象，6年后需要重新拆卸字轮，调整更换零部件。使用过程，由于水质原因也会频繁发生大口径水表字轮卡死的现象，更严重的是几乎所有的发信水表传感器的计量依赖于机械部分，机械部分的损坏会直接导致电子计量的失效，给管理方带来麻烦。加之机械水表始动流量大，误差大，也会造成水资源的浪费。
三、无线数传大口径预付费水表介绍
新天科技研发的无线数传大口径预付费水表，集多项技术为一体，采用锂电池供电、全密封灌胶处理、电动蝶阀、超声波计量、无线数据传输的方式彻底解决了传统大口径预付费水表存在的取电难、防水防潮难、阀门控制不易、计量不准确的难题。
无线数传大口径预付费水表由无线IC卡阀门控制器和无线超声波水表两部分组成，如图2所示。无线IC卡阀门控制器将智能控制模块与大口径阀门合为一体，锂电池供电，壳体采用铝合金材料，内置无线收发模块，用于接收来自超声波水表的计量信息。超声波水表内置无线发射装置，定时将计量信息发送给控制器。这样一发一收，控制器不断刷新用水信息，当用水量不足时，控制器便关闭阀门，实现预付费功能。
新天无线数传大口径预付费水表特点：
1、 可更换锂电池供电，彻底解决大口径水表安装环境偏远，不易取电的难题。无线数传大口径预付费水表采用锂电池供电，电路设计采用自动降耗技术，确保电池的更换周期在6年以上。更换电池时，只需要使用工具将控制器外壳打开，取出电池仓，更换电池即可。
2、 全密封灌胶，彻底解决大口径水表防水防潮问题。为确保产品的密封性， 我 公司根据大口径预付费水表控制模块的尺寸、特点设计控制模块密封舱，确保控制模块的灌封能够达到密封效果。为确保电池、电机密封，设计一体式大口径无线IC卡阀门控制器结构(ZL 2012 2036 5260.5)。正因为电池、电机全密封，接线头密封，显示屏全密封，主控板全密封，因此，新天的预付费大口径水表防护等级可以达到IP68，预付费大口径水表的现场安装环境，如下图3：
3、 使用电动蝶阀，解决阀门锈死难题。由于蝶阀具有结构简单，体积小，重量轻、材料耗用省，安装尺寸小，开关迅速，90°往复回转，驱动力矩小等特点，广泛用于接通、调节管路中的截止，蝶阀在我国70年代已开始推广使用，尤其在水治理方面应用广泛。由于蝶阀与管道接触面积小，摩擦力相对也小，因此不易锈死，将电动球阀替换为电动蝶阀，并配合定时开关阀，便可解决阀门的锈死难题。
4、 无线数据传输，控制器数据定期刷新，解决脉冲水表存在的误差累计问题、计量失效问题。无线IC卡阀门控制器与无线超声波水表均做密封处理，两者之间采用无线方式进行数据传递，系统独立，稳定可靠。阀门控制器每次结算的数据均为无线超声波水表的当前数据，因此不会产生累计误差，不会发生计量失效。
5、 水表使用超声波计量，压力损失小，始动流量小，计量更准确。超声波水表使用专用的计量芯片GP22用于计量，具有计量精度高，测量分辨率高，量程比宽的特点。超声波水表为直管段结构，压力损失小，一般为10 KPa,较机械表小。超声波水表不必区分安装方式，不必区分温度等级，较机械式水表应用范围更为广泛。超声波水表采用直管段方式计量，由于没有机械磨损，使用寿命较机械表更长。
四、新天无线数传大口径预付费水表关键技术
1、 全新的电池解决方案——有效延长电池使用寿命
智能水表的供电问题一直困扰着水表厂家，智能水表的供电大多由锂电池供电和干电池供电两种供电方式。锂电池一直是智能水表供电设备的首选，但是这种电池钝化问题突出，从十几年的数据来看，锂电池的钝化问题是不可避免的，钝化是一个化学特性，具体表现在电池使用两三年以后，不能够释放大的电流即不能够驱动阀门，此时往往被误判为电池无电和使用寿命短。因此锂电池如何激活在行业内一直是个难题。
随着电池应用技术的发展，锂电池使用寿命短的问题已得到解决。新天采用的方案是在控阀的时候用恒流源把电池电压导在一个储能原件上，在控阀的时候使用储能元件上的能量来控制阀门，这样就解决了电池钝化后不能提供大电流的问题，而电池的使用寿命也会随之大大延长，经过反复老化测试，该方案彻底解决了电池寿命短的难题。
2、 四象限补偿及自动消温技术，小流量稳定度高，温度影响小。
超声波信号是通过换能器发送出去的，但是换能器的参数不统一便会造成小流量不稳定，新天超声波水表通过四象限补偿测量的技术有效补偿了换能器参数不统一的问题，从而解决了小流量不稳定的问题。
由于超声波声速信号会随着水温变化而变化，所以超声波测量结果在一定程度上也会受温度的影响，但是新天超声波水表采用了声速和温度折算的自动消除声速技术，从而使表精度完全不受水温影响。计算公式如下：
注：t1、t2为顺流时间和逆流时间，△t为顺逆差，C为流量系数，k为口径系数
3、 相位鉴别技术，始动流量小。
新天通过 “流速差—相位差—电压差—时间差”的测量方法可同时对多个波形进行鉴别，从而实现时间差的精密测量。采用此项技术，水流的微小波动，即可测量出来。因此新天超声波表采用独有相位鉴别技术，配合超声波流量测量电路发明专利技术，既实现流量的高精测量，又保证了表的始动流量做到更低。
4、 采用七段误差修正技术，误差好、测量范围宽。
大口径超声波水表的流量计量通过测得顺流逆流的时间差来测得水流的速度，然后与分管道口径面积进行积运算测的一定时间内的水流量，然而，同一口径的超声波流量基表，虽然铸造磨具相同，但截面积存在着微小的差异，同时不同水温超声波传输的速度也存在差异，我们设定了7组修正系数用于补偿这种微小的差别，可以达到流量计量的准确，如图5。（专利：一种流量数字修正自动补偿测量装置专利号：ZL200820070975.1）
5、 反射片可定位的超声波管段设计，保证了超声波测量的准确性。
当前，大多数厂家生产的超声波仪表都是利用超声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。在利用超声波测流量的实际应用过程中，两个反射片的角度及位置正确与否、两个反射片与两个换能器的位置正确与否直接影响到超声波测量流体流量的精度。
新天因此设计了一款结构简单、容易定位、易于批量化生产的超声波反射片可精确定位的结构件。采用此设计大大的提高了超声波测量流体流量的精确度，更易于批量化生产，彻底解决了现有超声波测量管段流体流量时由于反射片位置、换能器位置不正确而引起的测量不精确的问题。
五、结束语
掌握核心技术，产品精益求精是新天的核心竞争；不断改进，追求零缺陷是新天的质量理念；创新才有价值，简单才能可靠是新天的研发理念。十几年来，新天科技依靠先进的研发理念，为市场推广出了一系列高品质的产品，比如非接触式IC卡预付费水表，无线自动路由远传水表，M-BUS光电直读远传水表，M-BUS电子远传水表，超声波水表、电磁流量计等。由于市场需求的多样化，传统的智能表无法适应数字化、网络化的发展，也已无法满足客户的定制需求，作为智能水表行业的代表，新天科技会一如既往的努力，为越来越多的客户定制特殊的产品，为智能水表行业做更大的贡献。我们相信，在不久的将来，智能水表行业会呈现出更多的、创新型的智能水表产品。
