龙8国际智能水表核心技术的分析与展望

　　文章对目前国内外智能水表主要核心技术的现状以及发展趋势作出了简要的梳理、分析与展望,对智能水表产品自身所采用的核心技术以及产品设计方法的核心技术、产品制造的核心技术等内容进行了重点的描述与点评,同时也部分介绍了智能水表产品的工作原理以及所采用的标准等情况。

　　智能水表产业经过十几年的快速发展,已经培育了一支技术素养较高的人才队伍,研发了诸多门类和品种规格的智能水表新产品,也积聚了许多的核心技术与成果,为封闭管道饮用水供水计量及其增值服务的自动化与智能化应用工作起到了不可估量的推进作用,取得了骄人的成绩。

　　在总结现有经验和技术基础上,研究与探索智能水表的核心技术、评估和预测核心技术的发展趋势,引进当代*理念和技术为智能水表的品质提升和功能拓展服务,不断推进智能水表及其相关技术的发展和进步,是摆在我国水表企业面前的重要任务和使命。

　　智能水表的核心技术主要涉及到产品自身所采用的核心技术、产品设计方法的核心技术以及产品制造的核心技术等方面。

　　智能水表产品自身所采用的核心技术是所有技术中zui为重要的部分,它体现了产品技术的*性和产品使用的附加值。随着科学技术的发展,各相关学科的交汇与融合,以及新技术、新器件的不断涌现,使智能水表新技术的选择余地变得非常的宽广。

　　智能水表产品性能所依据的技术标准目前也很充分,主要有GB/T 7781~32007《封闭管道中水流量的测量饮用冷水水表和热水水表》、CJ/T 2242006《电子远传水表》、CJ/T 1332008《IC卡冷水水表》等国家或行业标准。

　　在叶轮（或活塞）式机械水表上采集计量数据的技术目前主要有两类:脉冲式数据采集方式和直读式数据采集方式[1]。

　　该采集方式目前在国外使用得比较普遍,国内许多企业的产品也采用该种方式。脉冲采集方式的优点是结构简单、制造方便,采用普通的传感元件、累加电路及运算算法就能方便地将水表叶轮减速后的转速脉冲转换成用水量数值。为了消除混杂在有用信号中的干扰脉冲（如:叶轮转动时的抖动、外部电磁场影响以及其它人为干扰等形成的脉冲）,通常使用双传感元件技术以及数字滤波和滤噪算法等技术。该采集方法的主要缺点是,水表内需要电池供电、干扰脉冲很难*消除、断电后需要对水表内计量数据进行重新初始化等等。随着高可靠性、长寿命电池的研发成功,抗干扰技术的逐步完善,以及短距无线抄表技术的推广应用和瞬时流量的检测需要,脉冲式数据采集方法仍将会有更广阔的用武之地。

　　直读式数据采集方法应用于智能水表的历史不是很长,它的核心部分是对机械计数器字轮位置的编码技术。由于采用了光电或其它物理方式的位置编码传感器和科学的编码算法,使得这种方式采集到的用水量数据与人眼直接抄读字轮数字的结果是*一样的,而且水表内不需自带电池供电（抄表系统需要采集数据时,只要通过总线向直读式水表供电并自动采集数据即可;对于短距无线抄表系统,该水表则必须自带电池供电）,表内数据在不供电状态下永远不会丢失。long8-龙8(国际)唯一官方网站该采集方式的缺点是编码器结构及信号识别和处理方式比较复杂、制造成本和制造工艺要求相对较高等。通常情况下,这种采集方式很少受到外部干扰影响,并在有线抄表系统中不需内置电池供电,因此是目前国内深受欢迎并且很有发展前景的一种数据采集方法。

　　信号处理技术的主要作用是使水表中流量传感器输出的测量信号经过其处理后得到符合规定准确度要求的用水量或控制量等信息,进而实现智能水表的水计量功能以及相关拓展功能。

　　可以将智能水表分成两大类,一类是采用传统机械水表（叶轮式或活塞式）为流量传感器,带有电子装置的智能水表,如目前用的比较普遍的卡式预付费水表、直读式和脉冲式电子远传水表、电子阀控水表等等;另一类是采用现代流量计传感与信号处理技术,具有前一类水表相同功能的智能水表,如射流水表、电磁水表、超声水表、涡街水表等等。在新颁布的水表标准和国家标准中,将*类智能水表称为“带电子装置的机械水表”,而后一类智能水表则称其为“电子水表”。

　　带电子装置的机械水表由于流量传感器输出的被测量通常是标准幅值的脉冲信号、频率信号或数字量信号,因此涉及到的信号处理技术主要是针对数字量或准数字量的处理,可直接由表内计算机进行数字信号处理和运算,通常不需模拟放大、滤波等信号处理电路的介入;而电子水表其流量传感器输出的被测量是以电平微弱信号（如电磁水表）、低频微弱信号（如射流水表、涡街水表）、脉冲微弱信号（如超声水表）等为主,因此会涉及到低频小信号或微弱信号的预处理,然后再送计算机处理[2]。

　　信号处理技术主要包括了:低频、极低频小信号或微弱信号处理技术,模拟有源低通、高通、long8-龙8(国际)唯一官方网站带通滤波技术,信号放大与整形技术,电源供电稳定技术,锁相环频率稳定技术,数字滤波及信号识别技术,单片计算机（MCU） /数字信号处理器（DSP）等嵌入式软硬件技术等等。

　　智能水表的主要功能之一是可方便地实现自动抄表。自动抄表的技术基础是计算机数据通信,它涉及到数据通信的物理器件与接口、通信协议、通信安全机制等技术[1]。

　　目前水表自动抄表系统采用的通信网络主要有:无线自组局域网、有线自组局域网和人工辅助机器抄收（采用手抄器）等组成。无线自组局域网内网采用的网络技术有: Zigbee、Z-Wave、Waveniss等技术,外网采用的网络通道有: PNSP （公用网）、GPRS/CDMA （公用无线网）等;有线自组局域网内网通常采用M-BUS或RS-485总线通信技术,外网与无线自组网情况相同。所有水表终端除了带有有线/无线网络应具有的接口电路外,还可设置光电收发接口。

　　预付费水表通过数据交换卡将缴费信息传递到卡式水表和上位计算机的管理终端,其数据交换也是需要接触式或非接触式的数据通信技术及其安全机制作保证。

　　抄表系统的通信协议目前执行的是城镇建设行业CJ/T 1882004《户用计量仪表数据传输技术条件》和建筑工业行业JG/T 1622009《住宅远传抄表系统数据专线传输》标准,其中通信数据的安全性执行GB/T 15277《信息处理64bit分组密码算法的工作方式》和GB/T 179011《信息技术安全技术密钥管理》等国家标准。

　　根据前述,智能水表有“带电子装置的机械水表”和“电子水表”之分,其流量传感器（即基表部分）也有带机械运动部件的“叶轮式/活塞式等流量传感器”和无机械运动部件的“射流/电磁/超声/涡街等流量传感器”两大类。智能水表在流量测量范围内的计量准确性,即流量测量特性主要也是由这两类传感器的特性决定的,因此其误差曲线的形状（即仪表系数的变化轨迹）、流量测量范围、小流量计量特性等都是表征其流量测量特性品质的主要技术指标[2]。long8-龙8(国际)唯一官方网站

　　叶轮式流量传感器的流量测量特性（即测量误差曲线）可以通过内部或外部调整机构使误差曲线作平行移动,也可通过水表计量机构关键零部件的设计改变使误差曲线的形状更加符合测量要求;无运动部件的所谓固体流量传感器由于自带计算机和电子显示装置,因此可以较方便地对其流量测量特性进行形状修正和平移调整,但前提是传感器的测量重复性必须符合要求。

　　带机械运动部件的叶轮（或活塞）式流量传感器的性能受加工、装配精度的影响很大,产品一致性难以做得很好,而且误差曲线不易校正,计量数据的输出需要经过较复杂的转换,尤其在水质不好条件下工作会明显影响产品的使用寿命和测量准确性。为此,无运动部件的“固体式”新型流量传感技术可以解决这一问题。根据目前已经研究成功的新型流量传感器来看,通过模具一次成型技术加工的流量传感器,可以做到装配方便、调试简单、产品一致性好、成本低等特点。

　　智能水表的设计技术分为一次仪表（即流量传感器部分）的设计和二次仪表（即信号处理部分）的设计两大类。一次仪表设计技术主要涉及到传感器的机械结构、承压强度和流量测量特性等内容,二次仪表则涉及到模拟与数字信号的设计以及嵌入式系统软硬件的设计等内容。

　　以计算机辅助设计（CAD）为基础的电子设计自动化（EDA）已渗透到电子系统和集成电路（ASIC）设计的各个环节。用EDA设计电子电路具有设计效率高、设计周期短、设计可优化、设计高质量等特点,同时还具有降低设计成本、共享设计资源、可充分发挥设计人员创造性等优点。EDA主要可以完成以下三方面的设计工作:印制电路板（PCB）设计、可编程（PLD）数字系统设计（包含FPGA、CPLD、ISP、SOPC等）、IC设计（定制ASIC、SoC等）,详见图1所示[3]。

　　目前用的zui多的电路通用仿真软件是Cadence公司出品的OrCAD的OrCAD PSpice A/D,它集成了模拟电路与数字电路的仿真算法,可以仿真模拟电路、数字电路以及模数混合电路。OrCAD软件系统框图见图2。OrCAD PSpiceA/D软件的电路特性分析的主功能有:直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、通用参数扫描分析、温度分析、傅立叶分析、噪声分析、灵敏度分析、zui差情况及蒙特卡罗分析等[4]。

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