結(jié)合超聲波水表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用初探

李富維

（太原市自來水公司，山西 太原 030051）

1 前言

水表作為供水企業(yè)貿(mào)易結(jié)算的主要儀表之一，在供水企業(yè)中處于舉足輕重的地位，但是大口徑水表數(shù)量較少而且計量水量較大，因此，大口徑水表的計量準(zhǔn)確與科學(xué)管理，將對供水企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益產(chǎn)生直接影響。

目前，供水企業(yè)普遍采用機械式水表計量、現(xiàn)場定期人工抄表和巡檢的管理模式。然而這種模式存在著計量和管理上的弊端：機械水表的結(jié)構(gòu)特性（始動流量較高、壓損大、不可避免的自然磨損等因素）導(dǎo)致水表計量失準(zhǔn)；人工定期抄表和巡檢不能及時發(fā)現(xiàn)和解決水表故障問題，無法及時了解用戶用水高低峰的詳細情況，不便于分析該水表計量性能是否適合用戶用水情況。鑒于此，文章引進一種新型電子水表—超聲波水表。通過對超聲波水表與機械式水表計量的性能指標(biāo)進行比對，并結(jié)合實際應(yīng)用效果和經(jīng)濟效益分析，可以預(yù)期超聲波水表的合理選型與應(yīng)用，可降低供水企業(yè)漏損率，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，將現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心，通過監(jiān)控軟件實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的無線監(jiān)控，實現(xiàn)了大口徑水表的科學(xué)管理。

總之，超聲波水表與遠程監(jiān)控系統(tǒng)綜合應(yīng)用，可以實現(xiàn)供水企業(yè)在經(jīng)濟效益和大口徑水表管理水平質(zhì)的突破。

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成及原理

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成部分及原理

監(jiān)控系統(tǒng)主要由水流量測量設(shè)備超聲波水表、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)控中心和終端用戶4部分組成。該系統(tǒng)以超聲測流原理的超聲波水表進行計量，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊從GPRS網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)，并經(jīng)由串口線發(fā)送給超聲波水表；超聲波水表返回的數(shù)據(jù)按原路反向傳輸至監(jiān)控中心，終端用戶通過internet訪問監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控。原理見圖1。

圖1 無線監(jiān)控原理框圖

2.2 超聲波水表測量原理

超聲測流原理是利用超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，當(dāng)超聲波在水中傳播時，水的流動將使傳播時間產(chǎn)生微小變化，其傳播時間的變化正比于水的流速。當(dāng)零流量時，兩個傳感器發(fā)射和接收聲波所需的時間完全相同；當(dāng)水流動時，逆流方向的聲波傳輸時間大于順流方向的聲波傳輸時間。

圖2描述了超聲波水表的測量原理。

圖2 超聲測流原理圖

式中：A：超聲波上游傳感器；

B：超聲波下游傳感器；

t1：為超聲波在正方向上的傳播時間；

t2：為超聲波在逆方向上的傳播時間；

D：管道直徑；

V：管段中水的流速；

C：超聲波在水中的傳播流速。

由數(shù)學(xué)模型可以推出：V∝f（t2-t1）。由于C>>Vsinα，所以時間差t2-t1很短，時間檢測分辨率<1ns，這一指標(biāo)是決定超聲水表始動流量的重要因素。

3 監(jiān)控系統(tǒng)特色

3.1 超聲波水表較機械水表的性能優(yōu)越性

3.1.1 特性流量參數(shù)對比

表1 DN150 mm水表特性流量參數(shù)對比表 m3/h

根據(jù)旋翼式機械水表與超聲波水表說明書的理論參數(shù)，對兩種水表的特性流量參數(shù)對比見表1（以DN150 mm口徑水表為例）。

通過表1比對分析，超聲波水表有較大的量程，常用流量極大，始動流量極低，可以滿足各種用水狀態(tài)的使用。從始動流量分析看，用戶在0.318~0.55 m3/h狀態(tài)運行時，機械水表不計量，而超聲波水表可以計量，一天按照10 h計量，一年可為企業(yè)減少1 800 m3左右水量損失；大流量看，假如用戶超過200 m3/h狀態(tài)運行時，機械水表已經(jīng)超過它的超載能力，長期運行嚴(yán)重損壞其計量元件，極易造成水表卡字走停及計量失準(zhǔn)，按照每小時200 m3運行，一天10 h計量，若發(fā)現(xiàn)不及時，一天可損失水量2 000 m3，對于超聲波水表來說，由于無運動元件，且這個流量介于分界和常用流量之間，可以正常計量。

3.1.2 性價綜合對比

以DN150 mm機械水表和超聲波水表的性能、特點和價格綜合方面進行評價，見表2。

表2 綜合評價對比表

綜合評價分析，超聲波水表雖采購價格較高，但從水表特性流量數(shù)看，減少漏計的水量遠遠超過水表的價格，況且超聲波水表壓損極小，寬量程比、使用壽命較長，重量輕，便于維修檢定，并且其本身帶有數(shù)據(jù)采集及信號輸出功能，容易構(gòu)成遠程監(jiān)控系統(tǒng)，綜合來看，超聲波的性價比遠遠優(yōu)于旋翼式機械式水表。

3.2 現(xiàn)場比對分析

在山西大學(xué)安裝一只DN200 mm的超聲波水表與原使用的旋翼式機械水表進行了串聯(lián)比對試驗，經(jīng)過近一年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

表3 試驗數(shù)據(jù)

通過比對實驗發(fā)現(xiàn)，超聲水表比機械式水表多計量3.10%，而且隨著機械式水表的磨損，兩者相差有越來越大的趨勢。換算成水量，一年可減少損失約11 288 m3，可見，利用超聲波水表，可減少供水企業(yè)水量損失，提高供水企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3.3 從大口徑水表監(jiān)控方面分析

將小店部分用戶DN150 mm旋翼式水表更換為超聲波水表，并用遠程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的超聲波數(shù)據(jù)分析原來水表的使用情況，得出結(jié)論如下。

3.3.1 建立監(jiān)控系統(tǒng)，可對用戶用水狀態(tài)進行實時監(jiān)控

通過監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)顯示功能顯示，供水企業(yè)和用戶可以足不出戶，實時查看水表的瞬時流量、累積流量等相關(guān)信息，對瞬時為零用戶，供水企業(yè)可調(diào)查分析出現(xiàn)這種情況的原因，進行針對性的處理。見圖3，對于33所用戶，2011年3月12日數(shù)據(jù)一直未上傳，營銷部通過現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)，表井被大量煤堆覆蓋，嚴(yán)重影響信號傳輸，通過及時清理，恢復(fù)正常?？梢?，通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可及時發(fā)現(xiàn)各種突發(fā)情況，便于及時處理解決問題，有效降低企業(yè)的損失，同時避免和用戶發(fā)生因水量估算而產(chǎn)生的糾紛。

圖3 實時數(shù)據(jù)顯示界面圖

圖4 日期和瞬時流量對應(yīng)折線圖

圖5 日期和瞬時流量對應(yīng)折線圖

3.3.2 建立監(jiān)控系統(tǒng)，可隨時分析水表選型是否合理

從慶云街富士康水的上日期和瞬時流量折線圖（見圖4）可以看出，原來旋翼式水表（過載流量為200 m3/h）長期處于超過常用流量狀態(tài)下及過載流量狀態(tài)下，水表的易損件加速磨損，造成水表卡字走?，F(xiàn)象，嚴(yán)重影響水表的計量性能，給供水企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。因此，旋翼式機械水表已經(jīng)不適合該用戶使用，該用戶用水量波動較大，適合使用寬量程比、穩(wěn)定性高的超聲波水表。

3.3.3 監(jiān)控系統(tǒng)分析出原來機械水表對較小流量漏計問題

從電子街富士康水表的日期和瞬時流量折線圖（見圖5）可以看出，原來旋翼式水表用戶長期處于始動流量（0.55 m3/h）狀態(tài)以下運行，該機械水表不計量，而更換為始動流量極小的超聲波水表，可計量機械水表始動流量值之下的流量。按照每小時0.3m3，每天按15 h計算，比原來機械水表一天多計量4.5 m3，一年多計量1 600 m3左右，為供水企業(yè)減少了不必要的損失。

通過上述分析，使用遠程監(jiān)控系統(tǒng)還可以隨時分析口徑及量程和流量的匹配程度，并掌握每個大用戶的用水變化規(guī)律，進而建議使用最適合用戶的水表型號規(guī)格，這樣可解決大表小流量，小表大流量等水表選型不合適的問題。

4 結(jié)束語

超聲波水表的使用和無線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以提高供水企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益，而且使大口徑水表的計量管理水平有了質(zhì)的飛躍，也為企業(yè)的節(jié)能降耗、和諧發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.冷水水表國家計量檢定規(guī)程（JJG162-2009）.北京：中國計量出版社，2009.

[2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.封閉滿管道中水流量的測量飲用冷水水表和熱水水表國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T778-2007）.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3]詹志杰.水表技術(shù)手冊.北京：中國計量出版社，2009.