智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

程海鋒 潘樂

【摘要】智能水表相較于傳統(tǒng)水表在產(chǎn)品計量性能提升和功能拓展等方面有著明顯的優(yōu)越性。本文簡述了智能水表的定義及種類，對幾種智能水表的工作原理、特點、應用現(xiàn)狀和優(yōu)缺點進行了概述和分析;針對未來智能水表行業(yè)的發(fā)展，提出智能水表技術應重點關注提升計量性能、拓展功能和構(gòu)建智能水表系統(tǒng)等方面;從規(guī)范我國智能水表產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的長遠角度出發(fā)，指出了完善我國智能水表技術標準體系的重要性。

【關鍵詞】智能水表;機械式水表;電子式水表;計量

【DOI 編碼】10.3969/j.issn. 1674-4977.2022.02.016

The Develoμment Status and Trend of Smart Water Meters

CHENG Hai-feng，PAN Le

（Jiangsu Institute of Metrology，Nanjing 210007，China）

Abstract：Compared with traditional water meters，smart water meters have obvious advantages in terms of product measurement performance improvement and function expansion. This article briefly describes the definition and types of smart water meters，and summarizes and analyzes the working principles，characteristics，application status，advantages and disadvantages of several smart water meters. In view of the future development of the smart water meter industry，it is proposed that smart water meter technology should focus on improving metering performance，expanding functions，and building smart water meter systems. From the long-term perspective of standardizing the healthy development of my country's smart water meter industry，it points out the importance of improving my country's smart water meter technical standard system.

Key words：smart water meter;mechanical water meter;electronic water meter;meterage

水表是一種日常用水計量器具，在用水及水資源管理方面有著不可替代的作用。智能水表作為一種以微電子技術、傳感技術等為支撐，以信息化管理為依托發(fā)展起來的高新技術產(chǎn)品，在產(chǎn)品計量性能提升和功能拓展等方面有著明顯的優(yōu)勢。它的應用為水務公司的供水管理提供了便利，解決了用戶住宅私密性的問題，成為水務部門和用戶建立信息化服務的重要渠道。

1智能水表的定義和分類

智能水表的定義為：以準確的傳感與信號處理單元（包括使用廣泛的高性能葉輪式或活塞式流量傳感機構(gòu)及機電轉(zhuǎn)換裝置）、內(nèi)置嵌入式計算機系統(tǒng)和算法、各類輸入輸出接口及（或）電控執(zhí)行器等為依托，具有或部分具有流量參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)處理、通信、顯示、電控執(zhí)行器受控及網(wǎng)絡接入等功能的全新電子類水表產(chǎn)品[1]。參考水表現(xiàn)行的國家標準，可將智能水表分為帶電子裝置的機械式水表與電子式水表兩大類。

1.1帶電子裝置的機械式水表

這類水表的特點是基表采用傳統(tǒng)的機械式水表，通過在水表上設置機電轉(zhuǎn)換裝置，將原水表的機械讀數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號數(shù)據(jù)，由水表內(nèi)部裝設的信號處理元件或電控閥等機構(gòu)對數(shù)據(jù)進行采集、傳輸和儲存，按結(jié)算交易方式的要求進行自動或人工控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳通信、預付費、閥控等功能。

1.2電子式水表

所謂電子式水表，就是流量傳感部分不含機械運動部件的水表，國外也有稱其為固態(tài)水表（Solid State Water Meter）[2]，用無機械運動的電磁、超聲、射流等原理，具備測量準確度高、范圍寬、使用壽命長、壓力損失小、長期工作穩(wěn)定等特性[3]。

目前，已投入應用的智能水表產(chǎn)品主要有在機械式水表上加裝電子裝置的電子遠傳水表、電子遠傳閥控水表、預付費水表以及可帶數(shù)據(jù)遠傳與閥控功能的超聲波水表、電磁水表等。

2智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1帶電子裝置的機械式水表

日常應用中比較普遍的帶電子裝置的機械式水表主要有以下三種。

1）脈沖式遠傳水表

通過表具持續(xù)發(fā)出脈沖信號，再由采集器將脈沖信號進行采集、累加、存儲，最后將數(shù)據(jù)上傳。因技術較為成熟，應用推廣方便，目前國內(nèi)已普遍采用。

從技術角度而言，脈沖式遠傳水表有以下問題：脈沖式遠傳水表發(fā)出的信號是脈沖，處理器將脈沖累加成數(shù)據(jù)，在累加過程中易受到干擾，比如線路通訊中斷、斷電現(xiàn)象或核心部件的永磁體受到磁干擾導致脈沖信號丟失，都會引起累加過程中斷導致數(shù)據(jù)錯誤，造成供水公司的利益損失;進行故障排除時，需對水表進行人工抄讀后再將表的實際數(shù)值重新輸入數(shù)據(jù)采集器進行初始化，維護的工作量大且難以預測，大面積推廣時需要足夠的人力物力來保障系統(tǒng)的正常運行。

2）直讀式遠傳水表

其工作原理是在水表碼盤相應位置裝置紅外收發(fā)光電管、電阻或金屬觸點，當碼盤轉(zhuǎn)至某一刻度時系統(tǒng)供電抄表，由水表自帶電子模塊完成信號采集、數(shù)據(jù)處理、存儲，并將數(shù)據(jù)通過通信線路上傳至集中器或手持式抄表器，需要時再將所抄數(shù)據(jù)上傳至計算機管理中心。常見的有光電直讀式、攝像直讀式、觸點直讀式、計數(shù)直讀式等類型。

直讀式水表最大的特點是：①無源。平時不需供電，只需在抄表瞬間供電，基本無功耗，因此不怕斷電斷線，工作時可免受機械振動或是磁干擾，增強了運行系統(tǒng)的可靠性。②直讀。因為直接讀取表盤顯示的數(shù)據(jù)而非累計脈沖數(shù)，從理論上講可以保證水表機械讀數(shù)與抄表讀數(shù)一致，避免了用戶與供水部門由于數(shù)據(jù)不一致而導致的矛盾。

直讀式水表后期維護無需對集中器進行初始化，減少了維護工作量。但從技術上來說，直讀式水表光電轉(zhuǎn)換、編碼技術等對制造工藝、裝配等工藝要求苛刻，制造成本較高，不利于規(guī)模化生產(chǎn)與推廣。某些傳感器因應用條件的限制，效果也有待進一步考察。

3）預付費水表

預付費水表是在機械式水表的指針或齒輪組某個位置加裝傳感器（光電管或干簧管等），將機械讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號參數(shù)進行采集、儲存，并通過增加智能模塊、智能卡和電控閥等，來實現(xiàn)水表的提示、控制、保護、報警等功能（如用水累積、購水提示、低電壓提示、開關閥、磁干擾報警等）[4]。常見的預付費水表有接觸式IC卡水表、非接觸式射頻卡水表等。預付費水表最大的優(yōu)勢是用戶需預先繳費，不繳費時可自動斷水，有效地提高了供水部門水費的回收且不需要人工抄表收費，減輕了負擔。

實踐中預付費水表存在以下問題：①長期的使用過程中，由于水中雜質(zhì)、水垢或銹蝕等影響電控閥性能，導致開關閥困難、不到位等問題，引發(fā)用戶和供水部門的矛盾。②電控閥功耗較大，電池在長期的使用過程中能否達到要求。③智能卡被盜或被破解后引發(fā)的糾紛。

現(xiàn)階段，有不少遠傳水表加裝控制閥，可遠程控制開關閥或?qū)︻A付費水表增加遠傳功能，從而方便實現(xiàn)動態(tài)管理。

2.2電子式水表

電子式水表的流量傳感技術更優(yōu)異、更先進。與機械運動的水表相比，電子式水表在當前的智能水表中發(fā)展較為迅速[5]。它改變了機械式水表出現(xiàn)的誤差曲線難以校正的問題以及解決了長期應用中磨損的問題。代表性的產(chǎn)品主要有超聲波水表、電磁水表等，目前國內(nèi)有多家水表生產(chǎn)企業(yè)已成功研制并生產(chǎn)該類型產(chǎn)品，逐步提升國內(nèi)水表市場的占有率，部分已批量出口至國外。

1）超聲波水表

超聲波水表是通過檢測超聲波束在水中順流逆流傳播時因速度發(fā)生變化而產(chǎn)生的時差，分析處理計算出水流量的一種新式水表。超聲波水表的主要特點：測量管內(nèi)無運動部件，壓損小;測量范圍寬、具有較好的小流量檢測能力;幾乎不受水質(zhì)影響等。

2）電磁水表

電磁水表是利用法拉第電磁感應原理，通過測量水流經(jīng)測量管時切割由恒定磁場產(chǎn)生的磁感線而產(chǎn)生的感應電動勢的強弱來確定被測介質(zhì)的流速，進而求得流量值。電磁水表具體樣式見圖1。電磁水表的主要特點：傳感器結(jié)構(gòu)簡單，測量管內(nèi)無運動部件，壓損較小;無機械磨損，不受被測介質(zhì)的溫度、黏度、密度和水質(zhì)狀況等影響，量程范圍寬;無機械慣性，響應快，動態(tài)特性好。

電子水表自帶電信號輸出，克服了計量數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換的問題，在智能化方面相對機械水表有著先天的優(yōu)勢，可更方便地完成數(shù)據(jù)遠傳、預付費等功能。但電子水表目前價格偏高，也有易受環(huán)境條件干擾（振動、電磁環(huán)境等）的局限性。

3智能水表的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

3.1智能水表發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代計量技術、傳感技術和信息網(wǎng)絡化技術的發(fā)展以及社會化需求，智能水表在未來的發(fā)展體現(xiàn)在以下方面。

1）計量性能的進一步提升

水表作為一種計量器具，計量性能的提升是其最原始的要求，也是首要關注的重點。電子水表作為在現(xiàn)代水流量傳感技術和信號處理技術共同催生的一種新型水表產(chǎn)品，與傳統(tǒng)機械式水表的非線性修正難、測量范圍較窄、壓損大、長期使用后的準確性和可靠性難以令人滿意等問題相比，具有測量準確度高、壓損小、量程寬、流量特性可修正的特點，單從技術角度而言，其代表了水表產(chǎn)品的發(fā)展方向。

2）使用功能的積極拓展

隨著智能水表相關技術的發(fā)展與應用，在實現(xiàn)預付費用水和自動抄表功能的基礎上，水表測量特性的自校自檢、關閥控制、無線通信及網(wǎng)絡接入等功能也將逐步進入應用。

3）發(fā)展智能水表系統(tǒng)

在當今“互聯(lián)網(wǎng)+”新發(fā)展模式下，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，現(xiàn)在計量用的水表正由單純的產(chǎn)品向網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化、集成化的整體發(fā)展，水資源計量管理模式也由單純用水計量逐步向計量、監(jiān)測、控制等手段的系統(tǒng)化的管理模式發(fā)展。智能水表可作為物聯(lián)網(wǎng)技術感知層的智能終端，通過將獲取的數(shù)據(jù)融入互聯(lián)網(wǎng)，在平臺的支持下完成智能水表的規(guī)模化管理，真正實現(xiàn)管網(wǎng)的自動化、信息化與智能化[6]。

3.2智能水表面臨的挑戰(zhàn)

在智能水表產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，大多數(shù)智能水表雖然可用國家標準GB/T 778《引用冷水水表和熱水水表》來確定其主要性能指標，但對于一些新型產(chǎn)品如電磁水表，仍缺乏針對產(chǎn)品特有性能、功能和型式的相關標準，需盡快完善智能水表技術標準體系來指導產(chǎn)業(yè)的技術進步和健康發(fā)展。同時，智能水表的新技術仍需在實踐中進行改進和驗證，如電子水表實際應用中如何在降低功耗的前提下保證水表尤其是戶用小口徑電子水表的計量準確性、可靠性，物聯(lián)網(wǎng)表在規(guī)模化應用中可靠性等都是有待研究的問題。

4結(jié)語

水表的應用領域已由傳統(tǒng)飲用水計量逐步擴展至飲用冷熱水、供熱、農(nóng)田水灌溉、能源計量、工業(yè)生產(chǎn)排污及消防等領域。智能水表作為現(xiàn)代化科技產(chǎn)物，其發(fā)展必將以計量更加準確、使用壽命更長、功能更豐富為目標。總之，一個以水表計量性能提升、功能豐富和融入互聯(lián)網(wǎng)應用為標志的“互聯(lián)網(wǎng)十智能水表”模式將大大豐富智能水表在“智慧供水”乃至“智慧水務”等領域的應用。

【參考文獻】

[1]王秀文.智能水表的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].數(shù)碼設計，2017，6（4）：99-101.

[2]姚靈.我國智能水表技術標準體系的研究與構(gòu)建[J].中國標準化，2013（7）：66-70.

[3]王宗輝，張世豪，姚靈.智能水表技術及發(fā)展趨勢[J].儀表技術，2014（6）：45-48.

[4]李曉仲，周建軍.預付費水表的應用及發(fā)展前景分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014，13（12）：117-118.

[5]郭惠均.智能水表核心技術分析[J].科技創(chuàng)新導報，2012（25）：49+51.

[6]姚靈.“互聯(lián)網(wǎng)+智能水表2.0”推動水表產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級[J].工業(yè)計量，2015，25（6）：26-28.