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設計參考/Design Reference

物聯網時代:以固態水表淘汰落后的機械水表

-----2015-03-18

迄今為止,智能水表計量技術專注于通信網絡——將水表計數傳輸至供水公司;同時,大多數水表的精度已經引起高度質疑。目前用水計量精度不高、代價昂貴,遠未滿足涌現出的IoT技術,不能為水管理帶來任何利益;遠遠不能幫助人類真正了解凈水流向了哪里。

 

慶幸的是,我們已經做好變革準備:有一種固態水表新技術,比傳統機械水表精度更高、更為可靠。這就是超聲固態設計,現已準備好迎接IoT時代的到來。

 

水計量的長期狀態

 

目前施行的水表標準已經數十年未經修訂,允許系統中有大量的浪費;不要求水表測量每天360加侖以下的損耗率。這是當今機械水表的切實局限。同時也難以保證這些水表在任意時間周期的精度。想象一下每天360加侖實際上有多少水!按照這種“滴漏”速度,不到兩個月就能灌滿一個20,000加侖的游泳池,足夠400至700個成年男性每天的飲水量,夠每天沖60次馬桶,或者每天洗澡4次、每次10分鐘。

 

這是在散播恐慌嗎?我們僅僅是盯緊政府機構的規范以及制造恐慌、懷疑和不信任情緒嗎?非也。漏泄造成凈水浪費是不爭事實。在美國,每年因為漏泄造成的水資源浪費達到1萬億加侖;有10%的家庭每天滴漏的水至少為90加侖?;趪乐斞芯康墓浪銛祿砻?,“在發展中國家,供水系統中接近一半的水量通過漏泄、偷竊以及管理不善或污染等途徑被損耗”。全球范圍內,有很大比例的凈水在達到目的地之前被損耗。

 

真是悲??!如果我們不知道如此多的凈水都流向了哪里,如何能夠想到更高效的供水方式?如果我們不能準確判斷建筑物是否正在漏泄達到一個游泳池的水量,如何做出明智的決策?我們為什么會身陷如此情形?
 

利用機械表測量水量

 

不存在什么陰謀,流量測量確實很困難。水量測量的最簡單方式正是使用了數十年的方式——使用機械水表。水表內有一個渦輪,其旋轉與水表中通過的水量成比例,從而確定水流量。盡管這種方法使供水公司能夠針對每戶的大致用水量進行收費,但存在缺陷。因此,機械水表的不準確限制了我們準確判斷浪費掉的水去了哪里,也限制了用水管理進入現代化階段的能力,包括IoT。

 

現在使用廣泛的傳統機械水表存在兩項嚴重缺陷。第一項是純物理方面:水表中的旋翼需要一個最小流量才能旋轉。旋翼具有一定的基本阻力,必須克服該阻力才能保證在出現水流時進行旋轉。這是當今水表測量標準背后的驅動力,現行標準實際上將精度底限限制到?加侖每分鐘(即360加侖每天)。

 

機械水表的第二項嚴重缺陷是污染。想象一下廚房或浴缸水龍頭上的濾網。自從安裝以來,您曾經看到濾網真正干凈過嗎?濾網上很可能滿是令人惡心的雜質沉淀?,F在想象一下采用機械旋翼的水表問題。水表通常的測試要求為在預期量程范圍內的精度達到1%。然而,水中的雜質沉淀及其它腐蝕元件將很快限制任何機械水表的精度。實際上,最近對機械水表的研究表明,各種水表中有高達89%的比例是不準確的。機械水表在短短兩年內即超出校準范圍。機械水表發生故障時,通常表現為“變慢”,意味著供水公司不能準確測量得知水流向了何方。隨著時間推移,供水公司就要承擔一定未能收費的水損耗;為保證盈利(我們以上所述的底限),供水公司就必須分攤浪費的費用,即所有用戶分攤損失的水。

 

利用固態水表提高測量精度

 

那么,既然機械水表存在這樣的缺陷,有什么替代方案呢?顯而易見,固態水表有助于解決污染問題?,F在的流量計量領域有兩種典型的固態方案。

 

第一種固態方案是電磁式。從本質上講,在傳導性液體中產生磁場并檢測;磁場與液體流量成比例。實際應用中,電磁式水表的精度可以非常高,但要求用高精度ADC以實現測量精度,而且功耗較大、成本通常較高。盡管這種精度(以及功耗和BOM成本)對于分布式水表或參考水表可能實用,但對于住宅水表或普通水表并不實際。

 

第二種固態方案采用超聲脈沖測量水流量。其基本原理就是水管中的兩個壓電元件通過水發送和接收超聲脈沖。通過水表的水流將提高或降低超聲脈沖的速度。另一側的傳感器接收和分析脈沖,確定壓電變送器上接收到的模擬信號的相位變化,據此計算水流量。由于使用當今的高精度、高速ADC和DSP處理器接收超聲脈沖信號、轉換并確定水流量,所以管理此類脈沖測量的傳統技術成本較高、功耗較大。成本和功耗再次成為使用這種方法測量水流量的攔路虎。

 

鑒于這種情況,還有人奇怪為什么住宅水表幾乎全是機械式嗎?所以,我們沒有看到水流量普適測量也就毫不奇怪。此外,我們也沒有看到基于例如熱水系統、噴灑系統、淋雨、天然氣、煤氣罐以及其它消費設備的流量計量,除非流量測量的功耗和成本降低。

為大眾帶來高精度、經濟實惠的水測量方案

 

既然固態水表功耗大、成本高,水流量測量停留在20世紀,無法支持IoT就毫不奇怪。毫無疑問,我們需要高性價比、高能源效率的固態技術來準確測量液體流量。

 

現在,我們探討一下時間至數字轉換器(TDC)。TDC是接收開始和停止信號并準確測量時間差的電路。聽起來很簡單,但如果我告訴您要求高精度測量皮秒級的時間差并且不要求THz (1,000GHz)時鐘,又會如何?并且耗流只有微安級呢?

 

 

物聯網時代:以固態水表淘汰落后的機械水表(電子工程專輯)
圖1.流量計內的閥芯體是液體流經的管道。對于超聲流量計,閥芯體包含壓電元件和反射鏡,產生、吸收和反射超聲波。

 

基于TDC的超聲流量計(圖1)仍然使用壓電元件在上行和下行方向發送信號,并測量時間差(TDC電路的作用)。然而,需要對“開始”和“停止”信號進行大量調理,以獲得高精度測量,例如壓電元件驅動器、放大接收信號,以及溫度補償。此外,通過增加定制控制邏輯來執行多種功能:發送和測量多個脈沖、在第一個壓電元件信號時可靠觸發、記錄歷史數據、處理校準數據以及在喚醒系統微控制器之前儲存多條記錄,可顯著提高系統精度(圖2)。

 

 

物聯網時代:以固態水表淘汰落后的機械水表(電子工程專輯)
圖2.高度集成MAX35101流量計SoC的方框圖。注意模擬前端(AFE)中的集成TDC測量電路和模擬信號調理。

 

MAX35101流量計片上系統(SoC)克服了固態流量計的功耗和成本問題,有助于普及高精度流量計量。器件集成TDC測量電路、模擬信號調理,以及實現極高精度計量所需的微型DSP和邏輯;解決了迄今為止妨礙跟蹤水浪費或加入21世紀IoT的所有問題。

 

第四頁:固態水表的水測量方案的現實意義

該技術的現實利益有哪些?很多,很多...

 

- 提高精度?,F行的計量標準要求精度達到?加侖每分鐘的低流量。MAX35101在1/16加侖每分鐘的流量下可達到1%精度,這也是現在提議的測量水平,可檢測低得多的流量(無需1%的精度即可檢測到漏泄)。

 

- 延長使用壽命。超聲固態流量計沒有運動部件,不容易受腐蝕或雜質沉淀的影響,而這些原因會造成機械式水表很快超出校準范圍。這些水表在現場的工作壽命長得多,同時保證精度。

 

- 改善擁有成本。使用機械式水表時,精度會逐漸變差,或者您需要每幾年就更換水表。固態水表的工作壽命長得多。供水公司將會發現其運營成本直線下降,節省了維護和更換水表的費用。

 

- 改善BOM成本。超聲流量計SoC只需很少的器件即可執行高精度能源測量;與其它需要DSP處理器和高精度ADC的固態計量技術相比,這是非常明顯的優勢。

 

- 低功耗。流量計SoC僅給流量測量系統增加幾個毫安的功耗,所以不會造成電池成本增加。供水公司還能減小電池尺寸——又能節省成本。

 

擺脫傳統水計量方式

 

我很想知道我的淋浴器或洗碗機或洗衣機到底使用了多少水量。我希望能夠檢測到噴灑系統中的漏泄或過多的流量。就在前幾天我剛剛更換了一個造成管道損壞的噴頭。在我發現并更換噴頭之前,每天早上有多少水從該管道流出(浪費水并且殺死植物)。

 

MAX35101流量計SoC完全可以應對這些挑戰,器件功耗低、使用壽命長,所以部署起來很便宜。器件尺寸小巧、高度集成,精度足以滿足日益凸顯的低流量漏泄檢測要求?,F在,水可以加入IoT了。

 

我們可以預見在不久將來實現普適計量嗎?我對此確信不疑。歡迎來到21世紀。


 

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