摘要 传感器和电动阀门是智能水表的“眼”和“手”。本文探讨了如何为超声波水表设计出合适的流量传感器、测量管段以及配套的球阀。作为超声波水表与水接触的关键部件，它们不但要在性能和可靠性上满足使用要求，而且必须选用确保水质卫生安全的材料，同时应和国际标准接轨。
引言 随着“互联网+”战略的推进，近年来各大水表厂商和水务公司都开始积极拥抱物联网技术，用“智慧水务”的理念对供水、用水的各个环节进行信息化、智能化的管理。而智能水表处于信息网络的感知层，负担着“传感”和“执行”两大功能。传感器负责采集流量、温度、压力等基础数据，而执行器的动作则能够对流量、温度、压力等因素做出调节。这两大功能对于智慧水务的运作都是不可缺少的。
超声波流量传感器及测量管段设计 超声波流量测量的原理是通过测量超声波在顺流和逆流中传播时因速度不同而产生的时间差，从而计算出流体的速度。超声波通过传感器发射和接收。理论上，发射型的传感器工作频率在其谐振频率上可获得最大的发射灵敏度，接收型的传感器工作频率在其反谐振频率上可获得最大的接收灵敏度。超声波流量传感器同时用于发射和接收，因此需要同时兼顾发射和接收灵敏度，并且对传感器进行严格配对，才能得到较好的综合性能。
除了传感器本身的设计以外，测量管段作为水的载体和超声波的传播路径，它的结构和性能也对超声波水表的性能起到了至关重要的影响。测量管段是与水接触的部件，因此必须采用无毒、无污染的材料来制造，需符合GBT17219-1998《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》。同时，它的耐久性也必须满足国标和使用要求。
表1对铜、不锈钢和塑料这三种比较流行的管段材料进行了对比。其中，铜是一种非常常用的管材，它耐温耐压和抗冲击的性能较好，适合用于供热和制冷管道。但是铜管含有铅、铬等重金属，因此不适合用作饮用水的输送。而另一种通用管材——塑料，则没有这个问题。除了卫生无毒、易加工、不易结垢等优点外，塑料管段通过一次注塑成型，避免了金属制管段加工的复杂性以及多次机加工产生的尺寸差异，具有很好的一致性，因此非常适合用作超声波水表的测量管段。但是如今市面上的塑料管材鱼龙混杂，部分塑料的耐高温和耐紫外线性能达不到要求，因此要充分考察材料的多种特性，选择性能符合要求的塑料来制作测量管段。
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| | 材质 | 优点 | 缺点 | 适用场合 | |
| | 铜 | 耐高压高温，抗冲击 | 含重金属，价格较高 | 供热、制冷管道 | |
| | 不锈钢 | 耐压，耐腐蚀，
耐高温，不易结垢 | 价格昂贵 | 腐蚀性液体、直饮水管道 | |
| | 塑料 | 易加工，卫生无毒
不易结垢，价格适中 | 部分塑料的耐高温和耐紫外线性能较差 | 自来水管道 | |
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表1 几种常用管材的对比
测量管段的内部结构对流场有着直接的影响，流场中如果出现湍流、紊流，会影响超声波信号的稳定传输。在管段口径变化的地方，可以采用圆弧过渡，使流速均匀分布，以避免因管道内部产生台阶而引起的涡流，提高测量精度。此外，反射片如果设计不当，会对水流造成阻挡，因此建议使用体积小的反射片，以减小压力损失和对流场的影响。
图1 测量管段的结构优化与流场仿真结果
开云网页版使用自主开发的超声波流量传感器，搭配采用耐高温、抗变形的工程塑料制成的测量管段，进行了耐光辐射测试、高温存储测试、低温存储测试、交变湿热测试、静态耐压测试、周期性耐压测试等一系列可靠性试验。实验证明按此设计的超声波水表表体满足水表的可靠性要求。
图2 开云网页版设计的超声波水表表体
性能方面，该表体能承受最高1.6MPa的工作压力，量程比达250，始动流量仅为3L/H。压损曲线如图2所示。其精度与国标二级表的标准相比，最大误差只有国标最大允许误差的一半左右。
图3 压力损失曲线
图4 精度测试结果（搭配开云网页版的测试线路）
塑料球阀的设计
电动球阀是智能水表的执行部件，用于控制水流，实现欠费关阀、异常关阀等功能。目前市场上常见的是金属电动球阀和PVC电动球阀。由于不锈钢球阀成本较高，因此金属球阀以黄铜材质的为主。这种球阀也存在含重金属的问题，而且很少能与水表直接组成符合国标长度的阀控水表。而PVC电动球阀体积较大，而且一般采用双由令接口，不能直接与水表相接。因此有必要设计一款能与上述超声波水表表体搭配使用的新型球阀。该球阀需满足：（1）采用无毒、无污染的材料，符合《GB/T 17219-1998》；（2）能直接与水表连接，组成长度符合国标要求的阀控水表；（3）全开时对水表基表的流场没有影响；（4）转动所需扭力与电子执行器的扭力匹配，功耗满足水表电池的寿命要求；（5）可靠性满足国标和使用要求。
开云网页版按照以上要求，设计了一款塑料球阀，并采用与上述表体同样的耐高温工程塑料制成。该球阀耐压1.6MPa，所需扭力不大于1.5N·M。而在密封性和扭力、耗电量之间取得平衡，恰恰是最大的设计难点。
为了检验该塑料球阀的耗电量是否过大，表2将其与普通IC卡表的球阀进行了对比：
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| | | 电子执行器 额定电流 | 单位工作电流 | 开/关时间 | 90度开/关耗电量 | 噪音 | |
| | 普通IC卡表球阀 | 22mA | 22mA | 21S | 0.128mAh | 明显 | |
| | 新型球阀+电子执行器 | 17mA | 25mA | 20S | 0.138mAh | 小 | |
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表2 新型球阀与普通IC卡表球阀的耗电量对比
国标对带阀IC卡水表的寿命要求为7+1年。IC卡水表每个月需自动旋转2次用于防卡死和去污，假设用户每个月都因欠费被关阀，那么8年共旋转576次。而以通用电池ER18505（3600mAh）为例，其寿命按经验公式保守计算为3600*0.8*0.5*0.5=720mAh，在此情况下球阀可旋转=720/0.138*2=2500次，因此完全满足电池的寿命要求。
该塑料球阀除了通过了高低温试验、交变湿热试验、振动试验、静态耐压测试、动态耐压测试等可靠性试验外，还进行了开关1000次的试验，无漏水现象出现。它既能用于组成一体式和分离式的超声波阀控水表，也能作为单独的阀门控制产品进行使用。
图5 开云网页版制作的塑料材质球阀
结语
本文以开云网页版自主研发的塑料材质超声波水表表体和球阀为例，介绍了一些超声波水表流量传感器、测量管段和电动球阀的设计思路。按此设计的超声波水表表体以及与之搭配的球阀，在保证材料卫生无毒的同时，也满足了超声波水表的性能和可靠性要求。
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