静态“智能家居”水计量的必然演变

流量计让人联想到大型、笨重、金属、工业外观的设备。这几乎不是我们所认为的现代智能技术。坦率地说，大多数已安装流量计底座的技术已经过时。流量计的计量技术基本上是正排量或速度两种类型之一。在容积式仪表中，当活塞缸、储液罐或隔膜充满并随后以重复方式释放时，将计算固定体积的离散单位。在速度计中，测量液体的流量并推断体积，因为管道的直径是已知的。虽然这些传统的机械仪表几十年来一直为我们提供了良好的服务，但现在是时候转向更好的计量技术及其带来的好处了。

机械流量计的局限性和影响

尽管机械仪表历史悠久，但其准确性和可靠性存在重大限制。在低流速下，精度问题尤其成问题。由于无法以实惠的价格提供精细的测量功能，因此机械仪表通常测量不足，或者在低流速下根本不记录任何流量。

可靠性也是个问题。机械仪表往往会随着时间的推移和使用而变慢。摩擦和磨料磨损会降低其性能。换句话说，随着时间的推移，机械仪表往往会低估流量，精度会逐渐降低。

随着时间的推移，低流量精度和性能下降的影响是巨大的。低流量性能使泄漏检测变得困难或不可能。在美国，自1921年提出第一个标准以来，美国水厂联合会（AWWA）要求测试冷水表的最低流量没有改变。3目前的最低流速精度要求为每分钟 1/4 加仑（0.95 升）。以这种速度连续流动相当于大约 1，363 升/天。这是浪费的水。浪费还导致所有消费者的账单增加，因为公用事业公司通过更高和更频繁的费率上涨来收回这些水损失的成本。

自然资源保护委员会（NRDC）与美国各地的公用事业公司合作，提交了一份减少这种浪费的提案。NRDC建议增加“泄漏检测测试流程”，要求测量低至1/16加仑/分钟或0.01米的流速3/hr，精度在实际通过仪表的水的 80% 到 101% 之间。4为了满足这一要求，需要显著提高水表的精度。

静电计量的出现

幸运的是，新的、改进的“静态”计量技术正在走向智能家居。静态仪表是任何没有移动部件的计量设备，与传统的机械仪表相比具有显着的优势。静态仪表已经在商业和工业市场使用了多年。

静态仪表具有明显更好的精度，尤其是在低流速下。此外，由于它们没有运动部件，它们更可靠，并且性能不会随着时间的推移而下降。泄漏越少，浪费和损失就越少。因此，服务提供商不会将收入损失的成本返还给消费者。

静电计分为电磁和超声波飞行时间。在电磁计中，磁场施加到管道上，并产生垂直于磁通线的电压。该电压与流速成正比。虽然这种类型的仪表提供了出色的精度，但它往往具有相当高的功耗。

当今静态仪表技术的主要类型是超声波飞行时间。在该仪表中，压电传感器是脉冲的。由此产生的声波穿过介质（我们讨论中的水），并在下游的第二个压电换能器处拾取。完成此路径后，压电传感器信号反转;下游压电陶瓷脉冲，上游压电陶瓷拾取信号。两个脉冲的飞行时间差可以测量流量，因为声波的速度与流量成正比。图1显示了带有超声换能器的典型阀芯体中的飞行时间差计算。

与先前目标0.01m对应的增量飞行时间值3/hr 对于小于 3/4 英寸（19.1 毫米）的管道，泄漏检测测试流量约为 1.2ns。在1.2ns时，测量的飞行时间必须在960ps（80%）和1212ps（101%）之间，以满足所需的精度。

图1.飞行时间差计算示例。

超声波飞行时间流量计的电子元件框图如图2所示。这里是一个专用的超声波飞行时间IC，MAX35101，与两个压电阀接口。每个压电陶瓷交替用作声波发生器和接收器，具体取决于脉冲的方向。该IC采用高精度飞行时间磁芯，精度为20ps，具有出色的流速精度。虽然最终精度取决于管道直径和流速，但这种架构可以提供每小时 1 升以下的泄漏检测，并在仪表的使用寿命内保持精确到 EN 和 OIML 规范。

图2.水表超声波飞行时间方案采用带模拟前端（AFE）的MAX35101时间数字转换器。

实现静态计量

到目前为止，静态仪表技术对于住宅用水并不实用。然而，最近服务提供方面的演变变化正在创造机会。

住宅使用静态电表的最大挑战很简单：电源。操作电子设备需要电源。由于大多数水表没有接线供电，因此静态水表传统上不是一个实用的选择。随着AMR（高级抄表）和AMI（高级电表基础设施）的出现，这种情况正在发生变化。AMI 和 AMR 通常使用无线通信技术支持远程抄表和/或控制。

当服务提供商决定需要 AMI/AMR 功能时，他们现在需要通过线路电压或电池为电表供电。由于无论如何都必须为仪表供电，这为静态计量打开了大门。静态计量所需的功率肯定会增加功率要求，但不会带来新的挑战。电池技术的同时改进正在帮助推动电表技术的变革。由于功率密度在提高，仪表的使用寿命也在增加。看到电池寿命为 15 年或更长时间的静态仪表并不少见。

其他因素正在推动住宅采用静态仪表，特别是改进的泄漏检测和根据该信息采取行动的能力。可以检测到泄漏然后做出反应的仪表，例如通过自动阀门关闭，为家庭增加了显着的安全性。虽然不一定是直接的安全隐患，但漏水检测可以为房主避免不必要的高额水费并防止水损坏。

结论

智能电表。智能电网。智能技术。我们生活在一个更智能的世界里，更明智的决策正在被推回更智能的设备。对于住宅用水表来说，这当然是正确的。我们家庭的服务交付基础设施正变得越来越智能。静态住宅水表是新兴技术，注定要取代我们现在随处可见的传统机械水表。虽然仍处于起步阶段，但静态仪表有望提高精度和可靠性。随着对智能基础设施需求的增加，成本将随着规模的扩大而降低。毫无疑问，静态计量将更好地管理我们的天然水资源，提高安全性，并提供更好的消费者体验。

审核编辑：郭婷