結合超聲波水表遠程監控系統的應用初探

李富維

（太原市自來水公司，山西 太原 030051）

1 前言

水表作為供水企業貿易結算的主要儀表之一，在供水企業中處于舉足輕重的地位，但是大口徑水表數量較少而且計量水量較大，因此，大口徑水表的計量準確與科學管理，將對供水企業的經濟效益和社會效益產生直接影響。

目前，供水企業普遍采用機械式水表計量、現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：機械水表的結構特性（始動流量較高、壓損大、不可避免的自然磨損等因素）導致水表計量失準；人工定期抄表和巡檢不能及時發現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進行比對，并結合實際應用效果和經濟效益分析，可以預期超聲波水表的合理選型與應用，可降低供水企業漏損率，提高企業的經濟效益。通過GPRS網絡傳輸模塊，將現場流量數據傳到監控中心，通過監控軟件實現流量數據的無線監控，實現了大口徑水表的科學管理。

總之，超聲波水表與遠程監控系統綜合應用，可以實現供水企業在經濟效益和大口徑水表管理水平質的突破。

2 監控系統組成及原理

2.1 監控系統組成部分及原理

監控系統主要由水流量測量設備超聲波水表、GPRS數據傳輸模塊、監控中心和終端用戶4部分組成。該系統以超聲測流原理的超聲波水表進行計量，監控中心的數據經協議轉換處理后發送到GPRS網絡，GPRS數據傳輸模塊從GPRS網絡接收到數據，并經由串口線發送給超聲波水表；超聲波水表返回的數據按原路反向傳輸至監控中心，終端用戶通過internet訪問監控中心，從而實現流量數據的遠程監控。原理見圖1。

圖1 無線監控原理框圖

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生超聲波，當超聲波在水中傳播時，水的流動將使傳播時間產生微小變化，其傳播時間的變化正比于水的流速。當零流量時，兩個傳感器發射和接收聲波所需的時間完全相同；當水流動時，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。

由數學模型可以推出：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，這一指標是決定超聲水表始動流量的重要因素。

3 監控系統特色

3.1 超聲波水表較機械水表的性能優越性

3.1.1 特性流量參數對比

表1 DN150 mm水表特性流量參數對比表 m3/h

根據旋翼式機械水表與超聲波水表說明書的理論參數，對兩種水表的特性流量參數對比見表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的使用。從始動流量分析看，用戶在0.318~0.55 m3/h狀態運行時，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狀態運行時，機械水表已經超過它的超載能力，長期運行嚴重損壞其計量元件，極易造成水表卡字走停及計量失準，按照每小時200 m3運行，一天10 h計量，若發現不及時，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，并且其本身帶有數據采集及信號輸出功能，容易構成遠程監控系統，綜合來看，超聲波的性價比遠遠優于旋翼式機械式水表。

3.2 現場比對分析

在山西大學安裝一只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比對試驗，經過近一年的數據統計，結果見表3。

表3 試驗數據

通過比對實驗發現，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，可減少供水企業水量損失，提高供水企業的經濟效益。

3.3 從大口徑水表監控方面分析

將小店部分用戶DN150 mm旋翼式水表更換為超聲波水表，并用遠程監控系統監控的超聲波數據分析原來水表的使用情況，得出結論如下。

3.3.1 建立監控系統，可對用戶用水狀態進行實時監控

通過監控系統實時數據顯示功能顯示，供水企業和用戶可以足不出戶，實時查看水表的瞬時流量、累積流量等相關信息，對瞬時為零用戶，供水企業可調查分析出現這種情況的原因，進行針對性的處理。見圖3，對于33所用戶，2011年3月12日數據一直未上傳，營銷部通過現場查看發現，表井被大量煤堆覆蓋，嚴重影響信號傳輸，通過及時清理，恢復正常。可見，通過遠程監控系統，可及時發現各種突發情況，便于及時處理解決問題，有效降低企業的損失，同時避免和用戶發生因水量估算而產生的糾紛。

圖3 實時數據顯示界面圖

圖4 日期和瞬時流量對應折線圖

圖5 日期和瞬時流量對應折線圖

3.3.2 建立監控系統，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下及過載流量狀態下，水表的易損件加速磨損，造成水表卡字走停現象，嚴重影響水表的計量性能，給供水企業帶來嚴重的經濟損失。因此，旋翼式機械水表已經不適合該用戶使用，該用戶用水量波動較大，適合使用寬量程比、穩定性高的超聲波水表。

3.3.3 監控系統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，為供水企業減少了不必要的損失。

通過上述分析，使用遠程監控系統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律，進而建議使用最適合用戶的水表型號規格，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 結束語

超聲波水表的使用和無線監控系統的應用，不僅可以提高供水企業的經濟效益和社會效益，而且使大口徑水表的計量管理水平有了質的飛躍，也為企業的節能降耗、和諧發展奠定了堅實的基礎。

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

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局.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準（GB/T778-2007）.北京：中國標準出版社，2007.

[3]詹志杰.水表技術手冊.北京：中國計量出版社，2009.