超聲水表特點探討

朱 華，郭小勇，黃 錚，陳文波

（深圳市計量質量檢測研究院 廣東 深圳 518000）

0 引言

目前我國水表市場以機械水表為主。機械水表內部安裝有運動計量部件和機械計數裝置，壓力損失大[1]；由于磨損等因素使得水表的檢測準確度和重復性指標難以長期保持，檢測可靠性差，使用壽命短；機械水表的非線性特性校正困難；機械水表功能單一，本身不具備數據遠傳功能，也無法實現數字化管理[2-3]。

超聲水表是一種利用超聲波測量流量的儀器。超聲水表的種類很多，其實現原理有多普勒法、波束偏移法、噪聲法、傳播頻率差法等[4-5]。多普勒法主要應用于含有雜質及泡沫的流體上，其精度通常較低。相關信號隨機性強，對換能器的性能要求高，且成本較高。波束流偏移方法適用于高流速環境，在低流速條件下精度較低。噪聲法適用于流量噪聲較大的流體。傳遞頻率差法是用超聲波在上游和下游傳遞時所形成的速度差來進行流速計算。傳遞頻率差法又分為均時差法、頻差法和相位差法，它們都分別通過用超聲波的上下游時間差、頻差和相位差進行流速計算。頻差法電路特性并不穩定，而相位差法易受環境溫度影響。但應該說明的是時間差法由于原理簡便、計量精確而獲得了普遍的使用。

自2003年國產超聲水表誕生以來，以其三高一低的特點（高精度、高量程比、高性價比、低始動流量）[6-7]，逐漸受到自來水公司客戶的接受，目前已廣泛應用于分戶計量。本文將結合戶用超聲水表的高量程比、易安裝、抗冰凍、防自轉、低功耗、高防護等方面的最新技術進展，闡述超聲水表技術特點及優勢，對超聲水表設計制造與使用中的相關問題展開探討。

1 超聲水表的工作原理

超聲水表以聲波信號在流體中的傳播時間與流量的對應關系為基本原理[8]，通過測量沿管道流動方向的順程、逆程傳播時間差，計算流體流速和流量。

戶用超聲水表采用U型反射原理[9]，在不改變水流的流向的前提下在水表管道內嵌了兩個具有一定角度的反射片，同時在管道的一側放置兩個換能器，并且換能器的中點和反射片的中點在同一直線上。當反射的換能器發出超聲波后先由正下方的反射面反射，再以平行于管道的方向入射到接收換能器下方的反射片，最后才由另一個換能器接收。這種換能器的安裝方式對角度的要求不高，同時又能增加超聲波的傳播路程，目前是國內外的民用超聲水表使用最多的換能器布置方式。超聲水表結構示意如圖1所示。

圖1 戶用超聲水表測量原理示意圖

超聲波在被測介質中正、逆程傳播時間分別為t12和t21，并由時間差法推導流量，計算公式如下：

式中：

v—管道內被測介質（水）的平均流速；

c—超聲波在介質中的傳播速度；

A—管道截面積和修正系數乘積值；

D—測量管道內徑；

L—兩反射片之間的中心距離；

Δt—超聲波傳播時間差；

t12、t21—超聲波在介質中的正、逆向傳播時間，即從上游換能器（或下游）至下游換能器（或上游）的傳播時間。

2 超聲水表特點

2.1 量程比寬

由超聲水表工作原理和推導公式可以看出，影響超聲水表計量性能的關鍵因素包括：

（1）精密的幾何尺寸，主要由生產、加工、組裝精度保證；

（2）精確的時間測量，高精度時間分辨率決定了水表的測量性能。

目前市場上主流時間測量方案的時間測量分辨率在幾十個ps，由此方案生產出來的儀表已經基本滿足對機械水表替換的需要，但要滿足更高性能水表的計量要求，需要進一步提高時間測量精度。最新研究成果已經將時間測量分辨率提高到了6 ps，6 ps和25 ps時間測量分辨率下的流量性能對比如圖2所示，從中可以看到，6 ps比25 ps的流量性能提升超過10倍，對改善小流量計量性能起到關鍵作用。

圖2 時間分辨率6 ps和25 ps的流量波動趨勢

高精度的時間測量是影響超聲水表計量性能的關鍵因素，但不是唯一因素[10]。實踐中，高靈敏的超聲傳感器設計、聲波傳輸路徑設計，以及生產過程中一致性的保證，可以使超聲水表的量程比達到400：1。量程比越高，說明超聲水表測量范圍越寬，使用性能越強。量程比為Q3與Q1的比值，難點在于降低最小流量Q1，進而實現微小流量計量以及防偷盜水，有效降低漏損。

2.2 流態適應性強

超聲水表在實際應用中，現場實際工況往往不能滿足實驗室要求的安裝條件，在現場復雜工況仍能滿足測量精度是評價超聲水表好壞的關鍵因素。

目前市場上主流超聲水表均采用獨特的管段結構設計，該結構中反射體除具有反射超聲波信號的作用外，還兼具束流功能，極大地改善了管段體入口處流體流態。通過流體仿真獲得的管段剖面流速分布，如圖3所示。

圖3 戶用水表管段剖面流速分布

超聲水表在各種擾流工況下，測量誤差均可滿足精確度范圍要求，因此可勝任U0D0（無前后直管段）的工作環境。各種擾流工況條件的測量誤差，如表1所示。

表1 不同直管段下的擾流試驗數據

2.3 抗凍性能強

由于各地氣候環境的不同，比如北方寒冷低溫條件以及南方冬季不供暖條件下，或居民長期不使用水處于靜態時，受安裝條件限制，封閉滿管道中的水表存在被凍壞的可能。當水結冰后密度減小，體積膨脹，供水管路以及水表管段將承受高達200 MPa的巨大壓力，水表的測量精確度以及壽命將會受到不可逆轉的破壞。

2016年蘇州水司曾展開相關調研和試驗工作，極端惡劣條件下，水表冰凍后受損較嚴重。超聲水表在前期模擬實驗中，傳統結構設計的超聲水表在冰凍后也會出現損壞。主要體現在管段體本身開裂，傳感器松動、變形、損壞等方面。針對上述問題，有針對性地改進管段體結構、改進傳感器安裝結構，以增強超聲水表的抗凍性能。目前抗凍型超聲水表新型結構設計已攻克水表在冰凍后性能受損的技術壁壘，試驗表明，抗凍型超聲水表新型結構在多輪冰凍試驗后，儀表性能無明顯變化，測量精度及聲波信號未受影響。抗凍水表在冰凍前后的測量誤差如圖4所示。

圖4 戶用超聲水表冰凍前后測量誤差趨勢

2.4 防自轉功能

隨著居民用水，管網壓力將會發生變化，由于水具有黏性，管路中存在氣體，因此將造成供水管網中的水發生微小涌動，此效應表現為機械水表中的自轉。用戶家中非正常用水情況下的水表計量數據，如圖5所示。

圖5 水流涌動導致水表非正常用水計量

圖5中不同時間點出現的瞬時流量峰值，真實記錄了由于管網壓力波動造成的非正常條件下的用水計量。超聲水表不存在轉動的機械部件，通過識別涌動水流造成的超聲信號變化，增加與正常用水信號識別的相關技術，有效抑制涌動原因造成的水量計量，此功能將會有效避免給水司客戶帶來的貿易結算糾紛。

2.5 短時斷續供水計量

戶用水表的應用特點是用水時間短、非連續計量，而傳統水表的典型應用場景為連續水流的計量。在非連續水流狀況下，保證水表的計量性能，是體現水表好壞的另一個標準。圖6對比了三種水表不同實驗條件下的誤差。

圖6 DN15水表測試結果

2.6 物聯網功能

超聲水表作為一款全電子化的智能水表，其技術優勢正在被越來越多的水司接受和認可，并且為水司帶來了可觀的經濟效益和社會效益。同時除了使用RS485，M-Bus等有線方式實現組網集抄，也可以使用LoRa，NB-IoT等無線通信技術，實現數據的遠程抄讀，配合系統平臺的大數據分析功能，分析用戶的用水行為，指導用戶科學合理用水，培養節約用水習慣，給水司客戶提供生產管理的數據支撐，實現輸送水的科學性合理性，提升水司客戶的經濟效益。

隨著物聯網應用技術的飛速發展，精準感知、可靠傳輸、智能處理、精準決策將會成為熱計量運營的發展方向，完整、準確的數據是計量運營最為重要的基礎[11]。

2.7 低功耗技術

目前超聲水表從電路設計、期間選型、程序處理等各方面降低整體功耗，電池供電可滿足10年以上的應用需求。硬件方面，對功耗較大的電路采用提高有效工作時間方法，軟件方面，研發休眠等節電工作方式，降低整機功耗，實現電池供電[12]。采用超低功耗微處理器，其他邏輯器件、運放、模擬開關等全部選用低功耗器件，程序運行期間空閑時段計入低功耗模式。

2.8 IP68防護性能

IP68防護等級主要針對潮濕等環境惡劣問題，所以在此環境下就要選擇IP68防護等級的水表，IP68防護水表因為自身的特殊性非常適合在水井下工作，即使是在如此陰暗潮濕的環境下這款水表依然可以保證正常工作[13]。與普通的防水水表相比IP68防護等級水表有更高強度的防水性，在雨水多的季節，出現水井被雨水淹沒等情況，即使水表在水中浸泡，具有IP68防護等級的水表也可以正常工作。

3 結語

綜上所述，本文闡述了超聲水表的特點和優勢，以及最新研究進展。“能源節約，計量先行”，超聲水表是流量測量技術的發展方向，能夠在國家節能減排戰略中占有一席之地。試驗數據和應用結果表明，戶用超聲水表的新技術可成功在市場中應用推廣。