超声水表特点探讨

2022-02-15郭小勇陈文波

信息记录材料 2022年12期

朱华，郭小勇，黄铮，陈文波

（深圳市计量质量检测研究院广东深圳 518000）

0 引言

目前我国水表市场以机械水表为主。机械水表内部安装有运动计量部件和机械计数装置，压力损失大[1]；由于磨损等因素使得水表的检测准确度和重复性指标难以长期保持，检测可靠性差，使用寿命短；机械水表的非线性特性校正困难；机械水表功能单一，本身不具备数据远传功能，也无法实现数字化管理[2-3]。

超声水表是一种利用超声波测量流量的仪器。超声水表的种类很多，其实现原理有多普勒法、波束偏移法、噪声法、传播频率差法等[4-5]。多普勒法主要应用于含有杂质及泡沫的流体上，其精度通常较低。相关信号随机性强，对换能器的性能要求高，且成本较高。波束流偏移方法适用于高流速环境，在低流速条件下精度较低。噪声法适用于流量噪声较大的流体。传递频率差法是用超声波在上游和下游传递时所形成的速度差来进行流速计算。传递频率差法又分为均时差法、频差法和相位差法，它们都分别通过用超声波的上下游时间差、频差和相位差进行流速计算。频差法电路特性并不稳定，而相位差法易受环境温度影响。但应该说明的是时间差法由于原理简便、计量精确而获得了普遍的使用。

自2003年国产超声水表诞生以来，以其三高一低的特点（高精度、高量程比、高性价比、低始动流量）[6-7]，逐渐受到自来水公司客户的接受，目前已广泛应用于分户计量。本文将结合户用超声水表的高量程比、易安装、抗冰冻、防自转、低功耗、高防护等方面的最新技术进展，阐述超声水表技术特点及优势，对超声水表设计制造与使用中的相关问题展开探讨。

1 超声水表的工作原理

超声水表以声波信号在流体中的传播时间与流量的对应关系为基本原理[8]，通过测量沿管道流动方向的顺程、逆程传播时间差，计算流体流速和流量。

户用超声水表采用U型反射原理[9]，在不改变水流的流向的前提下在水表管道内嵌了两个具有一定角度的反射片，同时在管道的一侧放置两个换能器，并且换能器的中点和反射片的中点在同一直线上。当反射的换能器发出超声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换能器下方的反射片，最后才由另一个换能器接收。这种换能器的安装方式对角度的要求不高，同时又能增加超声波的传播路程，目前是国内外的民用超声水表使用最多的换能器布置方式。超声水表结构示意如图1所示。

图1 户用超声水表测量原理示意图

超声波在被测介质中正、逆程传播时间分别为t12和t21，并由时间差法推导流量，计算公式如下：

式中：

v—管道内被测介质（水）的平均流速；

c—超声波在介质中的传播速度；

A—管道截面积和修正系数乘积值；

D—测量管道内径；

L—两反射片之间的中心距离；

Δt—超声波传播时间差；

t12、t21—超声波在介质中的正、逆向传播时间，即从上游换能器（或下游）至下游换能器（或上游）的传播时间。

2 超声水表特点

2.1 量程比宽

由超声水表工作原理和推导公式可以看出，影响超声水表计量性能的关键因素包括：

（1）精密的几何尺寸，主要由生产、加工、组装精度保证；

（2）精确的时间测量，高精度时间分辨率决定了水表的测量性能。

目前市场上主流时间测量方案的时间测量分辨率在几十个ps，由此方案生产出来的仪表已经基本满足对机械水表替换的需要，但要满足更高性能水表的计量要求，需要进一步提高时间测量精度。最新研究成果已经将时间测量分辨率提高到了6 ps，6 ps和25 ps时间测量分辨率下的流量性能对比如图2所示，从中可以看到，6 ps比25 ps的流量性能提升超过10倍，对改善小流量计量性能起到关键作用。

图2 时间分辨率6 ps和25 ps的流量波动趋势

高精度的时间测量是影响超声水表计量性能的关键因素，但不是唯一因素[10]。实践中，高灵敏的超声传感器设计、声波传输路径设计，以及生产过程中一致性的保证，可以使超声水表的量程比达到400：1。量程比越高，说明超声水表测量范围越宽，使用性能越强。量程比为Q3与Q1的比值，难点在于降低最小流量Q1，进而实现微小流量计量以及防偷盗水，有效降低漏损。

2.2 流态适应性强

超声水表在实际应用中，现场实际工况往往不能满足实验室要求的安装条件，在现场复杂工况仍能满足测量精度是评价超声水表好坏的关键因素。

目前市场上主流超声水表均采用独特的管段结构设计，该结构中反射体除具有反射超声波信号的作用外，还兼具束流功能，极大地改善了管段体入口处流体流态。通过流体仿真获得的管段剖面流速分布，如图3所示。

图3 户用水表管段剖面流速分布

超声水表在各种扰流工况下，测量误差均可满足精确度范围要求，因此可胜任U0D0（无前后直管段）的工作环境。各种扰流工况条件的测量误差，如表1所示。

表1 不同直管段下的扰流试验数据

2.3 抗冻性能强

由于各地气候环境的不同，比如北方寒冷低温条件以及南方冬季不供暖条件下，或居民长期不使用水处于静态时，受安装条件限制，封闭满管道中的水表存在被冻坏的可能。当水结冰后密度减小，体积膨胀，供水管路以及水表管段将承受高达200 MPa的巨大压力，水表的测量精确度以及寿命将会受到不可逆转的破坏。

2016年苏州水司曾展开相关调研和试验工作，极端恶劣条件下，水表冰冻后受损较严重。超声水表在前期模拟实验中，传统结构设计的超声水表在冰冻后也会出现损坏。主要体现在管段体本身开裂，传感器松动、变形、损坏等方面。针对上述问题，有针对性地改进管段体结构、改进传感器安装结构，以增强超声水表的抗冻性能。目前抗冻型超声水表新型结构设计已攻克水表在冰冻后性能受损的技术壁垒，试验表明，抗冻型超声水表新型结构在多轮冰冻试验后，仪表性能无明显变化，测量精度及声波信号未受影响。抗冻水表在冰冻前后的测量误差如图4所示。

图4 户用超声水表冰冻前后测量误差趋势

2.4 防自转功能

随着居民用水，管网压力将会发生变化，由于水具有黏性，管路中存在气体，因此将造成供水管网中的水发生微小涌动，此效应表现为机械水表中的自转。用户家中非正常用水情况下的水表计量数据，如图5所示。

图5 水流涌动导致水表非正常用水计量

图5中不同时间点出现的瞬时流量峰值，真实记录了由于管网压力波动造成的非正常条件下的用水计量。超声水表不存在转动的机械部件，通过识别涌动水流造成的超声信号变化，增加与正常用水信号识别的相关技术，有效抑制涌动原因造成的水量计量，此功能将会有效避免给水司客户带来的贸易结算纠纷。

2.5 短时断续供水计量

户用水表的应用特点是用水时间短、非连续计量，而传统水表的典型应用场景为连续水流的计量。在非连续水流状况下，保证水表的计量性能，是体现水表好坏的另一个标准。图6对比了三种水表不同实验条件下的误差。

图6 DN15水表测试结果

2.6 物联网功能

超声水表作为一款全电子化的智能水表，其技术优势正在被越来越多的水司接受和认可，并且为水司带来了可观的经济效益和社会效益。同时除了使用RS485，M-Bus等有线方式实现组网集抄，也可以使用LoRa，NB-IoT等无线通信技术，实现数据的远程抄读，配合系统平台的大数据分析功能，分析用户的用水行为，指导用户科学合理用水，培养节约用水习惯，给水司客户提供生产管理的数据支撑，实现输送水的科学性合理性，提升水司客户的经济效益。

随着物联网应用技术的飞速发展，精准感知、可靠传输、智能处理、精准决策将会成为热计量运营的发展方向，完整、准确的数据是计量运营最为重要的基础[11]。

2.7 低功耗技术

目前超声水表从电路设计、期间选型、程序处理等各方面降低整体功耗，电池供电可满足10年以上的应用需求。硬件方面，对功耗较大的电路采用提高有效工作时间方法，软件方面，研发休眠等节电工作方式，降低整机功耗，实现电池供电[12]。采用超低功耗微处理器，其他逻辑器件、运放、模拟开关等全部选用低功耗器件，程序运行期间空闲时段计入低功耗模式。

2.8 IP68防护性能

IP68防护等级主要针对潮湿等环境恶劣问题，所以在此环境下就要选择IP68防护等级的水表，IP68防护水表因为自身的特殊性非常适合在水井下工作，即使是在如此阴暗潮湿的环境下这款水表依然可以保证正常工作[13]。与普通的防水水表相比IP68防护等级水表有更高强度的防水性，在雨水多的季节，出现水井被雨水淹没等情况，即使水表在水中浸泡，具有IP68防护等级的水表也可以正常工作。