结合超声波水表远程监控系统的应用初探

李富维

（太原市自来水公司，山西 太原 030051）

1 前言

水表作为供水企业贸易结算的主要仪表之一，在供水企业中处于举足轻重的地位，但是大口径水表数量较少而且计量水量较大，因此，大口径水表的计量准确与科学管理，将对供水企业的经济效益和社会效益产生直接影响。

目前，供水企业普遍采用机械式水表计量、现场定期人工抄表和巡检的管理模式。然而这种模式存在着计量和管理上的弊端：机械水表的结构特性（始动流量较高、压损大、不可避免的自然磨损等因素）导致水表计量失准；人工定期抄表和巡检不能及时发现和解决水表故障问题，无法及时了解用户用水高低峰的详细情况，不便于分析该水表计量性能是否适合用户用水情况。鉴于此，文章引进一种新型电子水表—超声波水表。通过对超声波水表与机械式水表计量的性能指标进行比对，并结合实际应用效果和经济效益分析，可以预期超声波水表的合理选型与应用，可降低供水企业漏损率，提高企业的经济效益。通过GPRS网络传输模块，将现场流量数据传到监控中心，通过监控软件实现流量数据的无线监控，实现了大口径水表的科学管理。

总之，超声波水表与远程监控系统综合应用，可以实现供水企业在经济效益和大口径水表管理水平质的突破。

2 监控系统组成及原理

2.1 监控系统组成部分及原理

监控系统主要由水流量测量设备超声波水表、GPRS数据传输模块、监控中心和终端用户4部分组成。该系统以超声测流原理的超声波水表进行计量，监控中心的数据经协议转换处理后发送到GPRS网络，GPRS数据传输模块从GPRS网络接收到数据，并经由串口线发送给超声波水表；超声波水表返回的数据按原路反向传输至监控中心，终端用户通过internet访问监控中心，从而实现流量数据的远程监控。原理见图1。

图1 无线监控原理框图

2.2 超声波水表测量原理

超声测流原理是利用超声波换能器产生超声波，当超声波在水中传播时，水的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于水的流速。当零流量时，两个传感器发射和接收声波所需的时间完全相同；当水流动时，逆流方向的声波传输时间大于顺流方向的声波传输时间。

图2描述了超声波水表的测量原理。

图2 超声测流原理图

式中：A：超声波上游传感器；

B：超声波下游传感器；

t1：为超声波在正方向上的传播时间；

t2：为超声波在逆方向上的传播时间；

D：管道直径；

V：管段中水的流速；

C：超声波在水中的传播流速。

由数学模型可以推出：V∝f（t2-t1）。由于C>>Vsinα，所以时间差t2-t1很短，时间检测分辨率<1ns，这一指标是决定超声水表始动流量的重要因素。

3 监控系统特色

3.1 超声波水表较机械水表的性能优越性

3.1.1 特性流量参数对比

表1 DN150 mm水表特性流量参数对比表 m3/h

根据旋翼式机械水表与超声波水表说明书的理论参数，对两种水表的特性流量参数对比见表1（以DN150 mm口径水表为例）。

通过表1比对分析，超声波水表有较大的量程，常用流量极大，始动流量极低，可以满足各种用水状态的使用。从始动流量分析看，用户在0.318~0.55 m3/h状态运行时，机械水表不计量，而超声波水表可以计量，一天按照10 h计量，一年可为企业减少1 800 m3左右水量损失；大流量看，假如用户超过200 m3/h状态运行时，机械水表已经超过它的超载能力，长期运行严重损坏其计量元件，极易造成水表卡字走停及计量失准，按照每小时200 m3运行，一天10 h计量，若发现不及时，一天可损失水量2 000 m3，对于超声波水表来说，由于无运动元件，且这个流量介于分界和常用流量之间，可以正常计量。

3.1.2 性价综合对比

以DN150 mm机械水表和超声波水表的性能、特点和价格综合方面进行评价，见表2。

表2 综合评价对比表

综合评价分析，超声波水表虽采购价格较高，但从水表特性流量数看，减少漏计的水量远远超过水表的价格，况且超声波水表压损极小，宽量程比、使用寿命较长，重量轻，便于维修检定，并且其本身带有数据采集及信号输出功能，容易构成远程监控系统，综合来看，超声波的性价比远远优于旋翼式机械式水表。

3.2 现场比对分析

在山西大学安装一只DN200 mm的超声波水表与原使用的旋翼式机械水表进行了串联比对试验，经过近一年的数据统计，结果见表3。

表3 试验数据

通过比对实验发现，超声水表比机械式水表多计量3.10%，而且随着机械式水表的磨损，两者相差有越来越大的趋势。换算成水量，一年可减少损失约11 288 m3，可见，利用超声波水表，可减少供水企业水量损失，提高供水企业的经济效益。

3.3 从大口径水表监控方面分析

将小店部分用户DN150 mm旋翼式水表更换为超声波水表，并用远程监控系统监控的超声波数据分析原来水表的使用情况，得出结论如下。

3.3.1 建立监控系统，可对用户用水状态进行实时监控

通过监控系统实时数据显示功能显示，供水企业和用户可以足不出户，实时查看水表的瞬时流量、累积流量等相关信息，对瞬时为零用户，供水企业可调查分析出现这种情况的原因，进行针对性的处理。见图3，对于33所用户，2011年3月12日数据一直未上传，营销部通过现场查看发现，表井被大量煤堆覆盖，严重影响信号传输，通过及时清理，恢复正常。可见，通过远程监控系统，可及时发现各种突发情况，便于及时处理解决问题，有效降低企业的损失，同时避免和用户发生因水量估算而产生的纠纷。

图3 实时数据显示界面图

图4 日期和瞬时流量对应折线图

图5 日期和瞬时流量对应折线图

3.3.2 建立监控系统，可随时分析水表选型是否合理

从庆云街富士康水的上日期和瞬时流量折线图（见图4）可以看出，原来旋翼式水表（过载流量为200 m3/h）长期处于超过常用流量状态下及过载流量状态下，水表的易损件加速磨损，造成水表卡字走停现象，严重影响水表的计量性能，给供水企业带来严重的经济损失。因此，旋翼式机械水表已经不适合该用户使用，该用户用水量波动较大，适合使用宽量程比、稳定性高的超声波水表。

3.3.3 监控系统分析出原来机械水表对较小流量漏计问题

从电子街富士康水表的日期和瞬时流量折线图（见图5）可以看出，原来旋翼式水表用户长期处于始动流量（0.55 m3/h）状态以下运行，该机械水表不计量，而更换为始动流量极小的超声波水表，可计量机械水表始动流量值之下的流量。按照每小时0.3m3，每天按15 h计算，比原来机械水表一天多计量4.5 m3，一年多计量1 600 m3左右，为供水企业减少了不必要的损失。

通过上述分析，使用远程监控系统还可以随时分析口径及量程和流量的匹配程度，并掌握每个大用户的用水变化规律，进而建议使用最适合用户的水表型号规格，这样可解决大表小流量，小表大流量等水表选型不合适的问题。

4 结束语

超声波水表的使用和无线监控系统的应用，不仅可以提高供水企业的经济效益和社会效益，而且使大口径水表的计量管理水平有了质的飞跃，也为企业的节能降耗、和谐发展奠定了坚实的基础。

[1]国家质量监督检验检疫总局.冷水水表国家计量检定规程（JJG162-2009）.北京：中国计量出版社，2009.

[2]国家质量监督检验检疫总局.封闭满管道中水流量的测量饮用冷水水表和热水水表国家标准（GB/T778-2007）.北京：中国标准出版社，2007.

[3]詹志杰.水表技术手册.北京：中国计量出版社，2009.