家用水表灵敏度的研究

张颖 丁晶 苏波

摘  要：家用水表的始动流量是水能够推动水表转动的最小流量值，所以该值反映了水表的灵敏度。最大流量表示的是水表使用的上限流量。文章通过研究家用水表的工作原理以及内部结构，分析了影响水表灵敏度的因素，同时分别对两种不同类型的水表进行了实验，测量了其灵敏度的大小。

关键词：家用水表;始动流量;最大流量;灵敏度

中图分类号：TU991.63 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）32-0054-03

Abstract： The starting flow of domestic water meter is the minimum flow value that water can push the water meter to rotate， so this value reflects the sensitivity of water meter. The maximum flow represents the upper flow rate used by the meter. This paper studies the working principle and internal structure of domestic water meter， analyzes the factors that affect the sensitivity of water meter， and at the same time， measures two different types of water meters are tested and their sensitivity.

Keywords： domestic water meter; initiating flow; maximum flow; sensitivity

1 概述

水表目前已经进入了千家万户，对人们的日常生活发挥着重大作用。由于水表自身灵敏度的问题，如果水龙头关闭不严，会出现水流通过水表，但水表不转的情况，这就造成了水资源的浪费，对国家也有一定的损失。本文主要探究了家用水表的工作原理以及内部结构，分析了影响家用水表灵敏度的因素，之后通过实验测量了两种不同类型家用水表的始动流量以及最大流量，进而计算出其灵敏度。同时根据测量数据以及结构分析了提高家用水表灵敏度的方法。

2 理论分析

按照國家的标准，速度式水表的定义为“装在封闭管道中，由一个动力元件组成，并由水流速直接使其获得运动的一种水表”。当水流经过水表时，会驱动叶轮（螺翼或旋翼）开始旋转，因为水的流速与叶轮的转速成正比，且水表内叶轮处水流喷口的口径是常量，故叶轮的转速与流量是成正比的。水表计数的工作原理是通过将计数机构与叶轮轴上的联动部件连接在一起，计数机构积累叶轮（螺翼或旋翼）的转数，进而记下通过水表的水量[1]。常见的家用水表分为旋翼式和螺翼式。

2.1 家用电表的分类

旋翼式家用水表和螺翼式家用水表分别如图1和图2所示。

水表的关键部分是计量机构，计量机构担当着水表“心脏”的重要地位，对水表的计量功能和使用寿命起着非常重要的作用。旋翼式水表的计量结构主要由齿轮盒、叶轮盒、整体叶轮、调节板、顶尖等组成[2]，其结构如图3所示。

2.2 水表的计量机构

（1）齿轮盒：水表的计数器位于齿轮盒中，与上部的内孔相互配合。齿轮盒的底部一般有三条左右的固定筋，作用是当有大水流通过水表时，对叶轮的旋转起阻尼的作用，以此优化水表在大水流量时的使用性能。

（2）叶轮盒是水表的计量结构中非常关键的部件[3]。叶轮盒的上部小孔与齿轮盒下部的凸台相配合。叶轮盒的四周有排水孔以供水流进出。与齿轮盒类似，在叶轮盒底部有若干条固定筋，其作用与齿轮盒筋相仿。

（3）叶轮是水表的敏感部件，将水的动能转化为转速，通过叶轮轴传给指示机构进行指示。旋翼式水表的叶片为直板形。

（4）叶轮盒的下部有调节孔和调节板。通过调节调节板的角度，可以改变水流受到调节板的反作用力的大小，调节水流对叶轮转动的阻尼，由此调节水表的测量误差。

（5）顶尖安装于叶轮盒底部的中心，位于叶轮轴下部，支撑叶轮的转动。顶尖的上部尖端与叶轮轴的下端凹轴承形成点滑动接触，使叶轮的转动更加灵敏[4]。

3 两种类型家用水表灵敏度测量实验

始动流量是指水表开始连续指示时的流量，即水表指针开始转动时的最小流量值，所以该值即可反映水表的灵敏度大小;最大流量表示的是水表使用的上限水流量。

测量旋翼式家用水表和螺翼式家用水表时，在规定时间内测量水表始动流量以及水表的最大流量，分别测量20次，记录数据。测量最大流量时直接读取水表指针以及数字示数，测量始动流量时流经水表的水流入烧杯然后读取烧杯刻度线示数。在测量最大流量时每次结束实验后要将水表中残留的水倒净，不允许有残存水;在测量始动流量时每次实验结束后要保证水表中的水已经全部流入烧杯中，且下一次实验前要将烧杯擦干净。

3.1 实验数据

旋翼式家用水表和螺翼式家用水表的实验数据如表1所示。

3.2 数据处理

旋翼式和螺翼式两种家用水表的最大流量实验值与理论值的关系分别如图4和图5所示。

旋翼式水表：最大流量平均值为：8.36×10-4m3/s，4分水表内径为15mm，故水表的最大流速为：Vmax=Qmax/S=4.73m/s，始动流量Qs的平均值为：1.18×10-5m3/s，不确定度为0.343L，所以最后测得的始动流量为：1.18×10-5±5.00×10-6m3/s，那么，此水表的始动流速为：Vqs=Qs/S=0.67±0.03m/s。

螺翼式水表：最大流量平均值为：8.58×10-4m3/s，4分水表内径为15mm，故水表的最大流速为：Vmax=Qmax/S=4.86m/s，始动流量Qs的平均值为：8.5×10-6m3/s，不确定度为0.106L，所以最后测得的始动流量为：8.5×10-6±1.7×10-6m3/s，始动流速为：Vqs=Qs/S=0.08±0.01m/s。

3.3 实验结果

旋翼式水表：如果一年都开着水龙头并且在水表指针保持不转动的情况下，最大水量为：（1.18×10-5+5.00×10-6）×60×60×24×365=372.12m3/年。按照北京居民用水收费标准（2.07元/m3）[5]計算可得，旋翼式水表一年将损失372.12×2.07=770.3元。

螺翼式水表：如果一年都开着水龙头并且在水表指针不转动的情况下，最大流水量为：（8.5×10-6+1.7×10-6）×60×60×24×365=321.67m3/年。按照北京居民用水收费标准（2.07元/m3）计算可得，螺翼式水表一年将损失321.67×2.07=665.9元。

4 结论

通过理论分析，得出影响家用水表灵敏度的因素有：长时间水流的冲击会对叶轮本身造成影响，增大叶轮间的摩擦，削弱筋对水流的阻尼作用，所以叶轮材料要坚固;叶轮盒中叶轮的下端要与出水口下缘对接好，若上调叶轮，会使进水孔的部分水流冲击不到叶轮上，因此会使叶轮转速变慢，反之变快;顶尖安装在叶轮盒底部的中心，在叶轮轴的下部，用于支撑叶轮转动，顶尖头的磨损，会增大叶轮和顶尖之间的摩擦，影响水流对叶轮转速的调节，因此，顶尖头的材质应具有很高的耐磨性能。

通过实验测得了旋翼式水表和螺翼式水表的最大流量以及始动流量，计算得出了两种水表的灵敏度的大小。根据实验结果可知，由于水表自身灵敏度的问题，水表对精准计量用水量存在一定的误差，因此，会造成国家水资源的浪费，在此呼吁大家节约用水，珍惜水资源。

参考文献：

[1]徐萌.浅析多功能水表的设计原理[J].科技创新导报，2008（20）：68.

[2]张长华.速度式水表计量原理[J].上海水务，2004（03）：3-4.

[3]杜国锋.水表水量计量控制[J].门窗，2019（08）：143+145.

[4]朱仲亚.简述影响水表计量准确度的因素与对策[J].建材与装饰，2018（48）：204-205.

[5]常颖.计量达世界水平北京住宅水表将可按滴计价[J].中国计量，2005（3）：75-75.