摘要 傳感器和電動閥門是智能水錶的「眼」和「手」。本文探討了如何為超聲波水錶設計出合適的流量傳感器、測量管段以及配套的球閥。作為超聲波水錶與水接觸的關鍵部件，它們不但要在性能和可靠性上滿足使用要求，而且必須選用確保水質衛生安全的材料，同時應和國際標準接軌。
引言 隨着「互聯網+」戰略的推進，近年來各大水錶廠商和水務公司都開始積極擁抱物聯網技術，用「智慧水務」的理念對供水、用水的各個環節進行信息化、智能化的管理。而智能水錶處於信息網絡的感知層，負擔着「傳感」和「執行」兩大功能。傳感器負責採集流量、溫度、壓力等基礎數據，而執行器的動作則能夠對流量、溫度、壓力等因素做出調節。這兩大功能對於智慧水務的運作都是不可缺少的。
超聲波流量傳感器及測量管段設計 超聲波流量測量的原理是通過測量超聲波在順流和逆流中傳播時因速度不同而產生的時間差，從而計算出流體的速度。超聲波通過傳感器發射和接收。理論上，發射型的傳感器工作頻率在其諧振頻率上可獲得最大的發射靈敏度，接收型的傳感器工作頻率在其反諧振頻率上可獲得最大的接收靈敏度。超聲波流量傳感器同時用於發射和接收，因此需要同時兼顧發射和接收靈敏度，並且對傳感器進行嚴格配對，才能得到較好的綜合性能。
除了傳感器本身的設計以外，測量管段作為水的載體和超聲波的傳播路徑，它的結構和性能也對超聲波水錶的性能起到了至關重要的影響。測量管段是與水接觸的部件，因此必須採用無毒、無污染的材料來製造，需符合GBT17219-1998《生活飲用水輸配水設備及防護材料衛生安全評價規範》。同時，它的耐久性也必須滿足國標和使用要求。
表1對銅、不鏽鋼和塑料這三種比較流行的管段材料進行了對比。其中，銅是一種非常常用的管材，它耐溫耐壓和抗衝擊的性能較好，適合用於供熱和製冷管道。但是銅管含有鉛、鉻等重金屬，因此不適合用作飲用水的輸送。而另一種通用管材——塑料，則沒有這個問題。除了衛生無毒、易加工、不易結垢等優點外，塑料管段通過一次注塑成型，避免了金屬制管段加工的複雜性以及多次機加工產生的尺寸差異，具有很好的一致性，因此非常適合用作超聲波水錶的測量管段。但是如今市面上的塑料管材魚龍混雜，部分塑料的耐高溫和耐紫外線性能達不到要求，因此要充分考察材料的多種特性，選擇性能符合要求的塑料來製作測量管段。
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| | 材質 | 優點 | 缺點 | 適用場合 | |
| | 銅 | 耐高壓高溫，抗衝擊 | 含重金屬，價格較高 | 供熱、製冷管道 | |
| | 不鏽鋼 | 耐壓，耐腐蝕，
耐高溫，不易結垢 | 價格昂貴 | 腐蝕性液體、直飲水管道 | |
| | 塑料 | 易加工，衛生無毒
不易結垢，價格適中 | 部分塑料的耐高溫和耐紫外線性能較差 | 自來水管道 | |
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表1 幾種常用管材的對比
測量管段的內部結構對流場有着直接的影響，流場中如果出現湍流、紊流，會影響超聲波信號的穩定傳輸。在管段口徑變化的地方，可以採用圓弧過渡，使流速均勻分佈，以避免因管道內部產生台階而引起的渦流，提高測量精度。此外，反射片如果設計不當，會對水流造成阻擋，因此建議使用體積小的反射片，以減小壓力損失和對流場的影響。
圖1 測量管段的結構優化與流場仿真結果
尊龙凯时使用自主開發的超聲波流量傳感器，搭配採用耐高溫、抗變形的工程塑料製成的測量管段，進行了耐光輻射測試、高溫存儲測試、低溫存儲測試、交變濕熱測試、靜態耐壓測試、周期性耐壓測試等一系列可靠性試驗。實驗證明按此設計的超聲波水錶表體滿足水錶的可靠性要求。
圖2 尊龙凯时設計的超聲波水錶表體
性能方面，該表體能承受最高1.6MPa的工作壓力，量程比達250，始動流量僅為3L/H。壓損曲線如圖2所示。其精度與國標二級表的標準相比，最大誤差只有國標最大允許誤差的一半左右。
圖3 壓力損失曲線
圖4 精度測試結果（搭配尊龙凯时的測試線路）
塑料球閥的設計
電動球閥是智能水錶的執行部件，用於控制水流，實現欠費關閥、異常關閥等功能。目前市場上常見的是金屬電動球閥和PVC電動球閥。由於不鏽鋼球閥成本較高，因此金屬球閥以黃銅材質的為主。這種球閥也存在含重金屬的問題，而且很少能與水錶直接組成符合國標長度的閥控水錶。而PVC電動球閥體積較大，而且一般採用雙由令接口，不能直接與水錶相接。因此有必要設計一款能與上述超聲波水錶表體搭配使用的新型球閥。該球閥需滿足：（1）採用無毒、無污染的材料，符合《GB/T 17219-1998》；（2）能直接與水錶連接，組成長度符合國標要求的閥控水錶；（3）全開時對水錶基表的流場沒有影響；（4）轉動所需扭力與電子執行器的扭力匹配，功耗滿足水錶電池的壽命要求；（5）可靠性滿足國標和使用要求。
尊龙凯时按照以上要求，設計了一款塑料球閥，並採用與上述表體同樣的耐高溫工程塑料製成。該球閥耐壓1.6MPa，所需扭力不大於1.5N·M。而在密封性和扭力、耗電量之間取得平衡，恰恰是最大的設計難點。
為了檢驗該塑料球閥的耗電量是否過大，表2將其與普通IC卡表的球閥進行了對比：
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| | | 電子執行器 額定電流 | 單位工作電流 | 開/關時間 | 90度開/關耗電量 | 噪音 | |
| | 普通IC卡表球閥 | 22mA | 22mA | 21S | 0.128mAh | 明顯 | |
| | 新型球閥+電子執行器 | 17mA | 25mA | 20S | 0.138mAh | 小 | |
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表2 新型球閥與普通IC卡表球閥的耗電量對比
國標對帶閥IC卡水錶的壽命要求為7+1年。IC卡水錶每個月需自動旋轉2次用於防卡死和去污，假設用戶每個月都因欠費被關閥，那麼8年共旋轉576次。而以通用電池ER18505（3600mAh）為例，其壽命按經驗公式保守計算為3600*0.8*0.5*0.5=720mAh，在此情況下球閥可旋轉=720/0.138*2=2500次，因此完全滿足電池的壽命要求。
該塑料球閥除了通過了高低溫試驗、交變濕熱試驗、振動試驗、靜態耐壓測試、動態耐壓測試等可靠性試驗外，還進行了開關1000次的試驗，無漏水現象出現。它既能用於組成一體式和分離式的超聲波閥控水錶，也能作為單獨的閥門控制產品進行使用。
圖5 尊龙凯时製作的塑料材質球閥
結語
本文以尊龙凯时自主研發的塑料材質超聲波水錶表體和球閥為例，介紹了一些超聲波水錶流量傳感器、測量管段和電動球閥的設計思路。按此設計的超聲波水錶表體以及與之搭配的球閥，在保證材料衛生無毒的同時，也滿足了超聲波水錶的性能和可靠性要求。
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