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物联网时代：以固态水表淘汰落后的机械水表 |
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作者：Maxim Integrated公司 Kris Ardis |
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迄今为止，智能水表计量技术专注于通信网络——将水表计数传输至供水公司；同时，大多数水表的精度已经引起高度质疑。目前用水计量精度不高、代价昂贵，远未满足涌现出的IoT技术，不能为水管理带来任何利益；远远不能帮助人类真正了解净水流向了哪里。
庆幸的是，我们已经做好变革准备：有一种固态水表新技术，比传统机械水表精度更高、更为可靠。这就是超声固态设计，现已准备好迎接IoT时代的到来。
水计量的长期状态
目前施行的水表标准已经数十年未经修订，允许系统中有大量的浪费；不要求水表测量每天360加仑以下的损耗率。这是当今机械水表的切实局限。同时也难以保证这些水表在任意时间周期的精度。想象一下每天360加仑实际上有多少水！按照这种“滴漏”速度，不到两个月就能灌满一个20,000加仑的游泳池，足够400至700个成年男性每天的饮水量，够每天冲60次马桶，或者每天洗澡4次、每次10分钟。
这是在散播恐慌吗？我们仅仅是盯紧政府机构的规范以及制造恐慌、怀疑和不信任情绪吗？非也。漏泄造成净水浪费是不争事实。在美国，每年因为漏泄造成的水资源浪费达到1万亿加仑；有10%的家庭每天滴漏的水至少为90加仑。基于严谨研究的估算数据表明，“在发展中国家，供水系统中接近一半的水量通过漏泄、偷窃以及管理不善或污染等途径被损耗”。全球范围内，有很大比例的净水在达到目的地之前被损耗。
真是悲剧！如果我们不知道如此多的净水都流向了哪里，如何能够想到更高效的供水方式？如果我们不能准确判断建筑物是否正在漏泄达到一个游泳池的水量，如何做出明智的决策？我们为什么会身陷如此情形？
利用机械表测量水量
不存在什么阴谋，流量测量确实很困难。水量测量的最简单方式正是使用了数十年的方式——使用机械水表。水表内有一个涡轮，其旋转与水表中通过的水量成比例，从而确定水流量。尽管这种方法使供水公司能够针对每户的大致用水量进行收费，但存在缺陷。因此，机械水表的不准确限制了我们准确判断浪费掉的水去了哪里，也限制了用水管理进入现代化阶段的能力，包括IoT。
现在使用广泛的传统机械水表存在两项严重缺陷。第一项是纯物理方面：水表中的旋翼需要一个最小流量才能旋转。旋翼具有一定的基本阻力，必须克服该阻力才能保证在出现水流时进行旋转。这是当今水表测量标准背后的驱动力，现行标准实际上将精度底限限制到?加仑每分钟(即360加仑每天)。
机械水表的第二项严重缺陷是污染。想象一下厨房或浴缸水龙头上的滤网。自从安装以来，您曾经看到滤网真正干净过吗？滤网上很可能满是令人恶心的杂质沉淀。现在想象一下采用机械旋翼的水表问题。水表通常的测试要求为在预期量程范围内的精度达到1%。然而，水中的杂质沉淀及其它腐蚀元件将很快限制任何机械水表的精度。实际上，最近对机械水表的研究表明，各种水表中有高达89%的比例是不准确的。机械水表在短短两年内即超出校准范围。机械水表发生故障时，通常表现为“变慢”，意味着供水公司不能准确测量得知水流向了何方。随着时间推移，供水公司就要承担一定未能收费的水损耗；为保证盈利(我们以上所述的底限)，供水公司就必须分摊浪费的费用，即所有用户分摊损失的水。
利用固态水表提高测量精度
那么，既然机械水表存在这样的缺陷，有什么替代方案呢？显而易见，固态水表有助于解决污染问题。现在的流量计量领域有两种典型的固态方案。
第一种固态方案是电磁式。从本质上讲，在传导性液体中产生磁场并检测；磁场与液体流量成比例。实际应用中，电磁式水表的精度可以非常高，但要求用高精度ADC以实现测量精度，而且功耗较大、成本通常较高。尽管这种精度(以及功耗和BOM成本)对于分布式水表或参考水表可能实用，但对于住宅水表或普通水表并不实际。
第二种固态方案采用超声脉冲测量水流量。其基本原理就是水管中的两个压电元件通过水发送和接收超声脉冲。通过水表的水流将提高或降低超声脉冲的速度。另一侧的传感器接收和分析脉冲，确定压电变送器上接收到的模拟信号的相位变化，据此计算水流量。由于使用当今的高精度、高速ADC和DSP处理器接收超声脉冲信号、转换并确定水流量，所以管理此类脉冲测量的传统技术成本较高、功耗较大。成本和功耗再次成为使用这种方法测量水流量的拦路虎。
鉴于这种情况，还有人奇怪为什么住宅水表几乎全是机械式吗？所以，我们没有看到水流量普适测量也就毫不奇怪。此外，我们也没有看到基于例如热水系统、喷洒系统、淋雨、天然气、煤气罐以及其它消费设备的流量计量，除非流量测量的功耗和成本降低。
为大众带来高精度、经济实惠的水测量方案
既然固态水表功耗大、成本高，水流量测量停留在20世纪，无法支持IoT就毫不奇怪。毫无疑问，我们需要高性价比、高能源效率的固态技术来准确测量液体流量。
现在，我们探讨一下时间至数字转换器(TDC)。TDC是接收开始和停止信号并准确测量时间差的电路。听起来很简单，但如果我告诉您要求高精度测量皮秒级的时间差并且不要求THz (1,000GHz)时钟，又会如何？并且耗流只有微安级呢？
图1.流量计内的阀芯体是液体流经的管道。对于超声流量计，
阀芯体包含压电元件和反射镜，产生、吸收和反射超声波
基于TDC的超声流量计(图1)仍然使用压电元件在上行和下行方向发送信号，并测量时间差(TDC电路的作用)。然而，需要对“开始”和“停止”信号进行大量调理，以获得高精度测量，例如压电元件驱动器、放大接收信号，以及温度补偿。此外，通过增加定制控制逻辑来执行多种功能：发送和测量多个脉冲、在第一个压电元件信号时可靠触发、记录历史数据、处理校准数据以及在唤醒系统微控制器之前储存多条记录，可显著提高系统精度(图2)。
图2.高度集成MAX35101流量计SoC的方框图。注意模拟前端(AFE)中的集成TDC测量电路和模拟信号调理
MAX35101流量计片上系统(SoC)克服了固态流量计的功耗和成本问题，有助于普及高精度流量计量。器件集成TDC测量电路、模拟信号调理，以及实现极高精度计量所需的微型DSP和逻辑；解决了迄今为止妨碍跟踪水浪费或加入21世纪IoT的所有问题。
该技术的现实利益有哪些？很多，很多...
- 提高精度。现行的计量标准要求精度达到?加仑每分钟的低流量。MAX35101在1/16加仑每分钟的流量下可达到1%精度，这也是现在提议的测量水平，可检测低得多的流量(无需1%的精度即可检测到漏泄)。
- 延长使用寿命。超声固态流量计没有运动部件，不容易受腐蚀或杂质沉淀的影响，而这些原因会造成机械式水表很快超出校准范围。这些水表在现场的工作寿命长得多，同时保证精度。
- 改善拥有成本。使用机械式水表时，精度会逐渐变差，或者您需要每几年就更换水表。固态水表的工作寿命长得多。供水公司将会发现其运营成本直线下降，节省了维护和更换水表的费用。
- 改善BOM成本。超声流量计SoC只需很少的器件即可执行高精度能源测量；与其它需要DSP处理器和高精度ADC的固态计量技术相比，这是非常明显的优势。
- 低功耗。流量计SoC仅给流量测量系统增加几个毫安的功耗，所以不会造成电池成本增加。供水公司还能减小电池尺寸——又能节省成本。
摆脱传统水计量方式
我很想知道我的淋浴器或洗碗机或洗衣机到底使用了多少水量。我希望能够检测到喷洒系统中的漏泄或过多的流量。就在前几天我刚刚更换了一个造成管道损坏的喷头。在我发现并更换喷头之前，每天早上有多少水从该管道流出(浪费水并且杀死植物)。
MAX35101流量计SoC完全可以应对这些挑战，器件功耗低、使用寿命长，所以部署起来很便宜。器件尺寸小巧、高度集成，精度足以满足日益凸显的低流量漏泄检测要求。现在，水可以加入IoT了。
我们可以预见在不久将来实现普适计量吗？我对此确信不疑。欢迎来到21世纪。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/11/2015) |
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