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物联网时代：以固态水表淘汰落后的机械水表
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？（图片）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)。（图片）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。 1/11/2015


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