论水表机械计数器的电子化及其

1、论水表机械计数器的电子化及其对提高水表产品质量的作用无锡水表有限责任公司 毛永芳 邮编：214073 手机号要：本文主要讨论将水表机械计数器电子化的可行性，及其对水表计量性能的提高和质量控制的改进，并重点介绍本公司将机械计数器电子化的一种方案，希望能对业界同行有所帮助，并推动水表由传统的机械产品向机电一体化产品转变进程。关键词：齿轮组减数比,低功耗单片机，无磁传感技术、自动校表台一 引言随着社会的发展和科技的进步，电子技术的运用日益广泛，传统的机械产品逐渐为具有现代设计理念的机电一体化产品或电子产品所取代，为顺应这种趋势，同时也是水表这种传统的机械产品持续发展，不被市

2、场所淘汰的必然要求，所以对水表的电子化势在必行，而水表电子化的关键就是对其机械计数器的电子化，只要解决了这个技术难关，水表的电子化就可以说是基本完成了，针对这一点，本文将从传统机械计数器的特点和结构原理，机械计数器电子化的可行性分析及本公司机械计数器电子化的方案这几个方面作深入的探讨。二 传统机械计数器的结构和工作原理传统机械计数器的结构常用的有指针式和指针、字轮式（注：另有一种液封式结构只是将字轮机构用防冻液体密封在透明的腔体内与被测水隔开，其实亦属于指针、字轮式）两种。目前我国生产和使用的水表中，绝大多数为指针式，但从现在的发展趋势看，指针、字轮式计数结构将逐渐占据市场的主流。 图1其中指

3、针式计数器的结构和工作原理如图1所示，叶轮轴上的中心齿轮与第一位齿轮相啮合，齿轮组将叶轮转速记录下来，通过指针在度盘上指示出流经水表的水量。齿轮组的前三位齿轮为变速齿轮，起变速作用。自第三位（即第一位非星形的指针的）齿轮的主动轮（即小齿）起，直到末位齿轮止，起计数作用，称为计数齿轮，其相邻的两指针的齿轮间，其速比均为10:1，由此构成连续十进位方式。 图2指针、字轮式计数器的结构和工作原理如图2所示，其变数齿轮部分工作原理同指针式计数器，所不同的是原指针式计数器计数齿轮部分为字轮传动机构所代替（字轮传动机构其实为齿轮机构的一种特殊变形，其速比亦为10:1）,构成连续十进位方式。因为不同规格的水

4、表，在通过等量水体积的情况下，其叶轮与第一位指针的转速比是不同的，所以机械计数器是通过调整变速齿轮的主、被动轮的齿数来取得不同的减速比而满足不同规格水表的需要，习惯上将此减数比称为该水表的减速比i,即为变速齿轮组主动齿轮与被动齿轮齿数之比，譬如常用的机械水表LXS-15C的减速比i为29.6。三 机械计数器电子化的可行性分析从上述对机械计数器的结构和工作原理的简要介绍可知，其在使用中可能会出现如下问题：1. 因为是采用机械传动,所以必然会产生摩擦力，此摩擦力会反馈至叶轮中心齿上，对叶轮的转动产生一定的阻力，影响水表的始动流量(注:能使叶轮持续转动的最小流量),从而影响其计量的精度。2. 如水表

5、的结构有较大改动时，则需通过大量试验重新确定其齿轮减速比，重新调整减速齿轮组中各主、被动轮的齿数，并修改或重新制造齿轮模具，从而无形中延长了新型号水表的研发周期。3. 指针式水表如不是专业人员很难准确读数，而字轮式水表虽读数方便，但字轮机构传动产生的阻力大于齿轮机构所产生的阻力，尤其是进位时，对水表的始动流量影响更大。4. 如有异物进入传动机构则整个水表就可能因为卡死而无法准确计量水量，加上目前各自来水公司基本上均需一个月左右抄一次表读数，由于卡死现象是随机产生的，无法确定具体时间，所以容易同用户因此产生用水量上的纠纷，造成管理上不必要的麻烦。5. 无论何种形式的机械计数器仅通过在其计数齿轮或

6、字轮上附加传感装置，将其机械转动转换为电信号再通过信号处理单元将其转化为一定的水量输出的方法，虽然也是将计数器进行了机电一体化改造，但未从根本上解决机械传动机构的摩擦阻力和遇异物卡死的问题，且还会产生机电转化误差，留下可能与用户产生用水纠纷的隐患。 而对机械计数器的电子化，就是完全摈弃机械传动部分，采用可靠的传感器直接采集水表叶轮的转动信号，并通过专用的单片机执行水流量信号的转换、数据处理与信息储存、信号远程传输等一系列特定功能的操作，同时在其自带的液晶显示屏上实时显示水表的累计用水量，可见，水表机械计数器的电子化的最终成果就是将其转化为多种功能高度集成的电子模块。这将是水表从传统的机械制造类

7、产品向高科技附加值产品转变的一次飞跃，对整个水表行业将产生深远的影响。其优势如下：1. 由于完全摈弃了机械传动部分, 原来采用机械传动,所以必然产生的摩擦力也不存在了,在结构上只要将叶轮转动部分的灵敏度不断提高,就可以使水表的始动流量不断降低，从而大大提高其计量精度。（通过这样的改进，我公司原来的15mm旋翼式智能水表的计量精度从国家标准的B级提高到国家标准的C级）。2. 如水表结构有较大改动造成叶轮每转一圈所需水量的变化，只需通过试验确定叶轮在相应流量点下每转一圈所需水量，通过专用软件写入模块中的单片机内即可完成水表流量示值误差的调试工作，大大缩短了新型号水表的研发周期。3. 电子计数器自带

8、的液晶显示器读数方便，同时因为没有了机械计数器，机电转换误差的问题就迎刃而解，且通过显示按钮可实现翻屏操作，能反映如瞬时流量、时间等更多的信息，并能通过通讯端口将这些数据直接传输到后台服务器的数据库中，很容易就能实现自来水公司对水表的远程实时监控。4. 电子计数器直接从叶轮的转动中取得信号，叶轮机构的结构简单，且有滤网保护，被异物卡住的概率相当低，即使出现异常情况而出现不计数的现象也能从其模块中的储存器内读出故障出现的具体时间，以及该水表的日平均用水量，方便与用户沟通解决水费问题。5. 电子计数器利用电子产品的特性可以把每一块表的时实状态（瞬时流量、累计流量、正反转、故障状态）都记录下来，使每

9、一块表从生产到报废都有一个历史记录。6. 电子计数器采用低功耗单片机，正常工作时耗电量相当低，一节2.0安时的锂电池即可保证其正常工作大于6年(国家标准规定民用水表的使用周期为6年)。7. 电子计数器便于大量生产，可以不断提高产量，降低成本。同时装入电子计数器的水表可实现自动校表（此校表模式已经在我公司采用），从而大大提高了单位产品的劳动生产率，并且由于没有了人为误差，也确保了产品质量的稳定性。8. 采用电子计数器的水表结构简单，容易做防水设计，我公司的此类型水表可达到IP68标准，而一般在机械表基础上改装的机电一体化水表很难达到此标准。除了以上优势外，采用电子计数器的水表在德国、英国、法国等

10、发达国家已经开始推广，这已经是也必将成为一种国际性的趋势，所以将水表的机械计数器电子化不仅可行，而且是势在必行。四 我公司机械计数器电子化的方案我公司自2000年以来一直在做着对机械计数器电子化的尝试，经过近九年的努力，最终确定选用采用无磁传感技术与MSP30FW42X 系列低功耗单片机相结合的方案。本方案通过把流体流动转换为旋转运动实现对流体流量的检测。采用附有金属膜的叶轮实现这种转换，管道中的流体推动叶轮的不断旋转，其转速直接决定于流体的流速。此机械转动信号经无磁非接触式传感器将其转化为电信号送至微控制器的SCAN IF模块，SACAN IF模块计算出转动（流体流量）和它的方向。所以此方案

11、具有功耗低、测量流量范围宽、精度高、稳定性和一致性好的特点，尤其在小流量下亦保持了很高的测量精度，同时丝毫不受各类水锈、杂质的影响。其基本结构原理如下图：其计量原理可以用一句话概括：表头模块记录每个脉冲的时间间隔，根据此时间查表得到每个脉冲代表多少水量。而校表的目的就是为了得到脉冲时间间隔和脉冲当量的对应关系，即流量系数表。累计流量就是通过来一个脉冲查一次表，然后累加每个脉冲的水量得到的。时间系数是通过以下两个量得到：流过L升水消耗的时间T秒，脉冲数N，由于表头模块的内部时间是以32ms为时间单位的，所以时间系数=脉冲当量通过以下两个量得到: 流过的水量L升，脉冲数N,脉冲当量= 单位0.1m

12、L/个 瞬时流量与流量系数的对应关系大致如上图。因此，十个流量点的划分大致如下：(仅供参考) 2700 L/H 参数取30002700 L/H1750 L/H 参数取3000和1500的均值1750 L/H1250 L/H 参数取15001250 L/H650 L/H 参数取750650 L/H200 L/H 参数取450和300的均值200 L/H100 L/H 参数取120100 L/H45 L/H 参数取1200.6300.445 L/H27 L/H 参数取3027 L/H12 L/H 参数取30的97 12 L/H 参数取30的90从以上数据可以看出电子计数器比机械计数器在计量精度和计量范围上均有明显的提高。我公司从2006年下半年开始将电子计数器投入生产线，并针对其得特性对校表设备进行了专门的改造，设计制造出了自动校表台，实现了对此类型水表的自动校调和自动检测，大大提高了水表在质量控制方面的效率和准确性，此技