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| 物聯(lián)網(wǎng)時代：以固態(tài)水表淘汰落后的機械水表 |
| 物聯(lián)網(wǎng)時代：以固態(tài)水表淘汰落后的機械水表 | | 發(fā)布時間：2017/4/10 10:49:23 |
迄今為止，智能水表計量技術專注于通信網(wǎng)絡——將水表計數(shù)傳輸至供水公司；同時，大多數(shù)水表的精度已經(jīng)引起高度質疑。目前用水計量精度不高、代價昂貴，遠未滿足涌現(xiàn)出的IoT技術，不能為水管理帶來任何利益；遠遠不能幫助人類真正了解凈水流向了哪里。
慶幸的是，我們已經(jīng)做好變革準備：有一種固態(tài)水表新技術，比傳統(tǒng)機械水表精度更高、更為可靠。這就是超聲固態(tài)設計，現(xiàn)已準備好迎接IoT時代的到來。
水計量的長期狀態(tài)
目前施行的水表標準已經(jīng)數(shù)十年未經(jīng)修訂，允許系統(tǒng)中有大量的浪費；不要求水表測量每天360加侖以下的損耗率。這是當今機械水表的切實局限。同時也難以保證這些水表在任意時間周期的精度。想象一下每天360加侖實際上有多少水！按照這種“滴漏”速度，不到兩個月就能灌滿一個20,000加侖的游泳池，足夠400至700個成年男性每天的飲水量，夠每天沖60次馬桶，或者每天洗澡4次、每次10分鐘。
這是在散播恐慌嗎？我們僅僅是盯緊政府機構的規(guī)范以及制造恐慌、懷疑和不信任情緒嗎？非也。漏泄造成凈水浪費是不爭事實。在美國，每年因為漏泄造成的水資源浪費達到1萬億加侖；有10%的家庭每天滴漏的水至少為90加侖�；趪乐斞芯康墓浪銛�(shù)據(jù)表明，“在發(fā)展中國家，供水系統(tǒng)中接近一半的水量通過漏泄、偷竊以及管理不善或污染等途徑被損耗”。全球范圍內，有很大比例的凈水在達到目的地之前被損耗。
真是悲劇！如果我們不知道如此多的凈水都流向了哪里，如何能夠想到更高效的供水方式？如果我們不能準確判斷建筑物是否正在漏泄達到一個游泳池的水量，如何做出明智的決策？我們?yōu)槭裁磿硐萑绱饲樾危?
利用機械表測量水量
不存在什么陰謀，流量測量確實很困難。水量測量的最簡單方式正是使用了數(shù)十年的方式——使用機械水表。水表內有一個渦輪，其旋轉與水表中通過的水量成比例，從而確定水流量。盡管這種方法使供水公司能夠針對每戶的大致用水量進行收費，但存在缺陷。因此，機械水表的不準確限制了我們準確判斷浪費掉的水去了哪里，也限制了用水管理進入現(xiàn)代化階段的能力，包括IoT。
現(xiàn)在使用廣泛的傳統(tǒng)機械水表存在兩項嚴重缺陷。第一項是純物理方面：水表中的旋翼需要一個最小流量才能旋轉。旋翼具有一定的基本阻力，必須克服該阻力才能保證在出現(xiàn)水流時進行旋轉。這是當今水表測量標準背后的驅動力，現(xiàn)行標準實際上將精度底限限制到?加侖每分鐘(即360加侖每天)。
機械水表的第二項嚴重缺陷是污染。想象一下廚房或浴缸水龍頭上的濾網(wǎng)。自從安裝以來，您曾經(jīng)看到濾網(wǎng)真正干凈過嗎？濾網(wǎng)上很可能滿是令人惡心的雜質沉淀�，F(xiàn)在想象一下采用機械旋翼的水表問題。水表通常的測試要求為在預期量程范圍內的精度達到1%。然而，水中的雜質沉淀及其它腐蝕元件將很快限制任何機械水表的精度。實際上，最近對機械水表的研究表明，各種水表中有高達89%的比例是不準確的。機械水表在短短兩年內即超出校準范圍。機械水表發(fā)生故障時，通常表現(xiàn)為“變慢”，意味著供水公司不能準確測量得知水流向了何方。隨著時間推移，供水公司就要承擔一定未能收費的水損耗；為保證盈利(我們以上所述的底限)，供水公司就必須分攤浪費的費用，即所有用戶分攤損失的水。
利用固態(tài)水表提高測量精度
那么，既然機械水表存在這樣的缺陷，有什么替代方案呢？顯而易見，固態(tài)水表有助于解決污染問題�，F(xiàn)在的流量計量領域有兩種典型的固態(tài)方案。
第一種固態(tài)方案是電磁式。從本質上講，在傳導性液體中產(chǎn)生磁場并檢測；磁場與液體流量成比例。實際應用中，電磁式水表的精度可以非常高，但要求用高精度ADC以實現(xiàn)測量精度，而且功耗較大、成本通常較高。盡管這種精度(以及功耗和BOM成本)對于分布式水表或參考水表可能實用，但對于住宅水表或普通水表并不實際。
第二種固態(tài)方案采用超聲脈沖測量水流量。其基本原理就是水管中的兩個壓電元件通過水發(fā)送和接收超聲脈沖。通過水表的水流將提高或降低超聲脈沖的速度。另一側的傳感器接收和分析脈沖，確定壓電變送器上接收到的模擬信號的相位變化，據(jù)此計算水流量。由于使用當今的高精度、高速ADC和DSP處理器接收超聲脈沖信號、轉換并確定水流量，所以管理此類脈沖測量的傳統(tǒng)技術成本較高、功耗較大。成本和功耗再次成為使用這種方法測量水流量的攔路虎。
鑒于這種情況，還有人奇怪為什么住宅水表幾乎全是機械式嗎？所以，我們沒有看到水流量普適測量也就毫不奇怪。此外，我們也沒有看到基于例如熱水系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、淋雨、天然氣、煤氣罐以及其它消費設備的流量計量，除非流量測量的功耗和成本降低。
為大眾帶來高精度、經(jīng)濟實惠的水測量方案
既然固態(tài)水表功耗大、成本高，水流量測量停留在20世紀，無法支持IoT就毫不奇怪。毫無疑問，我們需要高性價比、高能源效率的固態(tài)技術來準確測量液體流量。
現(xiàn)在，我們探討一下時間至數(shù)字轉換器(TDC)。TDC是接收開始和停止信號并準確測量時間差的電路。聽起來很簡單，但如果我告訴您要求高精度測量皮秒級的時間差并且不要求THz (1,000GHz)時鐘，又會如何？并且耗流只有微安級呢？
圖1.流量計內的閥芯體是液體流經(jīng)的管道。對于超聲流量計，
閥芯體包含壓電元件和反射鏡，產(chǎn)生、吸收和反射超聲波
基于TDC的超聲流量計(圖1)仍然使用壓電元件在上行和下行方向發(fā)送信號，并測量時間差(TDC電路的作用)。然而，需要對“開始”和“停止”信號進行大量調理，以獲得高精度測量，例如壓電元件驅動器、放大接收信號，以及溫度補償。此外，通過增加定制控制邏輯來執(zhí)行多種功能：發(fā)送和測量多個脈沖、在第一個壓電元件信號時可靠觸發(fā)、記錄歷史數(shù)據(jù)、處理校準數(shù)據(jù)以及在喚醒系統(tǒng)微控制器之前儲存多條記錄，可顯著提高系統(tǒng)精度(圖2)。
圖2.高度集成MAX35101流量計SoC的方框圖。注意模擬前端(AFE)中的集成TDC測量電路和模擬信號調理
流量計片上系統(tǒng)(SoC)克服了固態(tài)流量計的功耗和成本問題，有助于普及高精度流量計量。器件集成TDC測量電路、模擬信號調理，以及實現(xiàn)極高精度計量所需的微型DSP和邏輯；解決了迄今為止妨礙跟蹤水浪費或加入21世紀IoT的所有問題。
該技術的現(xiàn)實利益有哪些？很多，很多...
- 提高精度。現(xiàn)行的計量標準要求精度達到?加侖每分鐘的低流量。MAX35101在1/16加侖每分鐘的流量下可達到1%精度，這也是現(xiàn)在提議的測量水平，可檢測低得多的流量(無需1%的精度即可檢測到漏泄)。
- 延長使用壽命。超聲固態(tài)流量計沒有運動部件，不容易受腐蝕或雜質沉淀的影響，而這些原因會造成機械式水表很快超出校準范圍。這些水表在現(xiàn)場的工作壽命長得多，同時保證精度。
- 改善擁有成本。使用機械式水表時，精度會逐漸變差，或者您需要每幾年就更換水表。固態(tài)水表的工作壽命長得多。供水公司將會發(fā)現(xiàn)其運營成本直線下降，節(jié)省了維護和更換水表的費用。
- 改善BOM成本。超聲流量計SoC只需很少的器件即可執(zhí)行高精度能源測量；與其它需要DSP處理器和高精度ADC的固態(tài)計量技術相比，這是非常明顯的優(yōu)勢。
- 低功耗。流量計SoC僅給流量測量系統(tǒng)增加幾個毫安的功耗，所以不會造成電池成本增加。供水公司還能減小電池尺寸——又能節(jié)省成本。
擺脫傳統(tǒng)水計量方式
我很想知道我的淋浴器或洗碗機或洗衣機到底使用了多少水量。我希望能夠檢測到噴灑系統(tǒng)中的漏泄或過多的流量。就在前幾天我剛剛更換了一個造成管道損壞的噴頭。在我發(fā)現(xiàn)并更換噴頭之前，每天早上有多少水從該管道流出(浪費水并且殺死植物)。
MAX35101流量計SoC完全可以應對這些挑戰(zhàn)，器件功耗低、使用壽命長，所以部署起來很便宜。器件尺寸小巧、高度集成，精度足以滿足日益凸顯的低流量漏泄檢測要求。現(xiàn)在，水可以加入IoT了。
我們可以預見在不久將來實現(xiàn)普適計量嗎？我對此確信不疑。歡迎來到21世紀。 |
迄今為止，智能水表計量技術專注于通信網(wǎng)絡——將水表計數(shù)傳輸至供水公司；同時，大多數(shù)水表的精度已經(jīng)引起高度質疑。目前用水計量精度不高、代價昂貴，遠未滿足涌現(xiàn)出的IoT技術，不能為水管理帶來任何利益；遠遠不能幫助人類真正了解凈水流向了哪里。
慶幸的是，我們已經(jīng)做好變革準備：有一種固態(tài)水表新技術，比傳統(tǒng)機械水表精度更高、更為可靠。這就是超聲固態(tài)設計，現(xiàn)已準備好迎接IoT時代的到來。
水計量的長期狀態(tài)
目前施行的水表標準已經(jīng)數(shù)十年未經(jīng)修訂，允許系統(tǒng)中有大量的浪費；不要求水表測量每天360加侖以下的損耗率。這是當今機械水表的切實局限。同時也難以保證這些水表在任意時間周期的精度。想象一下每天360加侖實際上有多少水！按照這種“滴漏”速度，不到兩個月就能灌滿一個20,000加侖的游泳池，足夠400至700個成年男性每天的飲水量，夠每天沖60次馬桶，或者每天洗澡4次、每次10分鐘。
這是在散播恐慌嗎？我們僅僅是盯緊政府機構的規(guī)范以及制造恐慌、懷疑和不信任情緒嗎？非也。漏泄造成凈水浪費是不爭事實。在美國，每年因為漏泄造成的水資源浪費達到1萬億加侖；有10%的家庭每天滴漏的水至少為90加侖。基于嚴謹研究的估算數(shù)據(jù)表明，“在發(fā)展中國家，供水系統(tǒng)中接近一半的水量通過漏泄、偷竊以及管理不善或污染等途徑被損耗”。全球范圍內，有很大比例的凈水在達到目的地之前被損耗。
真是悲��！如果我們不知道如此多的凈水都流向了哪里，如何能夠想到更高效的供水方式？如果我們不能準確判斷建筑物是否正在漏泄達到一個游泳池的水量，如何做出明智的決策？我們?yōu)槭裁磿硐萑绱饲樾危?
利用機械表測量水量
不存在什么陰謀，流量測量確實很困難。水量測量的最簡單方式正是使用了數(shù)十年的方式——使用機械水表。水表內有一個渦輪，其旋轉與水表中通過的水量成比例，從而確定水流量。盡管這種方法使供水公司能夠針對每戶的大致用水量進行收費，但存在缺陷。因此，機械水表的不準確限制了我們準確判斷浪費掉的水去了哪里，也限制了用水管理進入現(xiàn)代化階段的能力，包括IoT。
現(xiàn)在使用廣泛的傳統(tǒng)機械水表存在兩項嚴重缺陷。第一項是純物理方面：水表中的旋翼需要一個最小流量才能旋轉。旋翼具有一定的基本阻力，必須克服該阻力才能保證在出現(xiàn)水流時進行旋轉。這是當今水表測量標準背后的驅動力，現(xiàn)行標準實際上將精度底限限制到?加侖每分鐘(即360加侖每天)。
機械水表的第二項嚴重缺陷是污染。想象一下廚房或浴缸水龍頭上的濾網(wǎng)。自從安裝以來，您曾經(jīng)看到濾網(wǎng)真正干凈過嗎？濾網(wǎng)上很可能滿是令人惡心的雜質沉淀�，F(xiàn)在想象一下采用機械旋翼的水表問題。水表通常的測試要求為在預期量程范圍內的精度達到1%。然而，水中的雜質沉淀及其它腐蝕元件將很快限制任何機械水表的精度。實際上，最近對機械水表的研究表明，各種水表中有高達89%的比例是不準確的。機械水表在短短兩年內即超出校準范圍。機械水表發(fā)生故障時，通常表現(xiàn)為“變慢”，意味著供水公司不能準確測量得知水流向了何方。隨著時間推移，供水公司就要承擔一定未能收費的水損耗；為保證盈利(我們以上所述的底限)，供水公司就必須分攤浪費的費用，即所有用戶分攤損失的水。
利用固態(tài)水表提高測量精度
那么，既然機械水表存在這樣的缺陷，有什么替代方案呢？顯而易見，固態(tài)水表有助于解決污染問題。現(xiàn)在的流量計量領域有兩種典型的固態(tài)方案。
第一種固態(tài)方案是電磁式。從本質上講，在傳導性液體中產(chǎn)生磁場并檢測；磁場與液體流量成比例。實際應用中，電磁式水表的精度可以非常高，但要求用高精度ADC以實現(xiàn)測量精度，而且功耗較大、成本通常較高。盡管這種精度(以及功耗和BOM成本)對于分布式水表或參考水表可能實用，但對于住宅水表或普通水表并不實際。
第二種固態(tài)方案采用超聲脈沖測量水流量。其基本原理就是水管中的兩個壓電元件通過水發(fā)送和接收超聲脈沖。通過水表的水流將提高或降低超聲脈沖的速度。另一側的傳感器接收和分析脈沖，確定壓電變送器上接收到的模擬信號的相位變化，據(jù)此計算水流量。由于使用當今的高精度、高速ADC和DSP處理器接收超聲脈沖信號、轉換并確定水流量，所以管理此類脈沖測量的傳統(tǒng)技術成本較高、功耗較大。成本和功耗再次成為使用這種方法測量水流量的攔路虎。
鑒于這種情況，還有人奇怪為什么住宅水表幾乎全是機械式嗎？所以，我們沒有看到水流量普適測量也就毫不奇怪。此外，我們也沒有看到基于例如熱水系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、淋雨、天然氣、煤氣罐以及其它消費設備的流量計量，除非流量測量的功耗和成本降低。
為大眾帶來高精度、經(jīng)濟實惠的水測量方案
既然固態(tài)水表功耗大、成本高，水流量測量停留在20世紀，無法支持IoT就毫不奇怪。毫無疑問，我們需要高性價比、高能源效率的固態(tài)技術來準確測量液體流量。
現(xiàn)在，我們探討一下時間至數(shù)字轉換器(TDC)。TDC是接收開始和停止信號并準確測量時間差的電路。聽起來很簡單，但如果我告訴您要求高精度測量皮秒級的時間差并且不要求THz (1,000GHz)時鐘，又會如何？并且耗流只有微安級呢？
圖1.流量計內的閥芯體是液體流經(jīng)的管道。對于超聲流量計，
閥芯體包含壓電元件和反射鏡，產(chǎn)生、吸收和反射超聲波
基于TDC的超聲流量計(圖1)仍然使用壓電元件在上行和下行方向發(fā)送信號，并測量時間差(TDC電路的作用)。然而，需要對“開始”和“停止”信號進行大量調理，以獲得高精度測量，例如壓電元件驅動器、放大接收信號，以及溫度補償。此外，通過增加定制控制邏輯來執(zhí)行多種功能：發(fā)送和測量多個脈沖、在第一個壓電元件信號時可靠觸發(fā)、記錄歷史數(shù)據(jù)、處理校準數(shù)據(jù)以及在喚醒系統(tǒng)微控制器之前儲存多條記錄，可顯著提高系統(tǒng)精度(圖2)。
圖2.高度集成MAX35101流量計SoC的方框圖。注意模擬前端(AFE)中的集成TDC測量電路和模擬信號調理
流量計片上系統(tǒng)(SoC)克服了固態(tài)流量計的功耗和成本問題，有助于普及高精度流量計量。器件集成TDC測量電路、模擬信號調理，以及實現(xiàn)極高精度計量所需的微型DSP和邏輯；解決了迄今為止妨礙跟蹤水浪費或加入21世紀IoT的所有問題。
該技術的現(xiàn)實利益有哪些？很多，很多...
- 提高精度�，F(xiàn)行的計量標準要求精度達到?加侖每分鐘的低流量。MAX35101在1/16加侖每分鐘的流量下可達到1%精度，這也是現(xiàn)在提議的測量水平，可檢測低得多的流量(無需1%的精度即可檢測到漏泄)。
- 延長使用壽命。超聲固態(tài)流量計沒有運動部件，不容易受腐蝕或雜質沉淀的影響，而這些原因會造成機械式水表很快超出校準范圍。這些水表在現(xiàn)場的工作壽命長得多，同時保證精度。
- 改善擁有成本。使用機械式水表時，精度會逐漸變差，或者您需要每幾年就更換水表。固態(tài)水表的工作壽命長得多。供水公司將會發(fā)現(xiàn)其運營成本直線下降，節(jié)省了維護和更換水表的費用。
- 改善BOM成本。超聲流量計SoC只需很少的器件即可執(zhí)行高精度能源測量；與其它需要DSP處理器和高精度ADC的固態(tài)計量技術相比，這是非常明顯的優(yōu)勢。
- 低功耗。流量計SoC僅給流量測量系統(tǒng)增加幾個毫安的功耗，所以不會造成電池成本增加。供水公司還能減小電池尺寸——又能節(jié)省成本。
擺脫傳統(tǒng)水計量方式
我很想知道我的淋浴器或洗碗機或洗衣機到底使用了多少水量。我希望能夠檢測到噴灑系統(tǒng)中的漏泄或過多的流量。就在前幾天我剛剛更換了一個造成管道損壞的噴頭。在我發(fā)現(xiàn)并更換噴頭之前，每天早上有多少水從該管道流出(浪費水并且殺死植物)。
MAX35101流量計SoC完全可以應對這些挑戰(zhàn)，器件功耗低、使用壽命長，所以部署起來很便宜。器件尺寸小巧、高度集成，精度足以滿足日益凸顯的低流量漏泄檢測要求�，F(xiàn)在，水可以加入IoT了。
我們可以預見在不久將來實現(xiàn)普適計量嗎？我對此確信不疑。歡迎來到21世紀。 |
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