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直读式水表及抄表系统的研究2005年7月

 摘要  提出了一种新型的传统机械水表的数字化设计思路——直读式水表及抄表系统,介绍了实现原理和实现方法。

关键词 直读式水表  抄表系统   绝对式编码   海明距离

0 引言

   随着技术的发展、生活条件的不断改善,住宅的智能化要求日益提高,一户一表的推行,多费率水价的实施以及用水管理部门出于对数据统计及收费管理的需要,都要求对传统的机械式水表及上门人工抄表方式进行变革,实现水表的数字化和自动抄表。水表的数字化工作和自动抄表系统已经过实施和使用,但由于种种原因,绝大多数自动抄表系统都未能正常运行,最后只好恢复原来的机械式水表和人工抄表,造成了很大的人力和财力浪费。造成失败的原因,主要是现有的机械水表的数字化方法存在致命的缺陷。本文提出了一种新型的机械水表的数字化方法-—直读式水表及抄表系统的设计思路。

1 水表的数字化技术

  水表数字化的关键技术问题是能否正确地把机械计量数据转化为电子读数,即传感器技术是否可靠和具有很强的抗干扰能力。

   常用的水表传感技术主要有干簧管传感器、霍尔传感器、韦根传感器、光电传感器。这些传感技术都是通过传感器变换、累计暂存、传送数据三步来完成数字化自动抄表的。用水表某位指针或齿轮镶嵌磁性材料先把计量数字变成电脉冲信号,然后单片机对脉冲信号进行采集、累加、存储和传送,最后传到上位计算机进行远传抄表。在整个过程中,水表不能脱离电源的支持,必须维持稳定、可靠、不间断的供电。因此这类水表统称为有源发讯水表或脉冲水表,都属于有源表。一个计量数据,通过上述三个过程最后得到的数据和表具指示数不一致,其中每个环节都可能出错,特别是传感器变换和累计暂存错的机会较多,而且一旦有错就无法纠错,而产生脉冲误差原因有很多:机械振动、电磁干扰、供电问题、表具倒转、退磁等,只要有一点产生错误,累积误差永远地被保存在结果中。因此,有源抄表系统存在如下诸缺点:

①     易受电磁干扰、盗用、破坏;

②     初始化及维护工作量大;

③     电能消耗,维护费用可观。

从有源脉冲表存在的以上缺陷可知,如果不对水表传感技术进行改进,则无法从根本上解决问题。首先应解决不间断的供电电源问题,改为只在要抄表时加电而平时不用电源。其次解决脉冲累积方法造成的差错,改为读取水表的数据,即读即送把累计暂存环节去掉。再则传感器采用无磁性材料,最后上传的数据信息不再是脉冲信息。根据上述思路本文提出了一种新型的水表数字化方法,即无源直读数字化方法,使得抄表系统在工作可靠、抄送准确、免维护三大核心技术问题上取得了重大突破。“无源”的含义是,平时不向水表和通信网络供电,需要抄表时才供电。“直读”的含义是,读出的数据都与水表表盘上的数据同步。“数字”的含义是,传送的是水表示数据而不是脉冲信息。

2  无源直读水表工作原理

   能够在无电的情况下也能够把机械读数转化为电子读数,其关键技术是绝对式编码,通过编码识别字轮的位置。字轮上有从0到9的10个数字,为了识别这10个数字采用计算机中的信息编码技术,用4个bit来表示16个不同信息,因此10个数字可以用4位编码来表示。在一个字轮上用4个圆周很容易实现0~9的编码,但是我们要注意到一个事实,字轮本身比较小,在一个字轮上安排4个圆周的编码原理上虽然可行,但实用性太差。所以,最好是在1个圆周上实现绝对式编码。

   ①绝对式编码的实现

在水表计数的每个字轮的一侧安装若干个感应装置,另一侧在与感应装置相对应的位置设有若干组传感器件,如图1所示。传感器焊接在线路板上,按照一定的规则在同一圆周上分布,线路板保持固定不动,如图3、4所示。每个字轮的同一圆周上按照一定的规则挖出若个透光孔,如图2所示。当水表字轮随着用户用水而转动时,在传感器的感应器之间必然出现透空和隔断的情况,则可通过判断传感器与感应装置的对应状态来确定字轮的位置,从而得到要读出的数据。当传感器和感应装置之间处于隔断的位置时,感应装置输出的信号设为高电平;当传感器和感应装置之间处于透空的位置时,感应装置输出的信号设为低电平。一个字轮所有感应装置的输出构成了这个字轮的角度信息编码,从而可得到字轮上的数字。把识别的数据通过仪表总线向上发送或用液晶显示,就可实现机械水表的数字化。

                   图1 水表计数器

                   图2  字轮

采用绝对式编码数字化水表平时不需采集信号和存储数据,所以不需要供电,只有当需要读取数据的时候才通电,这样完全避免了外界的电干扰,也不用担心停电丢失数据、机械读数与电子读数不同等情况,实现无源直读功能。

                   图3 线路板1

                   图4  线路板2

②信息编码规则

 一个编码系统中任意两个合法编码(码字)之间不同的二进制数位(bit)数叫这两个码字的码距,而整个编码系统中任意两个码字的码距,而整个编码系统中任意两个码字的最小距离就是该编码系统的码距即海明距离。在计算机数据传输中,信息是已知的,信息编码的作用是进行校验和纠错,因此信息编码的海明距离要求大于3,才能对编码进行校验和纠错。而是水表数字化中采用的编码信息要从传感器中获得,是未知,一旦获得信息,编码也就确定了。而传感器存在个体差异、水表装配、加工存在偏差,当信息编码海明距离大于1时,任意两个合法编码之间不同的二进制数位会发生好几种变化,由于受到成本的限制,采用的传感器个数有限,而这些变化可能会引起编码的重叠,造成误读。因此水表数字化编码的海明距离取1,相邻的码字只由一个数字位相互区分开,也就是,在相邻的信息组中,二进制信息间的小差别或距离只是一比特的变化。

③传感装置的确定

 为了正确无误地识别0到9等10个数字,理论上采用4对传感装置即可识别10个不同的信息,但是注意到低位字轮在从9到0转动过程中,机械读数可能处于临界位置,同时根据编码规则要求相邻信息之间的海明距离为1,所以,一个字轮至少需要5对传感装置,传感器跨度要大于90度,且安装在同一圆周上,这样可保证传感器的输出信号中既有高电平,又有低电平。如图3、4,我们按照36度等间隔安装5个传感器。

④字轮透空的处理

 字轮进行透空处理可保证传感器的输出信号有高、低电平。透空原则:a传感器输出形成的编码不能有重叠;b相邻编码之间的海明距离为1;c在同一圆周上;d至少能形成10个以上的不同编码。如图2所示,为数字8、9、0、1、2对应的圆周上的透空。

3  无源直读水表的特点

①     一维绝对式编码,占用字轮的面积少,易加工;

②     一维编码的误差容易计算和控制,有利于设计传感器的安装位置和检测方法;

③     海明距离为1的编码,有利于识别;

④     无源直读水表日常工作无需供电,避免了由于供电不稳定、不可靠或故障引起的计量误差及大量的维护工作;

⑤     自动记忆码轮位置。不是脉冲累加式计量,无需初始化,抄表系统维护工作量少;

⑥     数码传送。在接收方可利用校验码进行误码判断,如错则要求水表重发,所以在复杂的使用环境下能稳定、准确、可靠地实现计量;

⑦     机械读数和电子读数保持一致。不存在因累计误差或水表倒转而引起两者读数不一致的情况;

⑧     传感器是无磁非接触式的。不存在外界磁干扰引起读数不准的情况,电子读数装置不影响原来一次仪表的计量精度。

  4 无源自动抄表系统

无源自动抄表系统的主要包括。无源直读式水表、M-Bus总线、集中器、手持式抄表器等构建成第一层网络;集中器、通讯器、调制解调器、RS485总线等构建成第二层网络,计算机管理信息系统、调制解调器作为第三层网络,三层网络构成整个无源自动抄表系统。手持式抄表器、计算机管理信息系统分别经红外接口、电话网与集抄器相接,集抄器经4线制485总线与若干个集中器相接,而若干个集中器又分别经2线制M-Bus总线与若干个无源直读式水表相接。实现微功耗的自动抄表网络的技术方案是:①如图5,采用3层结构的通信网络,其中的关键设备是集中器,集中器对于接收到的数据包进行判断,如果属于它下面水表,集中器闭合继电器,打开下行M-Bus总线的电源和信号回路,否则丢弃不理。这样同时工作的设备降为最少。②选择低功耗的元器件。③采用开关技术。例如,每个1秒打开系统电源,并保持1毫秒,判断系统是否要正常工作,如果不需要,则立刻关掉系统电源,并进入掉电状态,以进一步降低平均工作电流。

                图5  无源自动抄表系统

5  结束语

   根据上述思路,我们已成功地开发出干式无源直读式水表和系统样机。经试验,读数的准确性令人满意,但产品对制造工艺、装配工艺的紧密性要求比较高,目前还只限应用于干式水表中。我们相信,随着无源数字化编码技术的成熟,制造工艺、装配工艺水平的提高,必能克服此缺陷,应用到所有带有字轮技术器的表具上,从而推动自动抄表技术的健康发展。


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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