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直讀式水表及抄表系統的研究2005年7月

 摘要  提出了一種新型的傳統機械水表的數字化設計思路——直讀式水表及抄表系統,介紹了實現原理和實現方法。

關鍵詞 直讀式水表  抄表系統   絕對式編碼   海明距離

0 引言

   隨著技術的發展、生活條件的不斷改善,住宅的智能化要求日益提高,一戶一表的推行,多費率水價的實施以及用水管理部門出于對數據統計及收費管理的需要,都要求對傳統的機械式水表及上門人工抄表方式進行變革,實現水表的數字化和自動抄表。水表的數字化工作和自動抄表系統已經過實施和使用,但由于種種原因,絕大多數自動抄表系統都未能正常運行,最后只好恢復原來的機械式水表和人工抄表,造成了很大的人力和財力浪費。造成失敗的原因,主要是現有的機械水表的數字化方法存在致命的缺陷。本文提出了一種新型的機械水表的數字化方法-—直讀式水表及抄表系統的設計思路。

1 水表的數字化技術

  水表數字化的關鍵技術問題是能否正確地把機械計量數據轉化為電子讀數,即傳感器技術是否可靠和具有很強的抗干擾能力。

   常用的水表傳感技術主要有干簧管傳感器、霍爾傳感器、韋根傳感器、光電傳感器。這些傳感技術都是通過傳感器變換、累計暫存、傳送數據三步來完成數字化自動抄表的。用水表某位指針或齒輪鑲嵌磁性材料先把計量數字變成電脈沖信號,然后單片機對脈沖信號進行采集、累加、存儲和傳送,最后傳到上位計算機進行遠傳抄表。在整個過程中,水表不能脫離電源的支持,必須維持穩定、可靠、不間斷的供電。因此這類水表統稱為有源發訊水表或脈沖水表,都屬于有源表。一個計量數據,通過上述三個過程最后得到的數據和表具指示數不一致,其中每個環節都可能出錯,特別是傳感器變換和累計暫存錯的機會較多,而且一旦有錯就無法糾錯,而產生脈沖誤差原因有很多:機械振動、電磁干擾、供電問題、表具倒轉、退磁等,只要有一點產生錯誤,累積誤差永遠地被保存在結果中。因此,有源抄表系統存在如下諸缺點:

①     易受電磁干擾、盜用、破壞;

②     初始化及維護工作量大;

③     電能消耗,維護費用可觀。

從有源脈沖表存在的以上缺陷可知,如果不對水表傳感技術進行改進,則無法從根本上解決問題。首先應解決不間斷的供電電源問題,改為只在要抄表時加電而平時不用電源。其次解決脈沖累積方法造成的差錯,改為讀取水表的數據,即讀即送把累計暫存環節去掉。再則傳感器采用無磁性材料,最后上傳的數據信息不再是脈沖信息。根據上述思路本文提出了一種新型的水表數字化方法,即無源直讀數字化方法,使得抄表系統在工作可靠、抄送準確、免維護三大核心技術問題上取得了重大突破!盁o源”的含義是,平時不向水表和通信網絡供電,需要抄表時才供電!爸弊x”的含義是,讀出的數據都與水表表盤上的數據同步!皵底帧钡暮x是,傳送的是水表示數據而不是脈沖信息。

2  無源直讀水表工作原理

   能夠在無電的情況下也能夠把機械讀數轉化為電子讀數,其關鍵技術是絕對式編碼,通過編碼識別字輪的位置。字輪上有從0到9的10個數字,為了識別這10個數字采用計算機中的信息編碼技術,用4個bit來表示16個不同信息,因此10個數字可以用4位編碼來表示。在一個字輪上用4個圓周很容易實現0~9的編碼,但是我們要注意到一個事實,字輪本身比較小,在一個字輪上安排4個圓周的編碼原理上雖然可行,但實用性太差。所以,最好是在1個圓周上實現絕對式編碼。

   ①絕對式編碼的實現

在水表計數的每個字輪的一側安裝若干個感應裝置,另一側在與感應裝置相對應的位置設有若干組傳感器件,如圖1所示。傳感器焊接在線路板上,按照一定的規則在同一圓周上分布,線路板保持固定不動,如圖3、4所示。每個字輪的同一圓周上按照一定的規則挖出若個透光孔,如圖2所示。當水表字輪隨著用戶用水而轉動時,在傳感器的感應器之間必然出現透空和隔斷的情況,則可通過判斷傳感器與感應裝置的對應狀態來確定字輪的位置,從而得到要讀出的數據。當傳感器和感應裝置之間處于隔斷的位置時,感應裝置輸出的信號設為高電平;當傳感器和感應裝置之間處于透空的位置時,感應裝置輸出的信號設為低電平。一個字輪所有感應裝置的輸出構成了這個字輪的角度信息編碼,從而可得到字輪上的數字。把識別的數據通過儀表總線向上發送或用液晶顯示,就可實現機械水表的數字化。

                   圖1 水表計數器

                   圖2  字輪

采用絕對式編碼數字化水表平時不需采集信號和存儲數據,所以不需要供電,只有當需要讀取數據的時候才通電,這樣完全避免了外界的電干擾,也不用擔心停電丟失數據、機械讀數與電子讀數不同等情況,實現無源直讀功能。

                   圖3 線路板1

                   圖4  線路板2

②信息編碼規則

 一個編碼系統中任意兩個合法編碼(碼字)之間不同的二進制數位(bit)數叫這兩個碼字的碼距,而整個編碼系統中任意兩個碼字的碼距,而整個編碼系統中任意兩個碼字的最小距離就是該編碼系統的碼距即海明距離。在計算機數據傳輸中,信息是已知的,信息編碼的作用是進行校驗和糾錯,因此信息編碼的海明距離要求大于3,才能對編碼進行校驗和糾錯。而是水表數字化中采用的編碼信息要從傳感器中獲得,是未知,一旦獲得信息,編碼也就確定了。而傳感器存在個體差異、水表裝配、加工存在偏差,當信息編碼海明距離大于1時,任意兩個合法編碼之間不同的二進制數位會發生好幾種變化,由于受到成本的限制,采用的傳感器個數有限,而這些變化可能會引起編碼的重疊,造成誤讀。因此水表數字化編碼的海明距離取1,相鄰的碼字只由一個數字位相互區分開,也就是,在相鄰的信息組中,二進制信息間的小差別或距離只是一比特的變化。

③傳感裝置的確定

 為了正確無誤地識別0到9等10個數字,理論上采用4對傳感裝置即可識別10個不同的信息,但是注意到低位字輪在從9到0轉動過程中,機械讀數可能處于臨界位置,同時根據編碼規則要求相鄰信息之間的海明距離為1,所以,一個字輪至少需要5對傳感裝置,傳感器跨度要大于90度,且安裝在同一圓周上,這樣可保證傳感器的輸出信號中既有高電平,又有低電平。如圖3、4,我們按照36度等間隔安裝5個傳感器。

④字輪透空的處理

 字輪進行透空處理可保證傳感器的輸出信號有高、低電平。透空原則:a傳感器輸出形成的編碼不能有重疊;b相鄰編碼之間的海明距離為1;c在同一圓周上;d至少能形成10個以上的不同編碼。如圖2所示,為數字8、9、0、1、2對應的圓周上的透空。

3  無源直讀水表的特點

①     一維絕對式編碼,占用字輪的面積少,易加工;

②     一維編碼的誤差容易計算和控制,有利于設計傳感器的安裝位置和檢測方法;

③     海明距離為1的編碼,有利于識別;

④     無源直讀水表日常工作無需供電,避免了由于供電不穩定、不可靠或故障引起的計量誤差及大量的維護工作;

⑤     自動記憶碼輪位置。不是脈沖累加式計量,無需初始化,抄表系統維護工作量少;

⑥     數碼傳送。在接收方可利用校驗碼進行誤碼判斷,如錯則要求水表重發,所以在復雜的使用環境下能穩定、準確、可靠地實現計量;

⑦     機械讀數和電子讀數保持一致。不存在因累計誤差或水表倒轉而引起兩者讀數不一致的情況;

⑧     傳感器是無磁非接觸式的。不存在外界磁干擾引起讀數不準的情況,電子讀數裝置不影響原來一次儀表的計量精度。

  4 無源自動抄表系統

無源自動抄表系統的主要包括。無源直讀式水表、M-Bus總線、集中器、手持式抄表器等構建成第一層網絡;集中器、通訊器、調制解調器、RS485總線等構建成第二層網絡,計算機管理信息系統、調制解調器作為第三層網絡,三層網絡構成整個無源自動抄表系統。手持式抄表器、計算機管理信息系統分別經紅外接口、電話網與集抄器相接,集抄器經4線制485總線與若干個集中器相接,而若干個集中器又分別經2線制M-Bus總線與若干個無源直讀式水表相接。實現微功耗的自動抄表網絡的技術方案是:①如圖5,采用3層結構的通信網絡,其中的關鍵設備是集中器,集中器對于接收到的數據包進行判斷,如果屬于它下面水表,集中器閉合繼電器,打開下行M-Bus總線的電源和信號回路,否則丟棄不理。這樣同時工作的設備降為最少。②選擇低功耗的元器件。③采用開關技術。例如,每個1秒打開系統電源,并保持1毫秒,判斷系統是否要正常工作,如果不需要,則立刻關掉系統電源,并進入掉電狀態,以進一步降低平均工作電流。

                圖5  無源自動抄表系統

5  結束語

   根據上述思路,我們已成功地開發出干式無源直讀式水表和系統樣機。經試驗,讀數的準確性令人滿意,但產品對制造工藝、裝配工藝的緊密性要求比較高,目前還只限應用于干式水表中。我們相信,隨著無源數字化編碼技術的成熟,制造工藝、裝配工藝水平的提高,必能克服此缺陷,應用到所有帶有字輪技術器的表具上,從而推動自動抄表技術的健康發展。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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