物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代：以固態(tài)水表淘汰落后的機(jī)械水表

迄今為止，智能水表計(jì)量技術(shù)專注于通信網(wǎng)絡(luò)——將水表計(jì)數(shù)傳輸至供水公司;同時(shí)，大多數(shù)水表的精度已經(jīng)引起高度質(zhì)疑。目前用水計(jì)量精度不高、代價(jià)昂貴，遠(yuǎn)未滿足涌現(xiàn)出的IoT技術(shù)，不能為水管理帶來任何利益;遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǔn)備：有一種固態(tài)水表新技術(shù)，比傳統(tǒng)機(jī)械水表精度更高、更為可靠。這就是超聲固態(tài)設(shè)計(jì)，現(xiàn)已準(zhǔn)備好迎接IoT時(shí)代的到來。

水計(jì)量的長期狀態(tài)

目前施行的水表標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)數(shù)十年未經(jīng)修訂，允許系統(tǒng)中有大量的浪費(fèi);不要求水表測量每天360加侖以下的損耗率。這是當(dāng)今機(jī)械水表的切實(shí)局限。同時(shí)也難以保證這些水表在任意時(shí)間周期的精度。想象一下每天360加侖實(shí)際上有多少水!按照這種“滴漏”速度，不到兩個(gè)月就能灌滿一個(gè)20,000加侖的游泳池，足夠400至700個(gè)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(jī)構(gòu)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(fèi)是不爭事實(shí)。在美國，每年因?yàn)槁┬乖斐傻乃Y源浪費(fèi)達(dá)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(yán)謹(jǐn)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(nèi)，有很大比例的凈水在達(dá)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(zhǔn)確判斷建筑物是否正在漏泄達(dá)到一個(gè)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?

利用機(jī)械表測量水量

不存在什么陰謀，流量測量確實(shí)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(jī)械水表。水表內(nèi)有一個(gè)渦輪，其旋轉(zhuǎn)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(jìn)行收費(fèi)，但存在缺陷。因此，機(jī)械水表的不準(zhǔn)確限制了我們準(zhǔn)確判斷浪費(fèi)掉的水去了哪里，也限制了用水管理進(jìn)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(jī)械水表存在兩項(xiàng)嚴(yán)重缺陷。第一項(xiàng)是純物理方面：水表中的旋翼需要一個(gè)最小流量才能旋轉(zhuǎn)。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(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這是當(dāng)今水表測量標(biāo)準(zhǔn)背后的驅(qū)動力，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上將精度底限限制到?加侖每分鐘(即360加侖每天)。

機(jī)械水表的第二項(xiàng)嚴(yán)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(zhì)沉淀?，F(xiàn)在想象一下采用機(jī)械旋翼的水表問題。水表通常的測試要求為在預(yù)期量程范圍內(nèi)的精度達(dá)到1%。然而，水中的雜質(zhì)沉淀及其它腐蝕元件將很快限制任何機(jī)械水表的精度。實(shí)際上，最近對機(jī)械水表的研究表明，各種水表中有高達(dá)89%的比例是不準(zhǔn)確的。機(jī)械水表在短短兩年內(nèi)即超出校準(zhǔn)范圍。機(jī)械水表發(fā)生故障時(shí)，通常表現(xiàn)為“變慢”，意味著供水公司不能準(zhǔn)確測量得知水流向了何方。隨著時(shí)間推移，供水公司就要承擔(dān)一定未能收費(fèi)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?jǐn)偫速M(fèi)的費(fèi)用，即所有用戶分?jǐn)倱p失的水。

利用固態(tài)水表提高測量精度

那么，既然機(jī)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(jì)量領(lǐng)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(zhì)上講，在傳導(dǎo)性液體中產(chǎn)生磁場并檢測;磁場與液體流量成比例。實(shí)際應(yīng)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(shí)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(shí)用，但對于住宅水表或普通水表并不實(shí)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(gè)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(cè)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(jì)算水流量。由于使用當(dāng)今的高精度、高速ADC和DSP處理器接收超聲脈沖信號、轉(zhuǎn)換并確定水流量，所以管理此類脈沖測量的傳統(tǒng)技術(shù)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(jī)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(fèi)設(shè)備的流量計(jì)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(jì)實(shí)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(jì)，無法支持IoT就毫不奇怪。毫無疑問，我們需要高性價(jià)比、高能源效率的固態(tài)技術(shù)來準(zhǔn)確測量液體流量。

現(xiàn)在，我們探討一下時(shí)間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)。TDC是接收開始和停止信號并準(zhǔn)確測量時(shí)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(shí)間差并且不要求THz (1,000GHz)時(shí)鐘，又會如何?并且耗流只有微安級呢?

圖1.流量計(jì)內(nèi)的閥芯體是液體流經(jīng)的管道。對于超聲流量計(jì)，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(jì)(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(shí)間差(TDC電路的作用)。然而，需要對“開始”和“停止”信號進(jìn)行大量調(diào)理，以獲得高精度測量，例如壓電元件驅(qū)動器、放大接收信號，以及溫度補(bǔ)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(gè)脈沖、在第一個(gè)壓電元件信號時(shí)可靠觸發(fā)、記錄歷史數(shù)據(jù)、處理校準(zhǔn)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(jì)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(diào)理。

MAX35101流量計(jì)片上系統(tǒng)(SoC)克服了固態(tài)流量計(jì)的功耗和成本問題，有助于普及高精度流量計(jì)量。器件集成TDC測量電路、模擬信號調(diào)理，以及實(shí)現(xiàn)極高精度計(jì)量所需的微型DSP和邏輯;解決了迄今為止妨礙跟蹤水浪費(fèi)或加入21世紀(jì)IoT的所有問題。

該技術(shù)的現(xiàn)實(shí)利益有哪些?很多，很多...

- 提高精度?，F(xiàn)行的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求精度達(dá)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(dá)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(jì)沒有運(yùn)動部件，不容易受腐蝕或雜質(zhì)沉淀的影響，而這些原因會造成機(jī)械式水表很快超出校準(zhǔn)范圍。這些水表在現(xiàn)場的工作壽命長得多，同時(shí)保證精度。

- 改善擁有成本。使用機(jī)械式水表時(shí)，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(yùn)營成本直線下降，節(jié)省了維護(hù)和更換水表的費(fèi)用。

- 改善BOM成本。超聲流量計(jì)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(jì)量技術(shù)相比，這是非常明顯的優(yōu)勢。

- 低功耗。流量計(jì)SoC僅給流量測量系統(tǒng)增加幾個(gè)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(jì)量方式

我很想知道我的淋浴器或洗碗機(jī)或洗衣機(jī)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(gè)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(fèi)水并且殺死植物)。

MAX35101流量計(jì)SoC完全可以應(yīng)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(yù)見在不久將來實(shí)現(xiàn)普適計(jì)量嗎?我對此確信不疑。歡迎來到21世紀(jì)。