論水表機(jī)械計(jì)數(shù)器的電子化及其

1、論水表機(jī)械計(jì)數(shù)器的電子化及其對(duì)提高水表產(chǎn)品質(zhì)量的作用無(wú)錫水表有限責(zé)任公司 毛永芳 郵編：214073 手機(jī)號(hào)要：本文主要討論將水表機(jī)械計(jì)數(shù)器電子化的可行性，及其對(duì)水表計(jì)量性能的提高和質(zhì)量控制的改進(jìn)，并重點(diǎn)介紹本公司將機(jī)械計(jì)數(shù)器電子化的一種方案，希望能對(duì)業(yè)界同行有所幫助，并推動(dòng)水表由傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化產(chǎn)品轉(zhuǎn)變進(jìn)程。關(guān)鍵詞：齒輪組減數(shù)比,低功耗單片機(jī)，無(wú)磁傳感技術(shù)、自動(dòng)校表臺(tái)一 引言隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，電子技術(shù)的運(yùn)用日益廣泛，傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品逐漸為具有現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念的機(jī)電一體化產(chǎn)品或電子產(chǎn)品所取代，為順應(yīng)這種趨勢(shì)，同時(shí)也是水表這種傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品持續(xù)發(fā)展，不被市

2、場(chǎng)所淘汰的必然要求，所以對(duì)水表的電子化勢(shì)在必行，而水表電子化的關(guān)鍵就是對(duì)其機(jī)械計(jì)數(shù)器的電子化，只要解決了這個(gè)技術(shù)難關(guān)，水表的電子化就可以說(shuō)是基本完成了，針對(duì)這一點(diǎn)，本文將從傳統(tǒng)機(jī)械計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)原理，機(jī)械計(jì)數(shù)器電子化的可行性分析及本公司機(jī)械計(jì)數(shù)器電子化的方案這幾個(gè)方面作深入的探討。二 傳統(tǒng)機(jī)械計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理傳統(tǒng)機(jī)械計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)常用的有指針式和指針、字輪式（注：另有一種液封式結(jié)構(gòu)只是將字輪機(jī)構(gòu)用防凍液體密封在透明的腔體內(nèi)與被測(cè)水隔開，其實(shí)亦屬于指針、字輪式）兩種。目前我國(guó)生產(chǎn)和使用的水表中，絕大多數(shù)為指針式，但從現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)看，指針、字輪式計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)將逐漸占據(jù)市場(chǎng)的主流。 圖1其中指

3、針式計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，葉輪軸上的中心齒輪與第一位齒輪相嚙合，齒輪組將葉輪轉(zhuǎn)速記錄下來(lái)，通過指針在度盤上指示出流經(jīng)水表的水量。齒輪組的前三位齒輪為變速齒輪，起變速作用。自第三位（即第一位非星形的指針的）齒輪的主動(dòng)輪（即小齒）起，直到末位齒輪止，起計(jì)數(shù)作用，稱為計(jì)數(shù)齒輪，其相鄰的兩指針的齒輪間，其速比均為10:1，由此構(gòu)成連續(xù)十進(jìn)位方式。 圖2指針、字輪式計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示，其變數(shù)齒輪部分工作原理同指針式計(jì)數(shù)器，所不同的是原指針式計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)齒輪部分為字輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所代替（字輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)其實(shí)為齒輪機(jī)構(gòu)的一種特殊變形，其速比亦為10:1）,構(gòu)成連續(xù)十進(jìn)位方式。因?yàn)椴煌?guī)格的水

4、表，在通過等量水體積的情況下，其葉輪與第一位指針的轉(zhuǎn)速比是不同的，所以機(jī)械計(jì)數(shù)器是通過調(diào)整變速齒輪的主、被動(dòng)輪的齒數(shù)來(lái)取得不同的減速比而滿足不同規(guī)格水表的需要，習(xí)慣上將此減數(shù)比稱為該水表的減速比i,即為變速齒輪組主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪齒數(shù)之比，譬如常用的機(jī)械水表LXS-15C的減速比i為29.6。三 機(jī)械計(jì)數(shù)器電子化的可行性分析從上述對(duì)機(jī)械計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理的簡(jiǎn)要介紹可知，其在使用中可能會(huì)出現(xiàn)如下問題：1. 因?yàn)槭遣捎脵C(jī)械傳動(dòng),所以必然會(huì)產(chǎn)生摩擦力，此摩擦力會(huì)反饋至葉輪中心齒上，對(duì)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生一定的阻力，影響水表的始動(dòng)流量(注:能使葉輪持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的最小流量),從而影響其計(jì)量的精度。2. 如水表

5、的結(jié)構(gòu)有較大改動(dòng)時(shí)，則需通過大量試驗(yàn)重新確定其齒輪減速比，重新調(diào)整減速齒輪組中各主、被動(dòng)輪的齒數(shù)，并修改或重新制造齒輪模具，從而無(wú)形中延長(zhǎng)了新型號(hào)水表的研發(fā)周期。3. 指針式水表如不是專業(yè)人員很難準(zhǔn)確讀數(shù)，而字輪式水表雖讀數(shù)方便，但字輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)產(chǎn)生的阻力大于齒輪機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的阻力，尤其是進(jìn)位時(shí)，對(duì)水表的始動(dòng)流量影響更大。4. 如有異物進(jìn)入傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則整個(gè)水表就可能因?yàn)榭ㄋ蓝鵁o(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量水量，加上目前各自來(lái)水公司基本上均需一個(gè)月左右抄一次表讀數(shù)，由于卡死現(xiàn)象是隨機(jī)產(chǎn)生的，無(wú)法確定具體時(shí)間，所以容易同用戶因此產(chǎn)生用水量上的糾紛，造成管理上不必要的麻煩。5. 無(wú)論何種形式的機(jī)械計(jì)數(shù)器僅通過在其計(jì)數(shù)齒輪或

6、字輪上附加傳感裝置，將其機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再通過信號(hào)處理單元將其轉(zhuǎn)化為一定的水量輸出的方法，雖然也是將計(jì)數(shù)器進(jìn)行了機(jī)電一體化改造，但未從根本上解決機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力和遇異物卡死的問題，且還會(huì)產(chǎn)生機(jī)電轉(zhuǎn)化誤差，留下可能與用戶產(chǎn)生用水糾紛的隱患。 而對(duì)機(jī)械計(jì)數(shù)器的電子化，就是完全擯棄機(jī)械傳動(dòng)部分，采用可靠的傳感器直接采集水表葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，并通過專用的單片機(jī)執(zhí)行水流量信號(hào)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與信息儲(chǔ)存、信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)纫幌盗刑囟üδ艿牟僮?，同時(shí)在其自帶的液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示水表的累計(jì)用水量，可見，水表機(jī)械計(jì)數(shù)器的電子化的最終成果就是將其轉(zhuǎn)化為多種功能高度集成的電子模塊。這將是水表從傳統(tǒng)的機(jī)械制造類

7、產(chǎn)品向高科技附加值產(chǎn)品轉(zhuǎn)變的一次飛躍，對(duì)整個(gè)水表行業(yè)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。其優(yōu)勢(shì)如下：1. 由于完全擯棄了機(jī)械傳動(dòng)部分, 原來(lái)采用機(jī)械傳動(dòng),所以必然產(chǎn)生的摩擦力也不存在了,在結(jié)構(gòu)上只要將葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)部分的靈敏度不斷提高,就可以使水表的始動(dòng)流量不斷降低，從而大大提高其計(jì)量精度。（通過這樣的改進(jìn)，我公司原來(lái)的15mm旋翼式智能水表的計(jì)量精度從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的B級(jí)提高到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的C級(jí)）。2. 如水表結(jié)構(gòu)有較大改動(dòng)造成葉輪每轉(zhuǎn)一圈所需水量的變化，只需通過試驗(yàn)確定葉輪在相應(yīng)流量點(diǎn)下每轉(zhuǎn)一圈所需水量，通過專用軟件寫入模塊中的單片機(jī)內(nèi)即可完成水表流量示值誤差的調(diào)試工作，大大縮短了新型號(hào)水表的研發(fā)周期。3. 電子計(jì)數(shù)器自帶

8、的液晶顯示器讀數(shù)方便，同時(shí)因?yàn)闆]有了機(jī)械計(jì)數(shù)器，機(jī)電轉(zhuǎn)換誤差的問題就迎刃而解，且通過顯示按鈕可實(shí)現(xiàn)翻屏操作，能反映如瞬時(shí)流量、時(shí)間等更多的信息，并能通過通訊端口將這些數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，很容易就能實(shí)現(xiàn)自來(lái)水公司對(duì)水表的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。4. 電子計(jì)數(shù)器直接從葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中取得信號(hào)，葉輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且有濾網(wǎng)保護(hù)，被異物卡住的概率相當(dāng)?shù)停词钩霈F(xiàn)異常情況而出現(xiàn)不計(jì)數(shù)的現(xiàn)象也能從其模塊中的儲(chǔ)存器內(nèi)讀出故障出現(xiàn)的具體時(shí)間，以及該水表的日平均用水量，方便與用戶溝通解決水費(fèi)問題。5. 電子計(jì)數(shù)器利用電子產(chǎn)品的特性可以把每一塊表的時(shí)實(shí)狀態(tài)（瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、正反轉(zhuǎn)、故障狀態(tài)）都記錄下來(lái)，使每

9、一塊表從生產(chǎn)到報(bào)廢都有一個(gè)歷史記錄。6. 電子計(jì)數(shù)器采用低功耗單片機(jī)，正常工作時(shí)耗電量相當(dāng)?shù)停还?jié)2.0安時(shí)的鋰電池即可保證其正常工作大于6年(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定民用水表的使用周期為6年)。7. 電子計(jì)數(shù)器便于大量生產(chǎn)，可以不斷提高產(chǎn)量，降低成本。同時(shí)裝入電子計(jì)數(shù)器的水表可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校表（此校表模式已經(jīng)在我公司采用），從而大大提高了單位產(chǎn)品的勞動(dòng)生產(chǎn)率，并且由于沒有了人為誤差，也確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。8. 采用電子計(jì)數(shù)器的水表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易做防水設(shè)計(jì)，我公司的此類型水表可達(dá)到IP68標(biāo)準(zhǔn)，而一般在機(jī)械表基礎(chǔ)上改裝的機(jī)電一體化水表很難達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)。除了以上優(yōu)勢(shì)外，采用電子計(jì)數(shù)器的水表在德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等

10、發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始推廣，這已經(jīng)是也必將成為一種國(guó)際性的趨勢(shì)，所以將水表的機(jī)械計(jì)數(shù)器電子化不僅可行，而且是勢(shì)在必行。四 我公司機(jī)械計(jì)數(shù)器電子化的方案我公司自2000年以來(lái)一直在做著對(duì)機(jī)械計(jì)數(shù)器電子化的嘗試，經(jīng)過近九年的努力，最終確定選用采用無(wú)磁傳感技術(shù)與MSP30FW42X 系列低功耗單片機(jī)相結(jié)合的方案。本方案通過把流體流動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量的檢測(cè)。采用附有金屬膜的葉輪實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，管道中的流體推動(dòng)葉輪的不斷旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速直接決定于流體的流速。此機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)經(jīng)無(wú)磁非接觸式傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送至微控制器的SCAN IF模塊，SACAN IF模塊計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)（流體流量）和它的方向。所以此方案

11、具有功耗低、測(cè)量流量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性和一致性好的特點(diǎn)，尤其在小流量下亦保持了很高的測(cè)量精度，同時(shí)絲毫不受各類水銹、雜質(zhì)的影響。其基本結(jié)構(gòu)原理如下圖：其計(jì)量原理可以用一句話概括：表頭模塊記錄每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，根據(jù)此時(shí)間查表得到每個(gè)脈沖代表多少水量。而校表的目的就是為了得到脈沖時(shí)間間隔和脈沖當(dāng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即流量系數(shù)表。累計(jì)流量就是通過來(lái)一個(gè)脈沖查一次表，然后累加每個(gè)脈沖的水量得到的。時(shí)間系數(shù)是通過以下兩個(gè)量得到：流過L升水消耗的時(shí)間T秒，脈沖數(shù)N，由于表頭模塊的內(nèi)部時(shí)間是以32ms為時(shí)間單位的，所以時(shí)間系數(shù)=脈沖當(dāng)量通過以下兩個(gè)量得到: 流過的水量L升，脈沖數(shù)N,脈沖當(dāng)量= 單位0.1m

12、L/個(gè) 瞬時(shí)流量與流量系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系大致如上圖。因此，十個(gè)流量點(diǎn)的劃分大致如下：(僅供參考) 2700 L/H 參數(shù)取30002700 L/H1750 L/H 參數(shù)取3000和1500的均值1750 L/H1250 L/H 參數(shù)取15001250 L/H650 L/H 參數(shù)取750650 L/H200 L/H 參數(shù)取450和300的均值200 L/H100 L/H 參數(shù)取120100 L/H45 L/H 參數(shù)取1200.6300.445 L/H27 L/H 參數(shù)取3027 L/H12 L/H 參數(shù)取30的97 12 L/H 參數(shù)取30的90從以上數(shù)據(jù)可以看出電子計(jì)數(shù)器比機(jī)械計(jì)數(shù)器在計(jì)量精度和計(jì)量范圍上均有明顯的提高。我公司從2006年下半年開始將電子計(jì)數(shù)器投入生產(chǎn)線，并針對(duì)其得特性對(duì)校表設(shè)備進(jìn)行了專門的改造，設(shè)計(jì)制造出了自動(dòng)校表臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)此類型水表的自動(dòng)校調(diào)和自動(dòng)檢測(cè)，大大提高了水表在質(zhì)量控制方面的效率和準(zhǔn)確性，此技