IC卡水表

 IC卡水表是一种利用微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的水表.

IC卡(Intesrated Circuitcard)是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，其外形与覆盖磁条的磁卡相似。IC卡水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制，进行用水数据存储。由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由传统的抄表员上门操表收费到用户自己去营业所交费的转变。IC卡交易系统还具有交易方便、计算准确、可利用银行网络进行结算的优点。 

  IC卡水表由基表(发讯远传水表)、电源(一般为电池)、IC卡读写：器、通讯接口、LCD显示、微机控制模块、阀门控制机构组成，有些型号还有音响报警装置。以下对预付费水表的各部分组件做简单介绍。

1     基表  
         可采用容积式或旋翼式水表，湿式表、干式表均可。传感器安装于度盘上或计数齿轮组中，与远传水表类似，也有直接在某一位齿轮上采用凸轮微动开关来触发信号的。
2      IC卡及读写器
      分插卡式和感应式。
       (1)插卡式
        同磁卡一样，一插即可、简单，但卡的接触面易磨损，卡座的对外易受潮湿环境和人为的攻击干扰；
      (2)感应式
        又称射频卡，俗称非接触式IC卡。其优点是读写卡不用接触读卡器，方便快捷，使用寿命长。

3     电池
        有内置锂电池，普通碱性干电池组等。
     (1)锂电池
        能量高，自漏电很小，体积小，便于安装。目前的IC卡式水表多采用一次性锂电池供电。
     (2)碱性干电池
        在水表工作的环境中易自漏电，一般将电池盒尽可能外置，让用户可以自己更换。

4     阀门
         目前使用较为广泛的卡式水表阀门，按开关阀原理可分为一次阀、二次阀，按驱动方式来分有电动阀、电磁阀等等。一次阀，就是驱动机构直接操纵阀门开关水流，如常用的球阀、陶瓷阀等；二次阀，就是通过一个小阀门控制一定的水流，调节阀门前后(或上下)的压力来实现开关阀。电动阀使用电机作为驱动阀门工作的动力；电磁阀利用一组线圈通电后产生的磁力作为驱动阀门工作的动力。目前国产卡式水表阀门主要有：球阀、陶瓷阀和二次阀中的膜片阀。其工作原理和特点如下： 
 (1)球阀
         卡式水表中使用的球阀与普通球阀工作原理基本相同，阀门靠球面密封，能自动调心，压损小，抗污能力强，但要求的驱动力矩大，长期使用可能因为结垢或磨损，出现漏水、开关失灵等问题。 
 (2)陶瓷阀
         陶瓷阀靠两片平整光滑的陶瓷片相互转动来实现阀门的开启与关闭，其特点是成本低、阀门的使用寿命长、开关阀可靠、压损较小；现在使用中存在的主要问题是陶瓷片容易结垢，使需要的操纵力矩大幅增加，甚至无法开关阀。 
 (3)二次阀
         又称先导阀，图2—23为典型二次阀的一种结构。二次阀的主要优点是所需的操纵力小，开关阀可靠，一般能保证关闭后滴水不漏。主要问题是在水质不良的情况下，进水孔4容易堵塞，导致阀门失效。电动阀与电磁阀相比，电动阀结构复杂，成本高，但保持开关阀状态很稳定；电磁阀结构简单，但开关阀状态不稳定，有时可能因为振动导致无故关阀或开阀。 

 二次阀的工作原理是；当电机带动螺杆旋转时，外磁环向上运动，带动内磁环向上运动，小阀杆周围形成泄水孔；主阀门上面的水从泄水孔泄出，压力降低，主阀门在水压的作用下向上运动，阀门打开；当电机向相反的方向转动时，带动小阀杆向下运动，关闭泄水IC卡水表的工作过程一般如下：将含有金额或购置水量信息的IC卡片插入水表中的IC卡读写器，经微机模块识别和下载金额后，阀门开启，用户可以正常用水；当用户用水时，水量采集装置开始对用水量进行采集，并转换成所需的电子信号供给微机模块进行计量，并在LCD显示屏上显示出来；当用户的用水金额下降到一定数值时，水表的报警装置会自动进行相应报警或警告性关阀，提示用户应该去持卡交费购水；如超过用水额，则水表会自动将电控阀门关闭，切断供水，直至用户插入已经交费的IC卡片重新开始开启阀门进行供水。

射频IC卡是一种无线电识别系统(Radio Frequency Identification)，其组成一般至少包括电子标签和阅读器。电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器又称为读出装置，可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。当射频IC卡靠近时，阅读器电路向IC卡发出一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出动或接取读写器的数据。

目前国内众多型号的IC卡水表绝大部分仍保留了基表的机械显示，一是因为IC卡水表的LCD显示主要是抄表读数，一般为至多到0.01m3在检定时这样的检定分格值不够小，所以仍用机械显示；二是因为IC卡表的工作受诸多因素影响，可靠性会受到一些影响，出现问题时机械读数是一个较可靠的依据。

IC卡水表的可靠性受到产品质量、使用环境、水质和人为攻击等方面的影响。产品质量问题主要是读数传感器的可靠性、电池供电的稳定性和寿命、LCD显示器的性能、控制阀的可靠性等。使用环境问题为安装水表的一些场合非常潮湿、水表易受油烟气侵蚀等。人为攻击主要是强磁干扰和高压脉冲电击，及其它来自专业人员对逻辑加密部分的破译。
IC卡水表的计量性能、耐压性能仍与普通水表一样，应符合GB/T 778—1996的要求，但其误差特性曲线由于受到所配置的控制阀的影响而与基表有所不同。IC卡水表的压力损失也因为加装了控制阀而增大，但也可控制在0.1MPa内。IC卡水表的使用寿命除与基表有关外，还与所用电池、控制阀和电子元件的性能有关。
IC卡水表近年来发展很快，同时也是在争议和实践中不断改进完善。2001年10月建设部颁布了行业标准CJ/T133—2001《IC卡冷水水表》，这是预付费类水表的第一个行业标准，对该类水表的规范发展起到了积极的作用。但任何产品从设计出样机到批量生产再到产品质量稳定，都有一个过程。按标准进行的试验项目不一定能完全模仿产品的实际工作环境和长时间的工作过程，有些试验也是一种间接推断(如用静态工作电流来判断电池的工作寿命)，标准也存在一个不断完善的过程。 

 计量水的流量计
 
        用于水量计量的流量计有很多，但国内目前均将这些仪表列入区别于水表的其它流量计的范畴。这些流量计有其相应的检定规程和行业标准，普遍用于大口径管道的计量，相当一部分用于水厂进出厂水的计量，其中的电磁流量计和超声波流量计以其流量比宽、无可动部件、计量准确度高、安装方便等优点近年来受到欢迎，并逐渐在这一领域占据越来越多的份额。
         说明: 国际建议R49—1：2000(E)在水表的定义中已将基于电磁或电子原理并用于测量水的流量计也包含在其中。   
         有关这些流量计的详细资料可参考《流量测量方法和仪表的选用》(蔡武昌等编著，化学工业出版社出版)和《流量测量技术及仪表》  (梁国伟、蔡武昌主编，机械工作出版社等)，附录C的C.19～C.22。为几种流量计的实物图。以下简要介绍几种用于水量计量的流量计。
 
一、电磁流量计
 
         电磁流量计(Electromagnetic Flowmeter，简称EMF)是一种利用法拉第电磁感应定律制成的用于测量导电液体体积流量的仪表，由流量传感器和转换器两部分组成。

测量管上下装有励磁线圈，通电(由转换器提供)后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。

          电磁流量计测量范围宽，流量比在10：1～50：1，可选流量宽，满量程值的流速可在(0.5～10)m／s内选定，准确度较高(一般可以做到0.5％)，口径的选择范围很大，测量通道无活动部件和阻流件，不形成压损，对流场要求不是十分高。有些电磁流量计还可测正反向流量、脉动流量。电磁流量计的缺点是不能测电导率很低的液体、含较多较大气泡的液体、气体、蒸汽，也不适用温度过高或过低的场合，但这些缺点在管道水的计量时一般不成问题。
 
二、超声波流量计
 
         超声波流量计(又称超声流量计，Ultrasonic Flowmeter，简称USF)是通过检测流体流动时对超声束(或超声脉冲)的作用，以测量体积流量的仪表，是一种非接触式流量计。

         封闭管道用的超声波流量计常用的原理有传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法和噪声法。前二种是用得最多的，传播时间法还按声道数分为单声道、双声道、四声道、八声道等，且按其换能器的分布位置有Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)、平行法等。
        超声波流量计按换能器安装方式分为可移动安装和固定安装。
        超声波流量计与传统流量计相比，对水流介质无要求，非接触式、无压损，、不破坏流场，可用于大口径管道及各类明渠、暗渠的流量测量，流量测量范围宽(一般可达20：1)，安装维修方便；缺点是价格较高，理论上的及实验室里可取得的高准确度在实际使用时受到流场畸变、换能器夹装位置方式错误、水中散射体的性质等诸多因素的影响。另外，超声波流量计对管道壁面状况的要求也较高，不能用于衬里或结垢太厚的管道，不能用于衬里(或锈层)与内管壁剥离或锈蚀严重的管道。
 
三、差压式流量计
   
          差压式流量计(Pressure Differential Flowmeter，简称DPF)包括孔板流量计、均速管流量计、文丘利流量计、弯管流量计等。   
          差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表，由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成，二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表。差压式流量计已发展为系列化、通用化及标准化程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表。差压式流量计通常依检测件的型式进行分类，其中又以节流式的标准孔板和喷嘴为主。   
         节流式差压流量计的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型。所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差。相关的设计计算、加工要求和使用，已有国家标准和国际标准可参照。这些是这类差压式流量计的最大优点。   
       差压式流量计的特点是比较经济、经典。缺点是压损大、流量比小，对流量计安装的前后直管段要求也较严格。    
四、涡街流量计
       涡街流量计又称旋涡流量计(Vortex Shedding Flowmeter，简称VSF)，是流体振动流量计的一种。这种流量计在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速有确定的比例关系，从而测量流量。这一原理就是卡曼涡街原理：在流体中设置旋涡发生体(即阻流件)，从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列，

        涡街流量计由传感器和转换器两部分组成，传感器包括旋涡发生体(阻流件)、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D／A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。根据使用场合和要求的不同，检测元件可以采取应力式、振动式、电容式、热敏式等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其它功能模块也装在转换器内。
        涡街流量计的优点是结构简单牢固，安装维护方便，准确度高，压损小；缺点是不适合低雷诺数(介质粘度高、流速低、口径小)的测量，对流场要求较高，力敏检测法的涡街流量计对管道振动较敏感等。
 
五、插入式流量计
 
         插入式流量计是一类以结构形式划分的流量计，其测量头实际上就是一台流量计，其工作原理与相应的流量计相同。常见的有插入式涡轮流量计、插入式电磁流量计、插入式涡街  流量计和均速管流量计，这些流量计分点流速计型和径流速计型。点流速计型流量计在管道中特定位置中插入测量头传感器，测得代表管道平均流速的该点的流速或该处的局部流速，然后根据管道内流速分布特点和传感器的几何尺寸等推算管道内的流量。        
         插入式流量计一般用于大口径流量计量。相对于管道式流量计，插入式流量计的制造成本低、重量轻、安装方便、压损小，同时校验方法也比较容易解决。但插入式流量计受流体流动特性影响大，现场需要有较长的直管段长度，测量的准确度较低，一般为±(2.5～4)％FS。