無線遠傳電子水表結構設計研究

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摘要:隨著全球電子通訊、物聯網等技術的迅速發展，傳統型機械水表已經無法滿足當下的市場需求，新的計量及數據傳輸方式對傳統觀念形成強烈的沖擊。無線遠傳電子水表是一種利用微電子技術、傳感技術、物聯網技術對用戶的用水量進行計量，并對用水數據進行傳輸和遠程控制的水表，方便水司管理，節省人工成本，并減少計數器直讀數據帶來的誤差。

關鍵詞:機電轉換;發訊葉輪;無磁計量;無線遠傳;電子水表

無線遠傳電子水表現階段主要產品是在機械水表基礎上增加機電轉換裝置和電子部件等來實現其使用功能，目前這種水表存在以下技術難點:(1)發訊葉輪靜態平衡;(2)密封板耐壓強度;(3)電子計數器密封;(4)發訊片與電感之間距離控制。隨著水表新標準推出，客戶對高精度的智能化水表需求越來越大，傳統機械表已經不能滿足國內外市場的需求。因此開發高精度的智能化水表，解決電子水表以上問題，能有效提升水表在國內外市場的競爭力。本文重點介紹智能化水表主要結構的設計思路。

1發訊葉輪靜態平衡原理及結構設計

無線遠傳電子水表采用無磁傳感方式采集信號，與傳統指針發訊不同，該方案去除機械水表的計數齒輪，直接在葉輪上安裝發訊片，減少了齒輪傳動帶來的阻力，并且具有計量準確、始動流量低、計量精度高、量比大等特點。發訊葉輪靜態平衡分析，目的在于驗證其設計結構質量是否均勻，并將其不平衡量消除或減小到允許范圍內，使葉輪軸的磨損降低，延長水表使用壽命，提高水表的計量等級。

1.1靜態平衡原理

重心:認為物體各部分受到的重力作用集中于一點，對于質量分布均勻形狀規則的物體，重心即是物體的幾何中心。浮心:浮力的作用點，浮心的位置就是那部分被排開液體(或氣體)的重心位置。發訊葉輪浸沒在靜態水中，當重力等于浮力時，葉輪將懸浮在水中。如果要使葉輪在靜態水中不發生傾斜，重力和浮力對任意一點的力矩代數和為零，即重心和浮心在同一垂直直線上。設計葉輪時，為了使轉動的不平衡量降低到最小值，葉輪的外形呈中心對稱分布。想要達到靜態平衡，新設計發訊葉輪需滿足:G=F;O和C重合，如圖1所示。G—葉輪自身重力;F—葉輪受.

1.2結構設計

要使發訊葉輪浸沒在靜態水中重力等于浮力，葉輪組件密度要接近于水的密度1g/cm3。葉輪組件中葉輪軸材質為硬質合金ρ=7.7g/cm3，葉輪材質為PP，ρ=0.89g/cm3，葉輪塑軸材質為POM，ρ=1.39g/cm3，如圖2所示，常規水表發訊片材質為不銹鋼，根據成分不同，密度在7.7～8g/cm3之間浮動，采用不銹鋼發訊片的葉輪組件密度會比水大，在靜態水中是下沉狀態。為了減小葉輪組件密度，需尋找密度更低且特性接近的材料代替，鈦合金具有感應信號強、耐腐蝕性好、強度高、密度低等特點被廣泛用于各個領域。鈦合金的密度在4.5g/cm3，左右，僅為不銹鋼的60%，在三維軟件中對葉輪組件材料進行設置，可以得出葉輪的質量和體積，求得葉輪密度為1g/cm3，接近于水的密度。要使葉輪組件重心和浮心重合，葉輪質量應沿中心均勻分布。葉輪塑軸上裝有鈦合金發訊片，厚度為0.1mm，因鈦合金密度是葉輪塑軸(POM)3倍，葉輪塑軸上發訊片槽深應為0.3mm，在三維軟件中可以看到重心在葉輪的幾何中心(X、Y、Z坐標系數值接近于0)，發訊葉輪浸沒在靜態水中重心和浮心是重合的。

2密封板承壓時的形變和應力集中分析

電子水表采用無磁三電感傳感方式采集信號，對信號采集距離有嚴格要求，需保證密封板、下夾板等零件厚度，在強度允許的條件下盡量減小零件厚度。通過密封板承壓時形變和應力集中分析，能有效分析設計零件是否滿足水表耐壓要求。選擇密度更低，強度更高的材料，使水表整體重量變輕，有效降低生產成本。表殼材質為銅(Hpb59-1)、密封墊圈材質為POM、密封板材質為PA(GV-5H)、壓緊塊材質為銅(Hpb59-1)，在表殼內壁以及密封板底部施加一個大小為50MPa，方向由表殼內部指向外部的力。密封板在承受50MPa的壓力時，最大形變出現在密封板中心處，約0.03mm，對電感影響可以忽略。密封板最大應力出現在密封板凹陷處，約為223MPa，接近GV-5H拉伸斷裂強度220MPa，說明在承受50MPa壓力時，密封板有發生斷裂的可能，對結構薄弱處需適當加強。

3電子計數器密封設計

傳統計數器內是齒輪和字輪等塑料件，進水可能會影響計數器的讀數，略微增大齒輪間的傳動阻力，對水表的正常工作是沒有影響的。無線遠傳電子水表計數器內有PCB板、電池、電容、電感、液晶顯示器等電子元器件，對計數器的防護等級特別是防水等級有嚴格的要求，為了進一步提升電子計數器的密封性，設計成雙重密封結構。(1)上夾板和下夾板之間設置有環形槽，槽中放入無影膠(UV膠)，通過紫外線光照，使粘合劑在數秒內由液態轉化為固態，對上、下夾板有極好的粘接效果，粘接強度高，固化后完全透明、長期不變黃，具有較高的密封效果，如圖3所示(2)下夾板底部邊緣外設置有環形不規則截面的凸邊，透明罩底部設置有對應于凸邊的環形凹槽，凸邊與環形凹槽之間設有O型密封圈，透明罩凹槽扣入下夾板凸邊就可以起到密封效果，雙層密封結構使電子計數器在不灌膠的前提下也能滿足IP68的防護等級要求，放入2m水深幾個月都沒有出現電子計數器進水現象如圖4所示。

4發訊葉輪與三電感距離控制

無磁計量的基礎原理是LC振蕩，當LC振蕩遇到附有不銹鋼的區域時(阻尼區)，振蕩衰減很快，而在絕緣材料區(非阻尼區)，其振蕩衰減慢很多，無線遠傳電子水表設計了三個LC振蕩器，通過對衰減強弱的變化檢測發訊葉輪旋轉圈數，從而實現水表流量的計量。電感對感應距離非常敏感，要準確穩定檢測葉輪旋轉圈數，三電感應始終保證在下夾板底部，為此設計出PCB轉接板，將PCB主板與電感副板做成一個整體。PCB主板通過轉接板上主板支柱固定，電感副板通過轉接板上副板支柱固定，支柱與主板、副板開孔是過盈配合，扣入后不易拆卸。PCB轉接板通過下夾板導向筋扣入下夾板中的定位凸臺，PCB轉接板上定位孔與下夾板上定位凸臺同樣是緊配合，裝配后不使用夾具是無法拆卸的。水表零件加工或注塑精度能達到圖紙上公差要求，可以有效控制發訊葉輪與三電感之間的距離，提升水表的穩定性，如圖5、圖6所示.

5結束語

隨著智能化、自動化推動的程度不斷加深，智能表及其系統的應用將會更加普及。葉輪式電子單流無線遠傳水表采用無磁傳感方式采集信號，并增加曲線擬合、分段調整等功能，有效克服了磁干擾、高溫失磁等問題，提高了水表的計量等級及可靠性。無線遠傳電子水表的開發能達到國內外同類產品的領先水平，有助于提高寧波水表(集團)股份有限公司在水表行業的技術優勢，增加市場競爭力，擴大國內外市場占有率，突出我公司行業領頭羊地位。

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作者：楊濱 張裕松 婁嘉俊 王振杰 朱珍香 單位：寧波水表 ( 集團) 股份有限公司 浙江省水表研究院