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NB-IoT水气热物联网传感器助推公共事业现代化

发布日期:2017-03-11


 2017-03-08 邢伟华 


本文论述了“旁路对射超声波水气测量”创新技术的原理,对流量计量相关标准的提升和检定规程的改革进行了阐述,并结合NB-IoT通信技术的发展,对实现“点对点”物联网水气量的传感,做了深入的分析。




引言


传统的供电、供水、供气、供热贸易结算计量技术明显落后于现代通讯技术和电子技术的发展,已经制约了智慧城市的建设。为适应新形势的需要,应对计量技术进行创新,提升现行国家标准,改进检定手段,与NB-IoT技术完美结合,设计完善的物联网水气量传感器,实现“去仪表化”,以“NB-IoT水气热物联网传感器”全面替代水表、气表、热表,实现与云平台“点对点”通信,从而取消本地各种中继设备,简化通讯协议,降低运维成本,减少安装空间,提升供应企业现代化管理水平和企业效益。



正文


在国家电网公司为中心推动“四表集抄”、以住建部修订远传抄表行业标准、电力联合会推出电、水、气、热能源管理团体标准的时候,人们的关注点是“通信技术”和“通信协议”及“通信通道”,对电、水、气、热的计量技术的提升,没有起到任何促进作用,大家彼此在传统的计量产品上,嫁接各类通讯方式,但随着NB-IoT技术的进入人们的视线,一切通讯技术都显得十分渺小,行业之前所做的努力和付出,一夜之间突然显得非常无足轻重,竞争,将从通信技术回到计量技术创新,这个时候,大家才感觉到:为时已晚。


中国物联网合作组织集团根据形势发展需要,在大家在为采用什么标准、使用什么通道争论不休的时候,联合行业内部分单位,组织专家,投入大量的资金,潜心研究计量技术的提升,为在新的一轮竞争中胜出,奠定了坚实的基础,下面就传统的计量产品和相关标准及检定规程存在的问题以及我们的解决方案,向大家详细介绍。



传统水表、气表及标准存在的问题和不足


传统水表、气表,均采用机械原理,因此,测量范围有限,以水表为例,一般机械水表的测量范围在50L/h--4000L/h,50L/h-64L/h误差在±5%,其它流量范围±2%,那么存在的问题是:从1L/h-50L/h流量范围,误差是不确定的,如果用户经常在这个范围用水,水表不可能真实反应实际水量,如果用户在50L/h-64L/h流量范围内用水,误差可在5%到-5%之间,累积的误差很大。即使是在±2%误差范围内用水,由于供应公司要求水表制造单位按照+1.5%的误差提供产品,这样就破坏了公平交易的准则。


传统水表、气表多使用铸铁、铸铜、铸铝制造外壳结构,在这些金属的冶炼和铸造过程中,消耗大量的电能,并对环境造成污染,与国家节能减排政策相悖,不是发展方向。


传统水表体积大、重量重,占用安装空间大,且由于结构性因素导致抗冷冻能力差,在长江沿线地区使用,冬季经常会大面积冻爆裂;皮模式燃气表,在低温状态下,皮膜的灵活性降低,影响正常计量。


现行的国家标准,只是指定几个检测点进行检定,存在不合理性,因为用户并不会在指定的这几个点用水、用气,而这几个点都可以通过特殊方式确保合格,而用户实际用水、用气中,感觉计量不准,到技术监督局测试,又都是合格的,这种矛盾,主要是现行的国家标准相关规定不合理,检定规程不科学造成的,亟需通过技术创新进行改革。供应公司“既当运动员又当裁判员”的现象,已经造成电、水、气、热贸易出现不公平现象,需要通过体制改革加以完善。


传统水表、气表测量范围窄、误差大,已经不适合实际需要。随着电子计量技术的发展,机械水表、气表必将退出历史舞台。



管道供水、管道燃气计量电子化势在必行


现代电子技术发展,完全可以在电能计量、水量计量、气量计量、热量计量中,采用电子技术实现。

实践证明,以超声波技术为核心的水量、气量测量技术,不但可以大大提升测量范围,还可降低测量误差,是管道供水、管道燃气计量的发展趋势。

但目前以折射声波技术为代表的超声波水表和气表,为了减少压损,都使用折射声路(上下-左右-下上),带来的问题是:信号衰减大、结构尺寸要求高、容易结垢、结垢后造成信号衰减,冗余设计不足。


图1 折射式超声波无线水表内部结构


由于折射式结构造成水气的计量指标并未能有效提升,为此,我们通过创新,发明了“旁路对射超声波计量技术”,并通过实践验证,这种技术将大大提升超声波水量、气量的测量范围和计量精度:对射信号强度大,冗余量大,在产品使用多年后,仍然有足够强的分辨率和抗干扰能力,不结垢、无气泡、安装简单、压损小、量程宽、精度高。技术特征:两个换能器相对放置、换能器轴线偏离管道轴线。


图2 旁路对射超声波水、气、热计量结构原理


在实现结构创新的同时,我们在业界率先完成了集“计量、控制、通讯”功能于一体的芯片的集成。


 图3 水气量物联网传感器内部电路


    根据上述专利技术,我们研制了“水量物联传感器”和“气量物联网传感器”,可全面替代户用水表和户用气表。


图4 水量气量物联网传感器

图5 水气量传感器的集中安装方式



水量传感器、气量传感器性能指标及检定方式


目前的水表、气表的国家标准和检定规程,已经不能满足电子式水表、电子式气表的制造和检定,为此,我们提出新的标准要求和检定方法。


1、现行标准及检定方法

水表用Q3和Q3/Q1两个指标标志产品的性能,且Q2/Q1=1.6  Q4/Q3=1.25。Q1-Q2误差±5%(不包括Q2)。Q2-Q3误差±2%,即2级误差。

气表指标类似,只是用Qmax、Qmin、Qt等表示,1或1.5级误差。

现行检定规程,除列出的几个点外,还有几个辅助点,大约7个检测点。


2、我们创新产品指标

  • 测量下限Qmin :“始动流量”等于测量下限,水量测量为4L/h,燃气为3L/h。

  • 测量上限Qmiax:“最大通流量”等于测量上限,水量测量上限不小于5000L/h,气量测量上限不小于4000L/h。

  • 测量精度:水量全程1级精度、气量全程1级精度。

  • 防护等级:IP68。

  • 安装结构:有直管式水气量物联网传感器和DN15、DN20、DN25标准水表结构,以及130mm标准的燃气表接口结构。

图6 DN15(165mm)、DN20(195mm)、DN25(225mm)标准水表结构

图7 130mm标准燃气表结构

3、我们产品的检定方法

为验证产品的计量性能,将采取随机检定方式,从而克服现行标准固定点测试带来的不合理想象(电子式计量产品,如果沿用国家标准和现行检定方式,那么确定的这几个检测点,很容易通过程序修正做到合格,但这样的产品存在的问题将十分严重)。


  • 下限流量精度、上限流量精度,是必测的2个点(上限流量用户可根据订货给出某个值,例如4000L/h)。

  • 随机数发生器:编制计算机流水程序,当设定下限流量点、上限流量点后,程序以1L/h的步长滚动,从下限流量到上限流量,然后从上限流量到下限流量,快速滚动。

  • 随机抽检:当按下随机数发生器程序的“空格键”时,将显示此时被选中的流量点,例如2653L/h,然后进行验证测试,根据检定机构对产品的认可程度,随机检测若干个点,从而验证产品测量范围全程符合1级或2级精度要求,避免人为作弊。

  • 防护能力检定:将产品浸入水槽1.5米深度48h后拿出,在水中设备显示应正常,取出测试,应符合上述测试要求的指标。

  • 防冻测试:用2m长管道(金属或PPR/PVC)分别连接到水量传感器的进出水端,将管道中充满水并封闭2个开口,将管道盘旋,放入冷柜,温度设定在-10℃,在24h后,将水量传感器拿出,水量传感器应无爆裂现象发生,且控制器显示正常,在环境温度设定为5℃待水量传感器全部解冻后,进行测试,应符合上述测试要求的指标。

  • 防电场攻击测试:采用100万伏直流高压脉冲发生器,将2个放电端直接作用在水量传感器的外壳进行火花放电,包括显示器部位,控制器显示应不受强电场作用而发生变化,程序不出现死机。

  • 防强磁场攻击测试:采用市场可以买到的稀土磁体,在传感器外壳任意部位滑动,控制器显示应不发生任何变化。

  • 电磁辐射测试:采用场强仪,除收到规定的无线电信号外,应收不到其它无线电辐射信号,且收到的无线电信号符合国家无线电管理委员会的相关规定指标。



NB-IoT点对点通讯及第三方服务平台建设


随着三大运营商陆续进行NB-IoT基站的部署,NB-IoT应用的竞争,率先在三大运营商中展开。中国电信在本轮竞争中势在必得,NB-IoT部署规模超过中国移动和中国联通,并在运营模式上,给予相关单位经济补助。


虽然NB-IoT硬件制约了发展进程,但三大运营商的竞争态势,首先实现了网络先行,为各种应用奠定了前提。


NB-IoT的应用,直接将相关的本地传输标准、技术、方案废除,将带来通讯行业的一场革命,对物联网发展起到积极推动作用,虽然国家电网公司不会因此改变四表集抄的战略,但自来水、燃气、热力公司一旦看重NB-IoT应用,那么,就标志着国网的四表集抄走向失败,当然,这里面一个重要因素是三大运营商的赢利模式如何确定,如果在与国家电网竞争中,其优势不明显,那么国家电网的四表集抄将在竞争中胜出。


我们坚决主张采用NB-IoT技术,因为在2010年我们已经实现GSM模式的“点对点”通讯,但由于2G面临退网,而NB-IoT的商用,给我们创新的计量产品带来了“如虎添翼”的机遇,所以,实现“点对点”通讯,不再涉足本地中继,将减少可观的运维成本,当然,与三大运营商紧密合作,创新赢利模式,是在NB-IoT成为大家都可以使用前提下的重大课题,创新的赢利模式,将决定三大运营商之间以及三大运营商与国家电网四表集抄竞争中谁能胜出,而四表应用,是NB-IoT的最佳的切入点,任何行业,都难以与本行业相比,5.6亿户实实在在的市场就摆在面前,大家都非常清楚,谁也不想在本轮竞争中被淘汰。


NB-IoT技术应用,可以与我们的创新计量产品:水气量物联网传感器绑定,实现“点对点”与云平台通讯,为建立“第三方服务平台”奠定了技术基础。

在“四表集抄”实践中,当国家电网公司向各地电力公司的补助逐渐减少或终止时,目前面临的自来水、燃气、热力公司投入不足,无法提供智能仪表的问题将更加突出,所以,建立第三方服务平台,采用“融资租赁”模式,是破解难题的一个重要方向。


我们正推动与以下单位合作成立“第三方服务平台”,以“NB-IoT水气量物联网传感器”及“去仪表化”为纽带、“第三方服务改革”及NB-IoT应用为契机,建立“物联网服务平台有限公司”,为公共事业电、水、气、热贸易引入第三方合作,建立公平交易体系改革服务。



结论


水气量物联网传感器创新技术与NB-IoT通信技术完美的结合,不但解决了点对点通讯难题,还提升了产品测量范围和测量精度,并采用管道灵活的安装方式,减少空间占有,极大优化了NB-IoT信号强度,降低了产品成本,提升了产品可靠性,第三方服务平台的建设,为我国供水、供气、供热现代化提供了清晰的发展思路。


中国物联网合作组织集团参与电、水、气、热量物联网传感器制造环节,积极促进“第三方平台公司”建设,为电、水、气、热供应公司和广大用户提供优质服务,为中国公共事业电、水、气、热贸易现代化服务。



作者简介:

邢伟华,工科硕士学位,职业发明家,高级工程师、高级标准化工程师。从事二十多年计量仪表技术工作,结合微电子及通讯技术的发展,主张以“电水气热量物联网传感器”代替各类计量仪表实现“去仪表化”,并积极推动“电水气热贸易第三方服

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