技術(shù)分類:儀表與過程傳感器
智能水表開發(fā)至現(xiàn)在已經(jīng)有近8年的時(shí)間。8年時(shí)間在市場上投入使用的智能水表出現(xiàn)一些質(zhì)量、技術(shù)問題。這些問題zui終集中在執(zhí)行器上。開發(fā)商對執(zhí)行器多多少少都做過基本功能的實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證其功能在實(shí)際使用中的可靠性。為什么經(jīng)過驗(yàn)證的執(zhí)行器在用戶正式的使用中會出現(xiàn)意想不到的問題呢？我以為有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)環(huán)境上的綜合問題。
一、 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
1. 執(zhí)行器工作的基本原理
目前市場上執(zhí)行器的種類包括：電磁先導(dǎo)閥、電機(jī)先導(dǎo)閥、電機(jī)球閥、平面疊閥。
電磁先導(dǎo)閥的工作原理：電磁閥開啟時(shí)，對閥封壓力腔進(jìn)行泄壓，管道內(nèi)的水壓將閥封推開，智能水表就正常工作；電磁閥關(guān)閉時(shí)，即關(guān)閉了泄壓腔的孔，此時(shí)在閥封上的腔內(nèi)的水壓迅速上升，直至將閥封壓住閥口，關(guān)閉了出水口。
電機(jī)先導(dǎo)閥是采用減速機(jī)構(gòu)，為了解決運(yùn)動件的密封問題，運(yùn)動桿采用了磁驅(qū)動原理操縱泄壓孔的開啟與關(guān)閉，從而達(dá)到閥封的開與關(guān)。它與電磁先導(dǎo)閥原理相像，只是時(shí)間和反應(yīng)速度比電磁先導(dǎo)閥慢。出現(xiàn)的問題與電磁先導(dǎo)閥是一樣的。
電機(jī)球閥工作原理：由減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速減慢，將扭矩加大用以推動球閥進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，達(dá)到開啟與關(guān)閉的功能。對于球閥本身的制造工藝要求比較高，球閥的旋轉(zhuǎn)力度要有一個(gè)很標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)球閥必須控制在一組工藝參數(shù)的范圍內(nèi)。并且，驅(qū)動球運(yùn)轉(zhuǎn)桿的密封也是一個(gè)關(guān)鍵，其中采用的基本是O型橡膠圈進(jìn)行密封，所以，橡膠圈過于緊將增加扭矩，過于松將會導(dǎo)致密封不嚴(yán)而泄漏。
平面疊閥工作原理：由減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速減慢，將扭距加大用以推動平面疊閥進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，達(dá)到開啟與關(guān)閉的功能。密封性是由水壓上片來保證。平面疊閥對閥片的摩擦平面的平面度和光潔度要求相當(dāng)?shù)母?，而且對于采用的材料要求也有很高的要求。為了解決這些問題，平面疊閥下疊片采用了陶瓷基材，上片采用了其它強(qiáng)度高的耐磨損材料，*按化工機(jī)械密封的原理制造與加工，既保證了合理的接觸面，又保證了zui小的摩擦系數(shù)。
2. 結(jié)構(gòu)分析
電磁先導(dǎo)閥和電機(jī)先導(dǎo)閥在自來水管道實(shí)際使用中，已經(jīng)出現(xiàn)了由于長時(shí)間水質(zhì)問題導(dǎo)致先導(dǎo)孔的堵塞、泄壓閥桿吸附鐵質(zhì)微粒造成閥桿被卡死等問題，通過市場的使用與反饋的信息，開發(fā)商已經(jīng)了解到這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行器不適宜我國水司目前的水質(zhì)使用。由此，開發(fā)商又轉(zhuǎn)向了球閥和平面疊閥?，F(xiàn)在使用球閥的更多一點(diǎn)。以下對球閥、平面疊閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析：
電機(jī)球閥：在球閥的結(jié)構(gòu)上，提高工藝水平，將球閥的扭矩控制在一個(gè)不會泄漏又在一定的扭矩參數(shù)范圍。這一項(xiàng)工藝要求包含兩個(gè)方面的要求，*，球閥與密封壓緊圈之間的松緊程度，既要保持在一定壓力下關(guān)閉時(shí)不會泄漏；又要在外作用力下旋轉(zhuǎn)所使用的扭矩在一個(gè)參數(shù)范圍。這個(gè)參數(shù)值應(yīng)：
F>f1+f2+f3
式中：F——電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)構(gòu)輸出的扭矩力；
f1——球旋轉(zhuǎn)的扭矩力；
f2——旋轉(zhuǎn)桿橡膠密封的扭矩力；
f3——管道動態(tài)水壓對球閥的作用力；
目前市場電機(jī)球閥的開關(guān)時(shí)間從：8秒至14秒有幾種，其中對8秒左右結(jié)構(gòu)的電機(jī)球閥和14秒左右的電機(jī)球閥進(jìn)行過試驗(yàn)。
試驗(yàn)的環(huán)境為1.0MPa，供電方式是電池直接供給。試驗(yàn)用的是新電池。試驗(yàn)的結(jié)果：8秒電機(jī)球閥在0.6MPa的動態(tài)環(huán)境關(guān)閥很困難，有時(shí)甚至關(guān)不上；14秒電機(jī)球閥在1.0MPa的動態(tài)環(huán)境關(guān)閥比較正常，沒有出現(xiàn)關(guān)閥失誤現(xiàn)象。
根據(jù)兩種試驗(yàn)的結(jié)果，我們可以看出，扭矩對球閥是很重要的。我們假設(shè)：電機(jī)是相同的參數(shù)，那么如果8秒時(shí)間的比速是1，則14秒時(shí)間的比速則是1.75。所以，電機(jī)球閥的關(guān)鍵是減速機(jī)構(gòu)的比速大小問題，但是前面說的幾個(gè)工藝問題也是很重要的。
平面疊閥：在機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種閥門。閥門的特點(diǎn)是水平式的，流向是上進(jìn)下出，因此閥門關(guān)閉時(shí)水的壓力對上閥片是起很大作用的，壓力越高密封性能越好。工作時(shí)閥片是作平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，需要克服的是閥片之間的摩擦系數(shù)，而水壓對它的影響沒有球閥那樣大。但要克服上疊片在水壓強(qiáng)下的摩擦力。疊片之間得摩擦力通過實(shí)際試驗(yàn)，幾孚沒有增加多少的力。試驗(yàn)是在同一只水表上進(jìn)行并按下列方法：
⑴將電流表串接在開關(guān)電路內(nèi)，操縱開閥、關(guān)閥開關(guān)進(jìn)行控制；
⑵IC卡水表安裝在105m揚(yáng)程的水泵管路中，水表接口前接壓力表和三通安裝閥門用以調(diào)節(jié)管路供水的壓力；
⑶開啟水泵將壓力調(diào)整在1.0MPa左右時(shí)，對閥門進(jìn)行開關(guān)的運(yùn)行試驗(yàn)；
⑷通過調(diào)整閥門將壓力逐步調(diào)整至1.5MPa。
試驗(yàn)是在動態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，與實(shí)際使用工礦*一致，在水壓1.0MPa時(shí)所需要的電流是：關(guān)閥起步50mA，當(dāng)將要關(guān)閉時(shí)，電流突然上升至110mA左右；開閥時(shí)電流：開閥起步時(shí)電流110mA左右，當(dāng)閥門一開啟電流迅速下降至50mA。
在水壓1.5MPa時(shí)所需要的電流是：關(guān)閥起步55mA，當(dāng)將要關(guān)閉時(shí)，電流突然上升至120mA左右；開閥時(shí)電流：開閥起步時(shí)電流120mA左右，當(dāng)閥門開啟水從表內(nèi)流出電流迅速下降至55mA。
從試驗(yàn)結(jié)果看到，水壓對疊片閥的影響是很小的，反應(yīng)在電流上的變化也就是5mA至10mA。水壓從1.0MPa升至1.5MPa增加了50％；電流從50mA升至55mA和從110mA升至120mA左右，增加了10％左右，因此，在疊片閥中水壓升高對閥門開啟的力影響是比較小的，關(guān)系是1：5。當(dāng)然這必須是在特定的材料與摩擦系數(shù)的基礎(chǔ)上。
平面疊閥的減速機(jī)構(gòu)開關(guān)時(shí)間為8秒和14秒。對兩種時(shí)間的閥門進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境為1.0MPa，供電方式是電池直供給。試驗(yàn)用的是新電池。試驗(yàn)結(jié)果：8秒平面疊閥在1.0MPa的動態(tài)環(huán)境開關(guān)正常；14秒平面疊閥在1.5MPa的動態(tài)環(huán)境開關(guān)正常。
3. 小結(jié)
從試驗(yàn)的結(jié)果和理論計(jì)算的結(jié)果，我們已經(jīng)知道，平面疊閥的結(jié)構(gòu)更適應(yīng)智能水表所用執(zhí)行器 。在山區(qū)城市水司供水壓力高與普通平原城市的供水壓力，而目前城市的高層建筑供水壓力也會高于普通樓層的水壓，沒有經(jīng)過嚴(yán)密驗(yàn)證的閥門在水壓高的環(huán)境失去了應(yīng)有的功能。
智能水表是現(xiàn)代高科技產(chǎn)品，代表了自動化儀表發(fā)展的水平，作為開發(fā)商，智能水表開發(fā)能滿足用戶使用的要求放在*位，產(chǎn)品應(yīng)能覆蓋所有的使用環(huán)境。
二、 閥門驅(qū)動結(jié)構(gòu)
在平面疊閥結(jié)構(gòu)中，目前用于閥門驅(qū)動的結(jié)構(gòu)是：
1. 直立桿加雙道丁晴橡膠O型密封圈防止水的泄漏；
2. 上下采用強(qiáng)磁的磁驅(qū)動，以防止水的泄漏。
這兩種方法在結(jié)構(gòu)上看，進(jìn)行密封應(yīng)該是磁驅(qū)動方法比較合理，而且目前的密封效果還是很好。但是，我們國家的水司輸送給用戶的自來水水質(zhì)并不是純凈水，在水中還有很多的雜質(zhì)，在雜質(zhì)中還含有相當(dāng)?shù)暮F物質(zhì)。由于水質(zhì)的原因，在不到6年的時(shí)間里，水中的鐵質(zhì)材料就會將被驅(qū)動齒輪的強(qiáng)磁吸引，并將齒輪緊緊的包裹，zui后水中帶強(qiáng)磁的齒輪旋轉(zhuǎn)的摩察系數(shù)加大，甚至?xí)霈F(xiàn)旋轉(zhuǎn)遲滯。這種情況已經(jīng)在電機(jī)先導(dǎo)閥上出現(xiàn)多次案例。所以，現(xiàn)在仍使用電機(jī)先導(dǎo)閥的產(chǎn)品基本沒有了。
直立桿O型圈密封，對帶壓力的液體進(jìn)行密封是不可能的，尤其是對IC卡水表使用那更是有難度，*，采用的電機(jī)本身功率小，扭矩也小，O型圈過緊會迅速增加摩察系數(shù)，開關(guān)閥門電流加大；第二，O型圈過松會造成密封效果，容易產(chǎn)生泄漏。如果要加工成不緊不松的話，工藝要求就提高了，這樣導(dǎo)致制造成本上升。即使加工工藝很成熟，O型密封圈長期在水的壓力作用下，會產(chǎn)生變形，一般水司的水壓，會在兩年左右的時(shí)間，O型密封圈密封處就會產(chǎn)生泄漏。
目前，IC卡水表的產(chǎn)品質(zhì)量，已經(jīng)越做越好，困擾質(zhì)量問題往往是在安裝以后，使用了一兩年時(shí)間，出現(xiàn)閥門關(guān)不上或泄漏等問題。如果是磁驅(qū)動的閥門，則會在更長的時(shí)間出現(xiàn)由于摩察系數(shù)的加大而關(guān)開閥門失靈。如何解決問題，我認(rèn)為：在IC卡水表中，不擬采用O型密封圈和磁驅(qū)動的結(jié)構(gòu)方式，在有壓力的管網(wǎng)中，對水的密封應(yīng)采用機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)方式，用以長時(shí)間進(jìn)行密封，這樣才能保證在6年的使用中確保不會漏水，同時(shí)保證閥門功能得到實(shí)現(xiàn)。
目前出現(xiàn)在用戶使用過程中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題，主要是漏水、閥門不能*關(guān)閉、閥門失去功能等。這些質(zhì)量問題的關(guān)鍵是由于閥門驅(qū)動采用的密封結(jié)構(gòu)方式而引發(fā)的，如果將閥門驅(qū)動的密封結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行改進(jìn)，則可以*解決漏水問題和導(dǎo)致失去閥門執(zhí)行功能的技術(shù)問題。
機(jī)械密封是一種動密封，在化工行業(yè)中普遍采用。其密封的可靠性很好，在IC卡水表行業(yè)引進(jìn)機(jī)械密封是提升IC卡水表技術(shù)的一個(gè)重要舉措，同時(shí)也是解決IC卡水表泄漏、在一定時(shí)間內(nèi)喪失執(zhí)行功能的*方法。
三、 試驗(yàn)方法
智能水表是一只安裝在千家萬戶老百姓家里的計(jì)量儀表，具有自動計(jì)量、控制欠費(fèi)等功能，平時(shí)無需人去進(jìn)行看護(hù)及保養(yǎng)，*依靠IC卡在進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳輸，實(shí)行現(xiàn)代化的管理。作為一只出廠的產(chǎn)品，具有的每一項(xiàng)功能都是要進(jìn)過可靠試驗(yàn)設(shè)備的檢驗(yàn)驗(yàn)證是合格的才能出廠。一般的試驗(yàn)及試驗(yàn)設(shè)備都有，因?yàn)橛?jì)量器具制造許可證取證時(shí)時(shí)必須要的，但是，閥門動態(tài)試驗(yàn)的設(shè)備由于取證時(shí)沒有具體的要求，所以一般廠家都不會準(zhǔn)備的，這樣就造成了閥門動態(tài)試驗(yàn)設(shè)備根本沒有廠家會去研發(fā)和加工制造，造成了根本沒有閥門動態(tài)的試驗(yàn)，使得IC卡水表閥門在出廠時(shí)沒有進(jìn)行動態(tài)的檢驗(yàn)就在用戶家里安裝。
造成了目前出現(xiàn)的閥門泄漏、關(guān)不了閥門等質(zhì)量和技術(shù)上的問題。如果想要制造好一個(gè)產(chǎn)品，所有的檢測手段都不能缺少.
閥門動態(tài)試驗(yàn)，是一種模擬在正常使用狀態(tài)的檢驗(yàn)。這種狀態(tài)應(yīng)該是可以覆蓋所有水司環(huán)境的。檢驗(yàn)閥門動態(tài)的執(zhí)行功能還有很重要的一點(diǎn)就是檢驗(yàn)的電壓，采用什么樣的電壓zui合適？
智能水表中每一家都有一個(gè)相同的功能，即當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)會指令閥門進(jìn)行關(guān)閉的功能動作，此時(shí)的電池電壓是智能水表中zui低的電壓，也就是說，zui后的關(guān)閥動作是在電池電壓zui低環(huán)境。
這樣可以設(shè)定試驗(yàn)、檢驗(yàn)的條件：
1. 供水壓力：1.0Mpa；
2. 電壓：智能水表設(shè)置的極限電壓的80％穩(wěn)壓電源；
或者是模擬電池zui低電壓的工況作為試驗(yàn)、檢驗(yàn)的電源。作為計(jì)量器具制造許可證考核部門應(yīng)將智能水表取證的設(shè)備增加閥門動態(tài)檢測的設(shè)備，這樣才能確保出廠的產(chǎn)品質(zhì)量滿足使用的要求。