无线远传电子水表结构设计研究

　　摘要:随着全球电子通讯、物联网等技术的迅速发展，传统型机械水表已经无法满足当下的市场需求，新的计量及数据传输方式对传统观念形成强烈的冲击。无线远传电子水表是一种利用微电子技术、传感技术、物联网技术对用户的用水量进行计量，并对用水数据进行传输和远程控制的水表，方便水司管理，节省人工成本，并减少计数器直读数据带来的误差。

　　关键词:机电转换;发讯叶轮;无磁计量;无线远传;电子水表

　　无线远传电子水表现阶段主要产品是在机械水表基础上增加机电转换装置和电子部件等来实现其使用功能，目前这种水表存在以下技术难点:(1)发讯叶轮静态平衡;(2)密封板耐压强度;(3)电子计数器密封;(4)发讯片与电感之间距离控制。随着水表新标准推出，客户对高精度的智能化水表需求越来越大，传统机械表已经不能满足国内外市场的需求。因此开发高精度的智能化水表，解决电子水表以上问题，能有效提升水表在国内外市场的竞争力。本文重点介绍智能化水表主要结构的设计思路。

　　1发讯叶轮静态平衡原理及结构设计

　　无线远传电子水表采用无磁传感方式采集信号，与传统指针发讯不同，该方案去除机械水表的计数齿轮，直接在叶轮上安装发讯片，减少了齿轮传动带来的阻力，并且具有计量准确、始动流量低、计量精度高、量比大等特点。发讯叶轮静态平衡分析，目的在于验证其设计结构质量是否均匀，并将其不平衡量消除或减小到允许范围内，使叶轮轴的磨损降低，延长水表使用寿命，提高水表的计量等级。

　　1.1静态平衡原理

　　重心:认为物体各部分受到的重力作用集中于一点，对于质量分布均匀形状规则的物体，重心即是物体的几何中心。浮心:浮力的作用点，浮心的位置就是那部分被排开液体(或气体)的重心位置。发讯叶轮浸没在静态水中，当重力等于浮力时，叶轮将悬浮在水中。如果要使叶轮在静态水中不发生倾斜，重力和浮力对任意一点的力矩代数和为零，即重心和浮心在同一垂直直线上。设计叶轮时，为了使转动的不平衡量降低到最小值，叶轮的外形呈中心对称分布。想要达到静态平衡，新设计发讯叶轮需满足:G=F;O和C重合，如图1所示。G—叶轮自身重力;F—叶轮受.

　　1.2结构设计

　　要使发讯叶轮浸没在静态水中重力等于浮力，叶轮组件密度要接近于水的密度1g/cm3。叶轮组件中叶轮轴材质为硬质合金ρ=7.7g/cm3，叶轮材质为PP，ρ=0.89g/cm3，叶轮塑轴材质为POM，ρ=1.39g/cm3，如图2所示，常规水表发讯片材质为不锈钢，根据成分不同，密度在7.7～8g/cm3之间浮动，采用不锈钢发讯片的叶轮组件密度会比水大，在静态水中是下沉状态。为了减小叶轮组件密度，需寻找密度更低且特性接近的材料代替，钛合金具有感应信号强、耐腐蚀性好、强度高、密度低等特点被广泛用于各个领域。钛合金的密度在4.5g/cm3，左右，仅为不锈钢的60%，在三维软件中对叶轮组件材料进行设置，可以得出叶轮的质量和体积，求得叶轮密度为1g/cm3，接近于水的密度。要使叶轮组件重心和浮心重合，叶轮质量应沿中心均匀分布。叶轮塑轴上装有钛合金发讯片，厚度为0.1mm，因钛合金密度是叶轮塑轴(POM)3倍，叶轮塑轴上发讯片槽深应为0.3mm，在三维软件中可以看到重心在叶轮的几何中心(X、Y、Z坐标系数值接近于0)，发讯叶轮浸没在静态水中重心和浮心是重合的。

　　2密封板承压时的形变和应力集中分析

　　电子水表采用无磁三电感传感方式采集信号，对信号采集距离有严格要求，需保证密封板、下夹板等零件厚度，在强度允许的条件下尽量减小零件厚度。通过密封板承压时形变和应力集中分析，能有效分析设计零件是否满足水表耐压要求。选择密度更低，强度更高的材料，使水表整体重量变轻，有效降低生产成本。表壳材质为铜(Hpb59-1)、密封垫圈材质为POM、密封板材质为PA(GV-5H)、压紧块材质为铜(Hpb59-1)，在表壳内壁以及密封板底部施加一个大小为50MPa，方向由表壳内部指向外部的力。密封板在承受50MPa的压力时，最大形变出现在密封板中心处，约0.03mm，对电感影响可以忽略。密封板最大应力出现在密封板凹陷处，约为223MPa，接近GV-5H拉伸断裂强度220MPa，说明在承受50MPa压力时，密封板有发生断裂的可能，对结构薄弱处需适当加强。

　　3电子计数器密封设计

　　传统计数器内是齿轮和字轮等塑料件，进水可能会影响计数器的读数，略微增大齿轮间的传动阻力，对水表的正常工作是没有影响的。无线远传电子水表计数器内有PCB板、电池、电容、电感、液晶显示器等电子元器件，对计数器的防护等级特别是防水等级有严格的要求，为了进一步提升电子计数器的密封性，设计成双重密封结构。(1)上夹板和下夹板之间设置有环形槽，槽中放入无影胶(UV胶)，通过紫外线光照，使粘合剂在数秒内由液态转化为固态，对上、下夹板有极好的粘接效果，粘接强度高，固化后完全透明、长期不变黄，具有较高的密封效果，如图3所示(2)下夹板底部边缘外设置有环形不规则截面的凸边，透明罩底部设置有对应于凸边的环形凹槽，凸边与环形凹槽之间设有O型密封圈，透明罩凹槽扣入下夹板凸边就可以起到密封效果，双层密封结构使电子计数器在不灌胶的前提下也能满足IP68的防护等级要求，放入2m水深几个月都没有出现电子计数器进水现象如图4所示。

　　4发讯叶轮与三电感距离控制

　　无磁计量的基础原理是LC振荡，当LC振荡遇到附有不锈钢的区域时(阻尼区)，振荡衰减很快，而在绝缘材料区(非阻尼区)，其振荡衰减慢很多，无线远传电子水表设计了三个LC振荡器，通过对衰减强弱的变化检测发讯叶轮旋转圈数，从而实现水表流量的计量。电感对感应距离非常敏感，要准确稳定检测叶轮旋转圈数，三电感应始终保证在下夹板底部，为此设计出PCB转接板，将PCB主板与电感副板做成一个整体。PCB主板通过转接板上主板支柱固定，电感副板通过转接板上副板支柱固定，支柱与主板、副板开孔是过盈配合，扣入后不易拆卸。PCB转接板通过下夹板导向筋扣入下夹板中的定位凸台，PCB转接板上定位孔与下夹板上定位凸台同样是紧配合，装配后不使用夹具是无法拆卸的。水表零件加工或注塑精度能达到图纸上公差要求，可以有效控制发讯叶轮与三电感之间的距离，提升水表的稳定性，如图5、图6所示.

　　5结束语

　　随着智能化、自动化推动的程度不断加深，智能表及其系统的应用将会更加普及。叶轮式电子单流无线远传水表采用无磁传感方式采集信号，并增加曲线拟合、分段调整等功能，有效克服了磁干扰、高温失磁等问题，提高了水表的计量等级及可靠性。无线远传电子水表的开发能达到国内外同类产品的领先水平，有助于提高宁波水表(集团)股份有限公司在水表行业的技术优势，增加市场竞争力，扩大国内外市场占有率，突出我公司行业领头羊地位。

　　参考文献:

　　［1］黄明康.智能电子远传水表:中国，201721097780.1［P］．2017－08－30．

　　［2］杨进意.提升农用灌溉水表性能研究［J］．计量技术，2013(8):34．

　　［3］胡清雄.钛的应用及前景展望［J］．钛工业进展，2003(8):11．

　　［4］苏玲，徐倩.含应力集中复合材料结构损伤容限分析方法研究与应用［J］．导弹与航天运载技术，2018(2):105．

　　［5］潘迁.液晶显示电子水表技术［J］．管道技术与设备，1994(4):30．

　　作者：杨滨 张裕松 娄嘉俊 王振杰 朱珍香 单位：宁波水表 ( 集团) 股份有限公司 浙江省水表研究院