压差式止漏失水表设计*

任金恒 刘金玉 李庆林

(1.中国石油大学石油工程学院,青岛 266555；2.中国石油大学理学院,青岛 266555)



压差式止漏失水表设计*

任金恒1刘金玉2李庆林2

(1.中国石油大学石油工程学院,青岛 266555；2.中国石油大学理学院,青岛 266555)

以始动流量为界将自来水漏失分为以滴漏为代表的小漏失和大漏失，分别建立判断小漏失和大漏失是否存在的准则，其中小漏失以流量和压差为检测参量进行定性判断，大漏失的判断以持续通流时间和持续通流量作为检测参量，在此基础上研制了一台压差式止漏失水表。现场测试表明该水表能有效防止自来水漏失，可为国家节约大量水资源，具有十分重要的推广应用价值。

止漏失；判断准则；压差；持续通流时间；持续通流量

0 引言

在日常生活及工业生产过程中，自来水以滴漏(水龙头或水管连接处滴漏)或大流量方式(忘记关闭水龙头或水管突然破裂，水快速流出)发生漏失的现象极为常见，这给家庭、企业及国家带来了重大损失，如何判断自来水漏失情况以及如何防止其漏失已成为一个非常重要的研究问题[1-2]。虽然最近出现了一些节约型水表[3-9]，但这些水表都是通过动量集中或动量积累来冲击叶轮旋转，以降低始动流量的方式试图对滴漏等小流量进行计量，进而达到防滴漏的目的。本文介绍了一种压差式止漏失水表，该水表不仅具备基本的计量功能，且能有效防止自来水漏失，具有十分重要的推广应用价值。

1 止漏失原理

自来水漏失方式众多，从漏失快慢的角度考虑，将水龙头或水管连接处滴漏等漏失称为小漏失，将忘记关闭水龙头或水管突然破裂等引起自来水快速流出而导致的漏失称为大漏失。

1.1 小漏失监控原理

水龙头或水管连接处的滴漏，其流量小于现有水表的始动流量，致使现有水表无法计量。再高精度叶轮的旋转也要靠大于一定动量的自来水来驱动，由于现实中存在很多种动量非常小的滴漏，因此，通过提高水表精度和汇聚水体动量来降低水表始动流量的方式都不可行。总之，以流量为检测参量来定量判断有无滴漏的方式不可行，需寻求新的检测参量。

下面提出的以流量和压差为检测参量的定性判断方式能够有效判断滴漏是否存在，具体原理如下：当水的流量小于始动流量时，关闭电磁阀门，将管道中水体阻隔为两部分，靠近水体源一侧管道中水体的压强和水体源压强保持一致；如果水龙头或水管连接处不存在滴漏，则远离水体源一侧管道中水体的压强仍和水体源压强保持一致，反之，其压强将降低，且降低幅度大，降低至大气压附近，另外由于水体压缩系数非常小[10-12],滴漏的存在使得水体压强降低速度非常快，故可在水的流量小于始动流量时，即关闭电磁阀门情况下，通过检测电磁阀门两侧的水体是否存在预定压强差来快速判断是否存在滴漏。

1.2 大漏失监控原理

鉴于自来水正常流动时，一次持续通流时间和一次持续通流量都存在一极大值，据此特点，可将持续通流时间和持续通流量作为检测参量来判断大漏失的存在。具体原理如下：首先设定一时间阈值和一流量阈值分别作为持续通流时间和持续通流量的极大值，当检测到持续通流时间或(和)持续通流量超过设定的阈值时，判断为存在大漏失，随即关闭电磁阀门，阻止自来水继续漏失。当自来水漏失的流量相对较小时，持续通流时间比持续通流量先超过设定的阈值；当自来水漏失的流量相对较大时，持续通流量比持续通流时间先超过设定的阈值；两检测参量联合监控，能准确判断大漏失是否存在。

2 压差式止漏失水表结构

压差式止漏失水表主要由电磁阀门、脉冲流量计、压强传感器和控制器组成，控制器又细分为计数单元、比较单元和中央处理单元，另附加遥控器和报警器，压差式止漏失水表的基本结构如图1所示。该系统以89C52单片机[13-14]为核心，具有32个I/O口，3个定时/计数器，其具有的看门狗功能[15]可以有效防止程序跑飞。由于水体压强降低幅度大，降低速度快，故上述压强传感器无需高精度和高灵敏度，选用以弹簧为主要构件的机械式压差开关亦可满足要求，从而降低成本，减少功耗，延长使用寿命。

图1 压差式止漏失水表的基本结构

3 控制程序和流程

控制程序主要由主函数、初始化函数、按键函数、显示函数以及报警函数组成。主函数计算脉冲流量计输出脉冲的频率；初始化函数完成系统的初始化，设置预定压强差、持续通流时间和持续通流量的极大值等；通过调用按键函数可以调节预定压强差、持续通流时间和持续通流量的极大值的具体数值；通过调用显示函数可以在液晶屏幕上显示实时流量、累加流量、系统工作状态等信息；判断出自来水存在漏失时，可调用报警函数实现声光报警功能。

自来水正常流动时，一次持续通流时间和一次持续通流量都存在一极大值，首先设定时间阈值作为一次持续通流时间的极大值，流量阈值作为一次持续通流量的极大值。设定脉冲流量计能检测的最小流量为始动流量。

步骤S210：判断水龙头与电控阀门之间部分的水的流量是否小于始动流量。如果是，有两种情况：第一种情况是水未流出，第二种情况是水正在流出。需要进一步判断，则进入步骤S220。可以根据脉冲流量计检测结果判断水的流量是否小于始动流量。

步骤S220：关闭电控阀门。

步骤S230：判断电控阀门的内侧和外侧之间是否存在预定压强差。如果否，则属于第一种情况，不进行动作。如果是，则属于第二种情况。第二种情况又有两种情形：第一种情形是水存在滴漏，第二种情形是水龙头正常打开，水正常流出。需要进一步判断，进入步骤S240。

步骤S240：打开电控阀门。

步骤S250：判断水的流量是否小于始动流量。如果否，属于第二种情形，则不进行动作，认为水无漏失。如果是，属于第一种情形，则进入步骤S260。

步骤S260：判断出水存在滴漏，将电控阀门关闭，避免水继续外流，报警器报警。

另外，在步骤S210中，如果判断水的流量不小于始动流量时，还可以进入步骤S270。步骤S270中，判断一次持续通流量是否达到流量阈值，或者判断一次持续通流时间是否达到时间阈值，如果是，则认为水发生大漏失，将电控阀门关闭，报警器报警。如果否，则说明水正常流出，不进行动作。控制流程图如图2所示。

图2 控制流程图

4 结论

1)滴漏促使水体压强降低幅度大，降低速度快，以流量和压差为检测参量的定性判断方式能够有效判断以滴漏为代表的小漏失是否存在。

2)持续通流时间和持续通流量作为检测参量联合监控，能够准确判断大漏失是否存在。

3)压差式止漏失水表可实现对自来水的自动化控制，可以实时、连续、准确监控水体情况。

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国家级大学生创新创业训练计划项目(201310425080)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.04