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新天M-bus直读表独有技术

 一、目前直读表的技术现状
    目前的抄表系统分无线方式和有线抄表方式两种。
   
有线方式有485传输方式和M-BUS传输方式两种。485传输方式的主要特点是四根线(两个电源线,两根信号线),需要区分线的极性;M-BUS传输方式的主要特点是两根线,既做电源又加载有信号,且两根线不分极性。
    有线抄表按照技术实现的方式不同,可分为脉冲式(有源)、摄像头式(无源)、电阻式(无源)、光电式(无源)。从技术的可靠性、发展方向以及市场的占有率来讲,光电式是目前的主流方式。
    直读表的含义是平时不供电,抄表时供电抄表。
1、脉冲式(有源式)

    其原理是表内的指针(或齿轮)上加装一个磁铁,表的转动带动磁铁转动,磁铁的转动引起干簧管(或霍尔元件)发出脉冲信号,由电路记录脉冲信号并累加存储在电子存储器中。 
    当抄表时采集器读取电路中的存储器的数据。
    脉冲式的优点是结构原理简单,缺点是表内需要电池供电。近年来,对此技术异议最多的是干簧管采样计数不准的问题,而实际上只要选择迟滞效应的干簧管,再认真分析研究,根本不存在计数不准的问题。
总之,在大多的生产厂家共同唱衰中,脉冲式已渐渐退出历史舞台。
2、摄像头式(无源式)

    在表中加一个小摄像头,平时不需供电,抄表时加电,给水表的字轮照相,然后将照片传递给上位机,由人工识别读数,达到无源直读的效果。其优点在于直观的视觉效果,其缺点是数据传输量太大,图像必须经过编码---传输---解码---恢复图像的过程,目前而言效率有待提高,加之摄像头必须要小心保护,所以市场推广不多。目前是只有概念,没有产品。
3、电阻式(无源式)
    其原理是在表的字轮上附加一个电阻圆盘,其对应于字轮上0—9位置的电阻值不同,抄表时,通过判断不同的电阻值,从而间接判断出表在0—9的哪个位置。

    电阻式的优点是转换精度高,无盲区,缺点是电阻圆盘和电路之间靠接触摩擦和磨损,长时间触点之间的接触电阻变大,转换精度反而更差。
    目前市场上有些表宣称厚膜式,其实就是电阻盘的电阻的制作工艺是采用厚膜工艺,用厚膜工艺制作电阻是上一世纪60年代的成熟技术,只是进行了成本的降低,顺便进行了概念的炒作而已,根本来讲,对于接触摩擦这个问题没有解决。
    也有的表宣称平时无接触无磨损,抄表时,电动机带动探针移动,探针扎向电阻盘读取电阻值,表面听起来解决了磨损问题,但是有一个更大的缺陷,即,当抄表时,探针扎向轮盘,如果此时表正在转动,特别是表在进位时,扎向轮盘的探针会强行阻止轮盘转动,那么对轮盘的损害将是致命的。比如说有千分之一的概率,如果安装了1000块表,一个月抄表一次,就有一块表损坏,一年就有12块表损坏。

    要解决接触摩擦和磨损的问题,最根本的是采用镀黄金的接触点和接触面,但是从价格上来讲,客户不会掏两倍的价格买单。
4、光电式(无源式)
    分反射式和对射式两种。
    反射式的原理是在字轮的0—9的不同位置涂上不同的黑色和白色组合涂块,由几组红外的发光管和红外的接收管组成检测机构。抄表时,红外光发光,黑色块不反射光,白色块反射光,红外接收管由此可以判断出处于黑色块或白色块的位置,从而判断出字轮的0—9的位置。

    透射式是在字轮的0—9位置刻上不同的槽,由几组红外的发光管和红外的接收管组成检测机构。抄表时,红外光发光,槽透光,无槽的地方不透光,红外接收管由此可以判断出字轮处于0—9位置的位置。
    反射式比较透射式有一个缺点,黑色块和白色块随着时间的推移会改变颜色,从而造成光的反射不准。
    光电式直读表,无论反射式和透射式,优点是原理简单,无触点,可靠。缺点是,由于光的发散性、外界太阳光的影响,水质气泡的影响,会出现读数不准,同时,在字轮转到两个数字之间(比如0—9),会出现盲区,从而引起数字混乱。

二、新天无源直读水表的技术特点
1、多状态编码技术-----解决盲区问题。
    表的字轮0—9共十个状态,按照理论计算,只需4对或5对光电管( 24=16,25=32)就可以判断出10个对应的位置,但是由于光的散射性、字轮的位置的不精确、转动的非理想情况,特别是在轮子转到两个数字之间时,会出现不确定的状态盲区,这是目前其他厂家产生读数不准的根重要原因。
    而新天直读水表,采用的是7对光电管透射式方式的独有技术,如下图,27=128,这样,用128种光电管的状态去分辨10种位置状态,就比如用称量钻石的称去分辨石头的大小,能不精确吗?

七组的光电对管一定比五组的好,新天的前期产品也是五组对管, 新天不会不加仔细研究而更换为成本高的七组光电对管。
2、模拟纠错技术-----解决环境影响和老化问题。
    研究电子技术的人都知道,红外发射管和红外接收管的信号是数字信号,有光时接收管导通,无光时接收管截止。可是,使用在表上,问题远远没有那么简单。
    新生产的表,接收管要么全导通(或基本导通),要么全截止(或基本截止),但长时间之后,等到几年之后,发光管老化、反射面不再黑白分明呢?
    使用环境好的表,接收管要么全导通(或基本导通),要么全截止(或基本截止),但如果环境不好,有水泡,气泡,杂质呢?
    所以,理想状态不等于真实状态、实验室状态不等于现实状态,当前状态不等于未来的状态。
   
所以,智能表使用几年后就会失灵似乎是不治之症。

    目前,国内所有的光电直读表,采用的全是数字信号判断法,单片机的最小系统的设计都是基于3.6v电压下的设计,在接收管接到光信号时,接收管导通,为低电平,理想状态下为0v(这种理想技术条件下的表最多用1个月),由于单片机有容错性,在半理想的情况下,只要电平在0v—0.8v之间,单片机也会判断为低电平(这种半理想技术条件下的表最多用10年,这是大多数厂家许诺表可以使用10年的原因之一)。
    类似的原理,在接收管接不到光信号,接收管截止,为高电平,理想状态下为3.6v(这种理想技术条件下的表最多用1个月),由于单片机有容错性,在半理想的情况下,只要电平在2.4v—3.6v之间,单片机也会判断为高电平(这种半理想技术条件下的表最多用10年,这是大多数厂家许诺表可以使用10年的原因之一)。
新天的模拟纠错独有技术原理如下图:

 
    新天表的光电接收管的信号在通向单片机之前,A不和B直接连,而是先经过了一个模拟的运算放大器,进行模拟纠错,再送给单片机。电平在0v—1.8v之间,判断是低电平。电平在1.8v—3.6v之间,判断是高电平。
    对于光电信号的模拟纠错技术,比较其单纯的数字信号,冗余性大大增强,这样在不理想的情况下、在长期使用情况下、在元件老化情况下、在受到太阳光的干扰情况下,新天表设计寿命30年,可靠使用20年。

3、湿式表干装技术—让电子部件运行在无水的湿式表中

    湿式表的结构特点是所有部件全在水中,湿式表的优点在于计量精度高,始动流量小。这是自来水公司更倾向于湿式表的原因。但字轮等全部在水中工作,或者即使液封表,字轮也要在纯净水或者甘油中工作。这就决定了湿式表的光电直读电路要安装在水包围的环境下工作。

    虽然新天在电路防水方面有丰富的经验,虽然新天的所有智能表可以泡在水中工作,但是,我们决不相信电路在水包围的环境下能够长期稳定可靠工作,那些自称可靠防水之类的话在专业人员看来要么是彻底的无知,要么是完全的骗局。今天防水,明年不一定防水;几百块表可以防水,成千上万的表不一定可以防水;在波动不大的温度环境下防水,在高低温交变情况下不一定可以防水;在实验室里可以防水,在现场的长期水压下不一定防水。

    而采用干式表,传动机构和字轮和水通过隔板进行隔离,干式表的优点是防冻性强,读数清晰,但是由于磁传动时消耗能量较大,所以其干式表的灵敏度较湿式表较差。

    湿式表干装技术的原理如下:

    水进入叶轮盒后,带动叶轮、减速齿轮之后再通过磁缸进行耦合,其动力性增强,之后再通过下磁钢,带动隔板上面的上磁钢。上磁钢再带动计数器和字轮。  
    隔板把水和上部分的字轮完全分开,类似于干式表的结构,电路装在隔板上面的计数器的腔体内,和水完全隔离,从根源上消除了泡水的隐患。字轮读数清晰。
    减速齿轮位于水中,保持了湿式表的灵敏度高的优点。
    将干式表与湿式表的优点结合在一起,一石四鸟,是目前市场上基表最完美的组合。这套磨具前后花费新天公司120万的磨具费和研发费。
4、千位轮盘真直读技术------全真的无源直读
    目前国内的直读表,大多只对个位、十位、百位字轮进行了直读,而对千位不进行任何直读操作。为什么这样做呢,一方面,目前国内的直读表厂家大都是在原来的基表的字轮的基础上改制而成,空间有限,另一方面,为了节省成本。光电发射和接受管子的成本较高,使用高性能的管子成本更高,省一个直读位可以是电子电路的成本降低15%左右。
    对千位不进行直读的表,当表的用水超过999吨后,通过直读系统读出的数据是000而不是1000。
新天直读表的字轮结构如上图。
1号板的左半部分是7个个位光发射管,2号板的右半部分是7个个位光接收管。
2号板的左半部分是7个十位光发射管,3号板的右半部分是7个十位光接收管。
3号板的左半部分是7个百位光发射管,4号板的右半部分是7个百位光接收管。
4号板的左半部分是7个千位光发射管,5号板的右半部分是7个千位光接收管。
而其他的厂家的产品,无论反射式或透射式,没有4号板的右半部分和5号板。
5、抗共模干扰的恒流源调制M-BUS技术—一个采集器可带更多块表。
    新天的直读表采用的是M-BUS方式。目前国内的抄表器,M-BUS总线技术靠TS721芯片实现,这种方案最多带255块表(实际使用时考虑冗余后带64块)。我们的独有技术,采用抗共模干扰的电流源调制M-BUS技术,使功耗比传统芯片降低了五倍。因此新天的采集器可以带1024块表(实际使用时考虑冗余后带255块),新天的采集器一台顶4台。技术在同行之间是最先进的。
    正是由于这种优势,新天的M-BUS直读抄表系统需要最少的采集器,因此在销售时,可以只收表的费用,对采集器实行免费政策,同时对用户来说,可以降低施工的耗材和工程费用,用户的各项开支将会节省10%。
6、总线故障自动停机技术---解决了破坏损坏的难题
    目前几乎所有的M-BUS直读表都存在这样的问题,总线中有任意一块表损坏、破坏尤其是短路的情况,由于M-BUS采用的是+36v供电技术,必然会引起整个系统的损害甚至瘫痪。
    目前,其他厂家的系统,安装之后频频进行售后服务,有很大一部分原因就是表的节点出现了短路故障,因为短路而引起了损坏。新天的采集器使用短路自动停机技术,彻底解决了破坏损坏的难题。下图所示公司独有技术的M-BUS总线过载自动停机的电路设计:
    当总线上负载电流在正常范围时,+B1和+B2之间压差很小,ALARM_IN端口为高电平。一旦总线负载出现异常(短路或超负荷),会导致+B1和+B2之间压差迅速增加,ALARM_IN端口变为低电平,被MCU检测到。MCU迅速反应进一步控制,如下图所示电路:POWC输出低电平,致使Q5截止,进一步使Q6截止,切断BUS供给电源,有效的保护了整个系统。

7、全自动抄表技术—世界上最先进的抄表系统
    系统构成通过集中器+采集器+水表的方式实现。目前国内厂家集中器与采集器之间进行无线数据通信时存在一对矛盾,即距离与数据可靠性的问题。距离太远,数据传输不可靠;数据传输可靠,距离又太近,因此大都采用中继器的方式实现。
    新天的采集器与采集器之间全部通过自动路由的方式实现,无需中继的存在。正因为如此,新天在实现一个采集器抄最多的表的同时,又实现了一个集中器抄更多的采集器。
    目前,只有新天一家实现了只需要一张GPRS手机卡就可以抄取25万块表。
新天的全自动抄表技术示意图如下:

 8、半自动抄表技术—不必要抄表工下岗的抄表系统
    系统组成通过便携式抄表箱+手持机+水表实现。抄表人员只需携带便携式抄表箱,在各个楼栋总线结点处,将插头插进总线结点内,通过手持机便可将总线上的表具数据读出来,然后通过串口将数据上传到管理中心,系统组建如下图:
    此抄表系统无需采集器,无需集中器,适合于无网络组建的居民区。
    此方案的好处:
无需采集器,因此整个系统无需使用楼道里的公共电源,自来水公司和小区物业无纠纷。

 

9、电荷泵技术—结束M-BUS不能阀控的历史

    目前国内市场上也存在带控制的直读表,但大多数为4线制即485方式。真正能在M-BUS总线上实现控阀功能,是一个技术难题。据公开的检索,目前只有两家宣称M-BUS可阀控,但未见样品和实现方式,而我公司经过长期攻关,采用的电荷泵技术、两线制电子式阀门到位自动检测技术、分段式悬浮电动球阀独有技术、三重隔离防水技术应用到M-BUS总线上。实现了M-BUS抄表带可靠的阀控。
    新天M-BUS直读系统,不仅可抄,而且可阀控。

10、工业级元器件----可靠使用20年

    为降低成本,大多数厂家选择民用级的原器件,甚至有的厂家采用的甚至是劣质的的原材料。新天的目标是成为世界智能表领域的领导者。新天不是为今天做产品,新天是为十年后、二十年后做产品。
    智能表这个行业的特殊性,使我们认识到,我们必须买最好的元器件,必须买最贵的元器件。新天公司认为:从长期的、发展的、战略的角度考虑,用最贵最好的元器件制造的成本最高质量最好的产品,才是让客户最满意的产品。
    自成立之日起,新天始终坚持的就是这样的理念。所以十年来,仅仅一根根电线,新天做到了一直使用采用日本OKI原厂制造而从不改变,对于所有的元器件,新天做到了一直使用工业界的进口器件。在直读表这个领域,新天充满了质量信心,新天对客户的承诺是:产品设计寿命30年,可靠使用20年,免费保修10年。
    2009年10月19号,建设部的著名技术专家刘百德了解了新天的研发、生产和技术后说:“原来我对中国的智能表的长期稳定性不是很有把握,看了你们的产品,我感觉心里有数了!”
    以下是新天的M-BUS直读表的一些器件和同行的对比:
    一般使用普通的光电管,0.5元钱一对儿,发出的是白光或红色光,我们的光电管是日本ROMH公司的,0.9元钱1对,对管内的晶体是红宝石材料,可滤掉太阳中的干扰的红外光。
    一般使用的电容可靠工作温度范围为-20℃-85℃,而新天的是-40℃-105℃。
    一般使用的电阻的温度系数是100 PPM/℃,而新天的是,温漂值为±30PPM/℃
    一般使用的集成电路是商业级的,温度范围为0℃-70℃,而新天的是工业级,温度范围为-40℃-85℃。

 11、泡在水中可工作技术
    公司生产的智能水表、热量表、气表,工作环境大多潮湿,水及潮气严重损伤微功耗智能表电路的正常运转,这是智能水表出现质量问题的主要原因之一。公司为了摆脱灌腊、涂漆、塑料壳封装这些单一的防潮方式,经过不断试验和配合电路及程序的改进,使得产品抗潮湿的特性大大增强。
    因采用非接触IC卡,以及将智能表的显示屏和主板做成分体式结构,公司智能表的控制电路全部采用改性环氧树脂密封胶灌封;无任何外漏线头和接插件;电池采用硅胶密封;阀门电机、齿轮箱采用塑壳密封、显示屏采用透明密封。经过长期研究试验和改进,公司产品的防水、防潮问题彻底解决,甚至浸泡在水中也可正常工作。产品应用范围不断扩大,可以安装在卫生间、野外、地井中使用。目前,公司产品的防潮技术仍在继续改进中。

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