具有水管理能力的水表 |
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| 申请号 | CN201910589177.2 | 申请日 | 2019-07-02 | 公开(公告)号 | CN110686738B | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 卡姆鲁普股份有限公司; | 发明人 | 丹尼尔·贝克·雷默; | ||||
| 摘要 | 披露了一种公用事业 水 表，该公用事业水表被配置用于动态节流并且被安排用于记录和管理从分配网络输送到消耗场所的水量。该公用事业水表包括：流量 传感器 ，用于测量通过该公用事业水表的流速； 阀 ，用于限制从该分配网络到该消耗场所的流速； 致动器 ，用于改变阀 位置 以使得该阀可以处于打开位置、或关闭位置或可变节流位置；以及 控制器 单元，被安排用于控制该致动器。该控制器单元进一步被配置用于使用该流量传感器来监测该流速，以验证该流速是否超过最大流速限制或未超过最小流速限制，并且如果超过这些限制，则调节该阀位置以改变该最大流速。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种公用事业水表，被配置用于动态节流并且被安排用于记录从分配网络输送到消耗场所的水量，该公用事业水表包括： |
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| 说明书全文 | 具有水管理能力的水表技术领域背景技术[0002] 全世界的自来水公司都感受到可用的水资源是有限的，并且自来水厂的生产能力不足以满足来自用水者的需求。因此，需要用于在用水者之间共享可用资源的机制，以确保所有最终用户至少拥有最少体积的水供其使用。这可以通过限制输送到每个消耗场所的水量(例如，通过使用具有节流功能的阀限制进入到消耗场所的最大流速)来实现。限制公用事业水表的最大流速的目的是限制耗水量和峰值流量，而不是达到恒定流量水平。 [0003] 进一步地，自来水公司经历了用水者不支付水费并因此想要将消耗场所与分配网络断开连接。然而，完全停止对比如私人住宅等消耗场所的供水可能是不可接受的，因为使居民和动物无法获得饮用水可能是致命的。因此，期望用于限制所输送的水量的动态机制。 [0004] 例如在US 8539827 B2(其中披露了一种与水表一体的阀)中，具有一体阀的公用事业水表是已知的，并且包括节流功能也是已知的。阀可以处于打开位置、关闭位置或节流位置，在节流位置处，流量减少到正常流量的5％至15％。 [0005] 然而，公用事业分配网络不会以相同的输入压力向所有消耗场所输送水，并且此外压力将随时间推移而变化。因此，阀的静态节流位置将导致变化的最大流量，这取决于消耗场所和由公用事业分配网络输送的实际压力。 [0006] 在任何时候对所有用水者使用通用且恒定的节流水平将导致有限的最大流量，这可能为不依赖于其消耗模式的所有用水者带来不便。通过其自己的动作限制用水量的用水者可能不需要限制最大流量。然而，如果这样的用水者正在改变行为，则可能需要施加对最大流量的限制。 [0007] 典型的家庭用水场所可能具有大约1000l/h的最大流量。低至5％至15％的节流仍然允许使用50l/h至150l/h，这可能仍然比自来水公司所期望的更多。然而，由于完全停止对用水者的供应的风险，例如由于以下原因，难以使节流精确地低于5％：斑块生长在阀部件上；不想要的物体随水流动并在阀开口凝结成块；或者对阀开度的控制不精确。 [0008] 公用事业水表通常由电池供电，具有长达20年的预期电池寿命。通过调节阀来调节节流水平是耗能的操作，应该尽可能少地启动该操作以降低能耗。 [0009] 因此，具有改进的水管理能力的公用事业水表将是有利的。特别地，一种用于限制用水量同时不会对用水者造成不必要或不期望的不便的更高效、精确和可靠的机制将是有利的。此外，该机制应该是节能的并且适于比如私人住宅等典型的用水场所的非连续流型。 [0010] 发明目的 [0011] 本发明的另一个目的是提供现有技术的替代方案。 [0012] 特别地，可以将本发明的目的看作是提供一种解决现有技术的上述问题的具有水管理能力的公用事业水表。 发明内容[0013] 因此，上述目的和若干其他目的旨在在本发明的第一方面中通过提供一种被配置用于动态节流并被安排用于记录从分配网络输送到消耗场所的水量的公用事业水表来实现，该公用事业水表包括：‑流量传感器，用于测量通过公用事业水表的流速；‑阀，用于限制从分配网络到消耗场所的流速； ‑致动器，用于改变阀位置以使得阀可以处于打开位置、或关闭位置或可变节流位置；‑控制器单元，用于控制阀的位置，该控制器单元进一步被配置用于：‑使用流量传感器来监测流速，并且‑如果流速超过最大流速限制，则调节阀位置以减小流速，并且‑如果流速不超过最小流速限制，则调节阀位置以增大流速。 [0014] 上述实施例的公用事业水表提供了一种用于测量用水量并有效管理输送给用水者的水的设备。通过根据所测得的流速以及可由自来水公司限定的最小/最大流速限制调节阀的位置来提供对水的管理，由此实现动态节流机制。根据所测得的流量动态地调节阀位置具有在每个不同的消耗场所精确地限制最大流量的效果。另一个优点在于最大流速不会由于水压或其他环境条件的改变而改变。又另一个优点在于可以将最大流速精确地向下调节到非常低的最大流速，而没有不期望的长期完全断开供水的风险。进一步地，在异物被卡在较小的阀开口中的情况下，公用事业水表将自动增大阀开度。 [0015] 用水量的记录可以用于计费目的，并且公用事业水表可以是合法的仪表，即，遵从法规要求的仪表。这类法规要求可能是对测量精度的要求。公用事业水表可以由电池供电，因此具有可用于调节阀位置的能量资源有限，因此减少对调节阀位置的需要的任何机制都是有利的。 [0016] 公用事业水表包括流量传感器，该流量传感器可以基于任何合适的流量测量技术，例如，基于传播时间原理的超声波流量计。流量传感器可以输出流速信号，可以在一段时间内对该流速信号进行积分以提供体积。其他流量传感器可以输出包括消耗体积或累积体积的增量的体积信号，可以对这样的信号进行微分以获得流速。因此，被安排用于测量输送到消耗场所的水的流速的流量传感器也可以被解释为被安排用于测量输送到消耗场所的水的体积的流量传感器。 [0017] 阀可以是任何种类的合适的阀，比如：球阀；蝶阀；针阀，隔膜阀；闸阀；旋塞阀或其他机械阀。可以通过使用致动器将阀的位置改变为处于打开位置、关闭位置或可变节流位置，其中，可变节流位置可以是关闭位置与打开位置之间的任何位置。在节流位置和关闭位置下，阀正在限制从分配网络到消耗场所的流速。据说即使在零流量时，阀也在处于节流位置和关闭位置时限制流量。当观察到流速超过最大流速限制时，调节阀的位置以减小阀的开度，由此有效地限制流速。 [0018] 监测流速应被解释为获得包含关于流速的信息的任何数据。监测累积体积记录器的变化或记录指示所消耗体积或体积流量(当与时间相关时足以完成所有工作)的脉冲包括关于流速的信息。并且监测流速可以包括通过过滤或任何种类的众所周知的数学和统计操作来处理所获得的数据，比如：积分；微分；计算增量值、累积值、最大值、最小值；包括平均值的统计矩等。 [0019] 持续短时间的峰值流量对总用水量的影响非常有限，因为其代表非常有限的所消耗的水的体积，因此，如果流速已经持续超过最大流速限制第一持续时间，则其阀位置由控制器单元进行调节以减小流速的公用事业水表可能是有利的，因为忽略了高流速的短爆发。为了补偿包括总计达到相当大的水体积的高流量的短爆发的高度动态消耗曲线，可能有利的是，计算一段时间内的平均流量，从而具有在第一持续时间内所测得的平均流速超过最大流速限制时其阀位置由控制器单元进行调节以减小流速的公用事业水表。第一持续时间可以在5秒到240秒的范围内。第一持续时间可以优选地在5秒到 120秒的范围内、或者更优选地在5秒到60秒的范围内。 [0020] 本质上，用水场所的消耗曲线通常包括具有零消耗或接近零消耗的几个时间段。有利的是，这类低消耗时间段不会导致阀的即时调节。因此，如果流速已经持续低于最小流速限制第二持续时间，则其阀位置由控制器单元进行调节以增大流速的公用事业水表可能是有利的。一个效果是，由于低消耗或零消耗时间段较短，公用事业水表不愿意增大阀开度，从而减少了用于调节阀的能耗。另一个优点在于，不可能通过具有较短时间段的零消耗来操纵公用事业水表以增大阀开度。第二持续时间可以在12小时到1周的范围内。通常，如果第一持续时间比第二持续时间短，则这可能是有利的。第二持续时间可以优选地在1小时至48小时、或甚至更优选地在1小时至24小时的范围内，以避免使任何人持续长时间段没有饮用水。 [0021] 通过节流限制用水量可能被用水者体验为对服务水平的降低，因此仅限制在限定时间段期间已经消耗了大量水的消耗场所的消耗可能是有利的。进一步地，这具有限制用于改变阀位置所消耗的能量的优点。因此，可能有利的是将控制器单元安排为如果已经将最大体积的水输送到消耗场所，则调节阀位置以减小流速，并且其中，该最大体积是在12小时到1个月的时间段内计算出来的。因此，如果已经超过最大体积并且流速超过最大流速限制，则控制器单元将仅调节阀位置以减小流速。在某些情况下，可以在与计费周期匹配的时间段(比如2个月、或3个月、或6个月或12个月)内计算出最大体积。在其他情境下，在较短的时间段内计算出最大体积以在严重缺水情况下限制用水量，在这种情况下，可以在几小时3 (比如1小时到24小时) 内计算出该体积。最大值取决于计算其的时间段，并且可以在1m / 3 月至10 m/月的范围内。 [0022] 为了实现高效且精确的节流功能，需要在调节阀位置方面的较高灵活性。因此，其阀位置可以被调节为处于至少2种不同节流位置的公用事业水表是有利的。如果阀位置可以被调节为处于3种至10种节流位置，则可能甚至更有利。可以在阀位置可连续调节的公用事业水表中实现甚至更精确的节流功能。在那种情况下，阀位置可以通过支持对阀位置进行连续调节的阀致动器进行连续调节。 [0023] 调节阀位置的目的是限制最大流速以匹配最大流速限制。这可以在多个步骤中执行，在这些步骤中，取决于比如流速、水压、阀的当前位置等因素以不同大小的增量来改变阀位置。其阀位置由控制器单元以增量/减量进行调节且增量的大小与减量的大小不同的公用事业水表可以具有以下优点：用于限制流速的反应时间与用于允许流速增大的反应时间不同。其增量比减量小的公用事业水表可具有以下优点：对高流速的反应快速而对低流速的反应较慢。增量/减量的大小应被解释为调节阀位置的量。例如，针对具有可以通过在0度与180度之间旋转来调节的具有球元件的球阀，可以选择2度的增量大小，从而在这两个外部位置之间产生90个增量/减量。由于阀的流量特性取决于阀的类型而可以是非线性的，因此增量/减量大小可以取决于当前阀位置。 [0024] 其中调节阀位置时增量/减量的大小取决于所测得的流速与最小流速限制或最大流速限制其中之一之间的差值的公用事业水表具有降低在限制流速时过调的风险的优点。 [0025] 流速的变化可能与阀位置的调节不成正比，因此调节阀位置时增量/减量的大小取决于所测得的流速与最小流速限制或最大流速限制其中之一之间的差值和当前阀位置可能是有利的。 [0026] 为了避免自动完全停止对消耗场所的供水，其中由于流速超过最大流速限制而调节阀位置将不会使阀位置改变为超过第一极限阀位置的公用事业水表可能是有利的。第一极限位置是留下较小阀开度以防止完全停止的位置。 [0027] 为了使改变阀位置所需的能量的量最小化，其中由于流速未超过最小流速限制而调节阀位置将不会使阀位置改变为超过第二极限阀位置的公用事业水表可能是有利的。第二极限位置是具有较大阀开度、在最大阀开度的 50％至90％的范围内的阀位置。这种阀开度允许几乎不受限制的流量，同时不需要使用能量来完全打开阀。 [0028] 为了优化对阀位置的调节，公用事业水表可以进一步包括用于确定阀位置的装置。用于确定阀位置的装置可以用于在调节阀位置时适配增量/减量大小。已知阀位置与阀开度之间的关系的水表可以计算经改变阀位置的预期效果并相应地调节增量/减量大小。公用事业水表可以跟踪不同阀位置处的历史最大流速的记录，并使用这些跟踪记录来调节阀位置。这具有快速、精确且节能的阀调节的优点。 [0029] 公用事业水表可以进一步包括通信接口，该通信接口被安排用于接收和发送来自通信伙伴的数据消息，并且由此，该通信伙伴可以改变该最小流速限制、最大流速限制、第一持续时间、第二持续时间、增量大小、减量大小中的一项或多项。公用事业水表可以包括一个或多个通信接口，比如有线或无线M‑Bus、蜂窝技术(例如，2G、3G、4G、5G或NB‑IOT)、WIFI、LORA、Sigfox或专有通信接口。这些通信接口可以用于将水表连接到高级计量基础设施或通过仪表的读数进行驱动。可以通过具有以下优点的通信接口来更新由控制器单元使用以用于水管理的规则：可以调节水管理功能，以适应公用事业分配网络或公用事业设施中不断变化的条件。公用事业水表可以进一步被安排用于作为对在通信接口上接收的通信的响应而打开或关闭水表的阀。 [0033] 图1示出了公用事业水表的功能图；并且 [0034] 图2展示了用于实施水管理功能的状态机。 具体实施方式[0035] 图1示出了具有水管理功能的公用事业水表的功能图。公用事业水表包括多个功能元件。公用事业水表被安排用于测量、监测和记录水从分配网络流经公用事业仪表到达消耗场所的流速/体积。进一步地，仪表被安排用于对消耗场所的水的输送进行管理，因为其控制用于限制所消耗的水的最大流速的阀。公用事业水表根据一组规则305限制所消耗的水量。公用事业水表将所测得的流速值与这组规则进行比较，如果流速违反这组规则，则公用事业水表将调节阀302的位置，以使阀将具有节流功能，并且从而通过限制最大流速来调整用水量。由此实现了动态节流功能。限制公用事业水表中的最大流速的目的和效果是限制所消耗的总水量并最小化公用事业分配网络中的峰值流量，而不是实现通过公用事业仪表进入消耗场所的恒定流量水平。 [0036] 流量传感器被安排用于测量进入到消耗场所的水的流量。阀302被安排用于将消耗场所与公用事业分配网络连接/断开，并通过应用节流功能来限制输送到消耗场所的水的量/最大流速。仪表记录器303被安排用于记录至少输送到消耗场所的水的体积，并且可以记录比如流速、峰值流量、最小流量等其他参数，分析流量以检测消耗场所处的设施中的泄漏或爆裂。进一步地，仪表记录器可以检测/记录其他事件和参数，比如：篡改、传感器错误、干燥仪表(dry meter)、水温、环境温度等。通信接口304使得一个或多个有线或无线通信接口能够适用于与比如移动仪表读取设备或固定仪表读取设备等外部设备进行通信。控制器单元300实施水管理功能。图1上的箭头表示功能元件之间的通信路径。未直接连接的两个功能元件可以使用中间功能元件作为通信信道以进行对等通信。不同的功能元件可以用HW或SW或两者的组合来实施。SW元件可以在共同的微控制器中或在不同的微控制器中实施。 [0037] 控制器单元300实施水管理功能。到控制器单元的输入包括用于限制最大流速和来自流量传感器的流量数据的规则305。控制器单元300被实施为包括两个功能子单元：状态机200和流量分析器301。这两个功能子单元一起判定规则是否被违反并相应地控制阀302。当控制器单元接收到管理供水的请求时，启动流量分析器和状态机，并且像这样启动监测功能。控制器单元还可以使用来自仪表记录器303的数据，比如历史流量数据和累积体积值。 [0038] 规则被实施为包括公用事业水表的非易失性存储器中的数据结构。规则包括最大流速限制和最小流速限制。规则还可以包括分别与最大流速限制和最小流速限制相关的第一持续时间和第二持续时间。规则可以进一步包括最大体积限制和用于计算最大体积的时间段。规则还可以包括关于比如峰值、最小值和平均值等值的计算方法的信息。规则可以通过通信接口304来更新。 [0039] 图1中的流量分析器301从流量传感器接收流量数据，并且对该数据进行处理以获得适用于评估规则是否被违反的度量。流量分析器计算：流速、累积体积；最大流量；最小流量以及适用于评估流量是否违反规则的其他度量。根据规则305，将度量作为峰值、最小值、最大值、不同时间段内的平均值进行计算。流量分析器将基于流量数据计算出的度量与规则进行比较，并在规则被违反或不再违反时生成事件。所生成的事件作为可以触发状态转换的事件被馈送到状态机200中。如果在规则中定义了第一持续时间或第二持续时间或第一时间段中的任何一个，则直到规则中的所有元素都被违反才会生成事件(例如，流速已经高于最大流速限制长达比第一持续时间更长的持续时间)。 [0040] 流量分析器将包括积分和微分的标准微积分功能应用于从流量传感器接收的流量数据。如果来自流量传感器的流量数据是流速或累积体积的等距样本，则如加法和减法的简单函数可能足以生成所需的度量。其他流量传感器可以为每个消耗量输送脉冲，并且该脉冲也可以通过应用众所周知的方法被转换为流速和累积体积。 [0041] 图2示出了图1中状态机200的示例。状态机包括多个状态以及状态之间的转换。转换被示出为状态之间的箭头。状态机可以包括比图2所示更多的状态。状态之间的转换是由一个或多个特定事件引起的，引起转换的事件被示出在转换箭头处。来自流量分析器301的输出作为事件被馈送到状态机中，这些事件包括但不限于比如以下各项等事件：流速高于最大流速限制、以及流速低于最小流速限制。外部输入作为事件被馈送到状态机中，这些事件包括但不限于：连接命令；断开命令、启动节流以及停止节流。 [0042] 在正常状态下，节流功能未激活。在这种状态下，控制器单元可以接收关闭阀或启动节流功能的命令。当接收到启动节流功能的命令时，启动到节流状态202的状态转换，并且启动流量分析器。在规则被违反的情况下，节流状态将从流量分析器接收到流速低于最小流速限制或流速高于最大流速限制的事件。这两个事件分别要求调节阀以增大流速或减小流速。在接收到事件时，流量分析器已经确定规则中的所有元素都已被违反。事件可以包括关于违反的严重程度的附加信息，比如最大流速限制与所测得的平均流速之间的差值。节流状态可以将此信息转发到用于适配阀位置调节的两个调节阀状态203、204之一。节流状态还可以保持对来自流量分析器的事件的跟踪记录，以用作调节阀状态的输入。 [0043] 当规则已经被违反时，启动从节流状态到这两个调节阀状态203、204之一的转换。调节阀状态将调节阀的位置以允许最大流速增大或减小。 [0044] 阀位置以增量来调节，增量的大小可以是静态的或者根据所测得的流速与最大流速限制或数量之间的差值而动态地变化，从而使得较大的差值导致较大的步长，而较小的差值导致较小的步长。动态增量大小的优点在于降低了在适配最大流速时欠调/过调的风险。可能进一步有益的是，在减小最大流速时应用比在增大最大流速时更大的增量大小。这具有如下效果：对高于最大流速限制的流速比对低于最小流速限制的流速反应更快。还可以调节增量大小来补偿阀的非线性特性。通过了解当前阀位置和阀的特性，可以计算出产生所需效果的增量大小。进一步地，调节阀状态可以保持先前阀位置和这些位置处的最大流速的历史，这可以用于调节阀。 [0045] 对阀位置的调节可能不会立即发生。所使用的致动器和可用于调节的能量可能导致调节阀位置的过程时间。调节阀位置的过程时间将取决于具体的阀和致动器，将阀位置从打开位置调节到关闭位置可能持续长达几分钟。 [0046] 当完成对阀位置的调节时，启动从调节阀状态203、204到节流状态202 的状态转换。节流状态可以向流量分析器301发出阀位置的调节已经完成的信号，然后流量分析器可以重新启动计算时间段，以从计算中排除阀调节的时间段。这具有如下优点：对违反规则的判断完全基于在将阀设置在新位置中之后所获得的数据。如果用于调节位置的能量不可用或者如果已经使用了为这些动作所保留的能量的量，则节流状态和/或这两个调节状态可以进一步选择推迟或忽略需要调节阀位置的事件。这具有如下优点：防止电池的能量储备被用于多次阀调节。 [0047] 本领域技术人员应该理解，状态机可以包括除图2中所展示的元件之外的其他元件。进入或退出状态时，这些状态中的任何一个都可能具有多个要执行的相关联动作。相关联动作可以取决于触发转换的事件。作为示例，当由于断开命令事件而发生从正常状态201到阀关闭状态的转换时，执行要关闭阀的动作。这些动作未在图2中示出。状态机可以包括图2中也未包括的其他状态或者状态之间的中间状态或决策。 [0048] 状态机可以被实现为微控制器中的SW功能或者例如FPGA中的HW 实现方式。 [0049] 为了优化对阀位置的调节，公用事业水表可以进一步包括用于确定阀位置的位置传感器。在一个实施例中，阀可以是球阀，该球阀包括被安排用于控制流速的阀球。阀球通过阀杆旋转，并且位置传感器包括用于控制阀杆的旋转位置的电路系统。该电路系统包括设置在印刷电路板(PCB)的面朝阀杆的一侧上的感测盘。感测盘包括多个单独的导电区域，比如四个90度的圆形楔形物。另外，旋转构件与阀杆连接。旋转构件包括两个相对安排的导电且电连接的圆形楔形物，该两个圆形楔形物构成传感器板。 [0050] 通过将旋转构件的传感器板安排成与感测盘的导电区域相对，实现了电容器结构。导电区域中的每一个连接到设置在公用事业水表中的处理器的集成电路，并且通过向导电区域之一施加电势并将其他导电区域接地可以产生电路。 [0051] 当传感器板与阀杆一起在导电区域上方旋转时，在传感器板的单独圆形楔形物与单独导电区域之间产生可变电容。由于电容器的电容取决于导电区域与传感器板之间的重叠面积，因此当圆形楔形物定位在导电区域正上方时，可变电容器中的每一个的电容达到最大值。由于旋转构件总是与至少两个导电区域重叠，因此产生包括两个串联耦合电容器的电路。第一电容器在耦合到电势的第一导电区域与传感器板之间产生，并且第二电容器在传感器板与其他导电区域中的一个或多个之间产生。 [0052] 连接到导电区域的集成电路能够在给定时间实例中给出每个导电区域的电容度量。因为区域的电容以明确定义的方式变化，所以通过跟踪和处理每个导电区域的这种电容度量，可以确定旋转构件的等效绝对位置。 [0053] 用于确定阀位置的位置传感器可以用于在调节阀位置时适配增量/减量大小。已知阀位置与阀开度之间的关系的水表可以计算经改变阀位置的预期效果并相应地调节增量/减量大小。 [0055] 本发明的实施例的各个元件可以以任何合适的方式在物理上、功能上和逻辑上实施，比如在单个单元中、在多个单元中或作为单独的功能单元的一部分。本发明可以在单个单元中实施，或者在物理上和功能上分布在不同的单元和处理器之间。 [0056] 虽然已经结合特定实施例描述了本发明，但其不应被解释为以任何方式局限于所给出的示例。本发明的范围应根据所附的权利要求集来解释。在权利要求的背景中，术语“包含”或“包括”不排除其他可能的元素或步骤。此外，提及例如“一个”或“一种”等不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中所指示的元素使用的附图标记也不应被解释为限制本发明的范围。此外，可以可能有利地组合在不同权利要求中提到的各个特征，并且在不同的权利要求中提及这些特征并不排除特征的组合是不可能和有利的。 |
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