分體式管網(wǎng)壓力監測設備的設計應用案例

一、前言

管網(wǎng)壓力是自來(lái)水公司保障供水和預防爆管事故的重要數據。各自來(lái)水公司已充分認識到管網(wǎng)壓力監測的重要意義，并采取了多樣的信息化手段來(lái)加以實(shí)現。目前，自來(lái)水公司普遍采用GPRS無(wú)線(xiàn)設備對壓力數據進(jìn)行遠程監測，監測設備的安裝方式通常為以下兩種：

【方式一】監測井內安裝壓力變送器，監測井附近立桿安裝GPRS設備、太陽(yáng)能或市電供電裝置。壓力變送器的信號線(xiàn)引到地面上的GPRS設備中以實(shí)現數據遠傳，設備的工作電源由太陽(yáng)能或市電供電裝置提供。

此種方式可實(shí)現管網(wǎng)壓力數據的實(shí)時(shí)監測，但需要破路、挖溝和鋪設線(xiàn)纜，施工難度大、建設成本高。尤其當監測井在馬路上時(shí)，該方式難以實(shí)現。

【方式二】在監測井內安裝GPRS設備、壓力變送器和蓄電池，GPRS設備采集壓力變送器的輸出信號后直接遠傳給監控中心，設備的工作電源由蓄電池提供。

此種方式為延長(cháng)蓄電池的更換周期，只能采取定時(shí)采集、定時(shí)上報的工作模式，無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)監測。該監測方式存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1、部分監測井內GPRS信號弱或沒(méi)有信號，壓力數據不能按時(shí)上報或根本無(wú)法上報。

2、需頻繁為蓄電池充電，維護成本高，且耗時(shí)費力。

3、監測井內環(huán)境潮濕、易被水淹，影響設備的穩定性。

基于上述難題，我們將低功耗技術(shù)、433MHz和GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，設計了分體式供水管網(wǎng)監測設備。該設備由無(wú)線(xiàn)壓力變送器和433M/GPRS雙模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)兩部分構成。

二、產(chǎn)品設計

1、工作方式

監測井內安裝無(wú)線(xiàn)壓力變送器(由低功耗壓力變送器 和 433M數據采集通信終端兩部分組成)，監測井附近的樓頂、路燈桿或專(zhuān)用安裝桿上安裝433M/GPRS雙模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和太陽(yáng)能供電設備，供水管網(wǎng)監測中心安裝服務(wù)器和管網(wǎng)壓力實(shí)時(shí)監測系統軟件，如下圖所示。

無(wú)線(xiàn)壓力變送器采集供水管網(wǎng)的壓力數據后通過(guò)433MHz向表井外發(fā)送，表井外的433M/GPRS雙模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)接收到壓力數據后再轉由GPRS網(wǎng)絡(luò )遠傳給監控中心。井內、井外設備穿透金屬井蓋的有效通信距離可達150米，使得433M/GPRS雙模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的安裝位置十分靈活，大大降低了施工難度。

2、關(guān)鍵技術(shù)

2.1、 433MHz和GPRS接力傳輸，解決信號難題。

433MHz通信技術(shù)使用的是433MHz免費頻段，無(wú)需申請和付費，其顯著(zhù)優(yōu)勢是無(wú)線(xiàn)信號的穿透能力和繞射能力強，特別是在地下監測井內，優(yōu)勢更加明顯。但因433MHz屬于超短波，其傳輸距離受限，而自來(lái)水公司的管網(wǎng)監測點(diǎn)分布在幾十甚至幾百公里的范圍內，所以采用433MHz和GPRS接力傳輸的方式既解決了表井內GPRS信號弱的難題又滿(mǎn)足了遠程監測的需要。

2.2、電池供電低功耗設計，解決井內電源問(wèn)題。

針對井內設備的供電問(wèn)題， 無(wú)線(xiàn)壓力變送器中的433M數據采集通信終端特別選用了低功耗的電源、CPU和通信芯片，將工作功耗降到了最低，并配置了20AH的高能量鋰電池組。433M數據采集通信終端不僅給自己供電，還為低功耗壓力變送器提供工作電源。

低功耗壓力變送器工作電源為DC 5V，信號輸出為DC 0.25~2.25V，工作電流僅為微安級，真正了實(shí)現低功耗運行。

為進(jìn)一步降低功耗，433M數據采集通信終端在采集壓力數據時(shí)瞬間為低功耗壓力變送器供電，數據采集完畢后隨即停止供電，直至下一個(gè)抄表周期(抄表周期可任意設置)。按3分鐘一次抄表周期計算，433M數據采集通信終端的電池壽命可達2.5年。

通訊時(shí)序及功耗圖：

433M數據采集通信終端的電池壽命很容易計算。

首先，計算平均電流，公式如下：

Iaverage=[It*Tt+Ir*Tr+Is*(T-Tt-Tr)]/T (公式1)

其中，Iaverage：平均電流;

It：發(fā)射電流; Tt：發(fā)射時(shí)間;

Ir：接收電流; Tr：接收時(shí)間;

Is：休眠電流; T：抄表周期。

如上圖中所示：

It = 75mA; Tt =2s;

Ir = 10mA; Tr =1s;

Is = 0.004mA; T = 180s。

帶入公式1計算：

Iaverage = (150+10+0.708)/180 = 0.893mA

其次，計算電池使用壽命，公式如下：

Tlife=C/Iaverage (公式2)

其中，Tlife：電池使用壽命;

C：電池容量;Iaverage：平均電流。

將C=20Ah，則帶入公式2計算：

Tlife = 20000/0.893 = 22396(h)≈ 2.5(年)

2.3、采用全防水設計，解決井內潮濕、易水淹的難題。

433M數據采集通信終端的外殼采用優(yōu)質(zhì)的透明工程塑料，具有出色的耐熱、耐寒和耐腐蝕特性;具有良好的結構穩定性和電絕緣性以及重量輕、強度高、抗壓、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。

433M數據采集通信終端采用全方位防水設計：

◆ 殼體兩側端蓋采用螺紋壓緊方式，安裝方便。

◆ 為防止安裝時(shí)密封墊擠壓變形，采用內壓蓋直接按壓方式進(jìn)行密封。

◆ 殼體內置4個(gè)固定卡扣，端蓋旋轉時(shí)能夠防止內壓蓋轉動(dòng)。

◆ 密封墊采用優(yōu)質(zhì)硅膠材料，表面采用雙弧形設計，工作時(shí)能形成上、下兩個(gè)真空室，形成真空隔離。

◆ 內壓蓋上開(kāi)有直徑為16mm的出線(xiàn)孔(用于連接433M防水天線(xiàn)和低功耗壓力變送器的信號線(xiàn))并配置進(jìn)口防水接線(xiàn)頭，確保潮氣、水無(wú)法進(jìn)入。

◆ 產(chǎn)品防水試壓實(shí)驗達到0.8MPa，打壓72小時(shí)后產(chǎn)品沒(méi)有發(fā)生漏水、變形等情況;經(jīng)過(guò)長(cháng)期的表井內安裝檢驗，完美達到了設計預期。

低功耗壓力變送器也特別采用了絕壓型的設計，無(wú)需外置導氣管，從根本上杜絕了濕氣、水進(jìn)入設備的可能性。

由上述兩部分組成的無(wú)線(xiàn)壓力變送器整體防水等級達到IP68，完全適應了井下的安裝環(huán)境。

三、結語(yǔ)

分體式管網(wǎng)監測設備克服了當前管網(wǎng)壓力監測設備中普遍存在的施工難、信號差、功耗高、防水效果不理想等諸多難題，在反復實(shí)驗及在河北、山東、吉林等地的現場(chǎng)應用中取得了良好的效果。該產(chǎn)品為自來(lái)水公司的供水管網(wǎng)壓力監測提供了一種可靠、穩定、節能的產(chǎn)品解決方案。