分體式管網壓力監測設備的設計應用案例

一、前言

管網壓力是自來水公司保障供水和預防爆管事故的重要數據。各自來水公司已充分認識到管網壓力監測的重要意義，并采取了多樣的信息化手段來加以實現。目前，自來水公司普遍采用GPRS無線設備對壓力數據進行遠程監測，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、太陽能或市電供電裝置。壓力變送器的信號線引到地面上的GPRS設備中以實現數據遠傳，設備的工作電源由太陽能或市電供電裝置提供。

此種方式可實現管網壓力數據的實時監測，但需要破路、挖溝和鋪設線纜，施工難度大、建設成本高。尤其當監測井在馬路上時，該方式難以實現。

【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。

此種方式為延長蓄電池的更換周期，只能采取定時采集、定時上報的工作模式，無法實現實時監測。該監測方式存在以下幾個問題：

1、部分監測井內GPRS信號弱或沒有信號，壓力數據不能按時上報或根本無法上報。

2、需頻繁為蓄電池充電，維護成本高，且耗時費力。

3、監測井內環境潮濕、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、433MHz和GPRS無線通信技術相結合，設計了分體式供水管網監測設備。該設備由無線壓力變送器和433M/GPRS雙模無線網關兩部分構成。

二、產品設計

1、工作方式

監測井內安裝無線壓力變送器(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、路燈桿或專用安裝桿上安裝433M/GPRS雙模無線網關和太陽能供電設備，供水管網監測中心安裝服務器和管網壓力實時監測系統軟件，如下圖所示。

無線壓力變送器采集供水管網的壓力數據后通過433MHz向表井外發送，表井外的433M/GPRS雙模無線網關接收到壓力數據后再轉由GPRS網絡遠傳給監控中心。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雙模無線網關的安裝位置十分靈活，大大降低了施工難度。

2、關鍵技術

2.1、 433MHz和GPRS接力傳輸，解決信號難題。

433MHz通信技術使用的是433MHz免費頻段，無需申請和付費，其顯著優勢是無線信號的穿透能力和繞射能力強，特別是在地下監測井內，優勢更加明顯。但因433MHz屬于超短波，其傳輸距離受限，而自來水公司的管網監測點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，解決井內電源問題。

針對井內設備的供電問題， 無線壓力變送器中的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，真正了實現低功耗運行。

為進一步降低功耗，433M數據采集通信終端在采集壓力數據時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：發射電流; Tt：發射時間;

Ir：接收電流; Tr：接收時間;

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質的透明工程塑料，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、耐磨等優點。

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。

◆ 為防止安裝時密封墊擠壓變形，采用內壓蓋直接按壓方式進行密封。

◆ 殼體內置4個固定卡扣，端蓋旋轉時能夠防止內壓蓋轉動。

◆ 密封墊采用優質硅膠材料，表面采用雙弧形設計，工作時能形成上、下兩個真空室，形成真空隔離。

◆ 內壓蓋上開有直徑為16mm的出線孔(用于連接433M防水天線和低功耗壓力變送器的信號線)并配置進口防水接線頭，確保潮氣、水無法進入。

◆ 產品防水試壓實驗達到0.8MPa，打壓72小時后產品沒有發生漏水、變形等情況;經過長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，無需外置導氣管，從根本上杜絕了濕氣、水進入設備的可能性。

由上述兩部分組成的無線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境。

三、結語

分體式管網監測設備克服了當前管網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，在反復實驗及在河北、山東、吉林等地的現場應用中取得了良好的效果。該產品為自來水公司的供水管網壓力監測提供了一種可靠、穩定、節能的產品解決方案。