低功耗高可靠性智能IC卡水表的设计

　　为了推动智能 IC 卡水表的发展，全国许多研究机构及自来水公司投入力量对智能 IC 卡类产品进行开发研究，并成功地开发出了自己的产品。从理论角度看，智能 IC 卡水表已经进入成熟期。但是，为什么现在智能 IC 卡水表的推动工作还很困难呢，这不难理解。因为从实际情况看，现在的智能 IC 卡水表确实还存在着许多影响其大规模推广使用的问题[1]。其中最主要的问题是 IC 卡水表的质量和可靠性问题，因此，致力于降低 IC 卡水表的故障率，提高 IC 卡水表运行的稳定可靠性，依然是广大研发单位和生产厂家的首要任务[2]。本文将提出一种低功耗、高可靠性智能 IC 卡水表的设计方法。

　　1 电控阀设计

　　1.1 阀门的选择

　　阀门是 IC 卡水表的关键部件，要求压力损失小，体积小，功耗低。目前市场上采用的阀门主要分为四类: 电磁阀、球阀、陶瓷阀、先导阀。1) 电磁阀: 利用线圈通电激磁产生的电磁力来驱动磁芯开关的阀门，要求断电后阀芯仍然保持在原有位置。但此类阀门抗外界敲击能力较差，且压损大，可靠性差。2) 球阀：利用直流电机驱动阀杆带动圆球，实现流道的启闭，优点是压损小，抗污能力强; 缺点是驱动力矩大，功耗高，长期使用可能因为结垢或磨损出现漏水。3) 陶瓷阀: 主要由转轴、动片和静片等组成，电机通过减速器带动动片旋转，实现动片与静片的闭合与开启。优点是耐腐蚀性、耐磨性好，使用寿命长。缺点是压损大，功耗大。4) 先导阀: 先导阀安装简单，功耗低，但压力损失如果要达到行业标准是需要解决的问题。综合上述分析，从低功耗和高可靠性角度考虑，决定自行设计一款新型电控陶瓷阀，实现既能可靠开关阀门，又达到压损的要求。

　　1.2 电控陶瓷阀的改进设计

　　在 IC 卡表上采用陶瓷阀可延长使用寿命，密封好，无渗漏;但现在所用的陶瓷阀普遍存在压损大、功耗大的缺陷，因此我们对现有的陶瓷阀进行改动，使其压力损失合格，功耗降低; 改动如下:1) 将陶瓷阀的下静瓷片上孔的空间加大，则水流流量增加，压力损失减小; 2) 在原有结构上，在支撑垫板和下静瓷片之间增加一个支撑垫，使支撑垫板和下静瓷片之间的摩擦减小，从而降低功耗。电控陶瓷阀结构示意图见图 1。

　　驱动器是 IC 卡水表控制阀门执行机构，是电控与功能纽带，所以驱动器设计与计算是很重要的环节之一。根据计算及测试结果，陶瓷阀在空载情况下，最大扭矩为 0. 4 N·m，在负载情况下，最大扭矩为 0. 6 N·m，增加 2. 0 倍的安全系数，则陶瓷阀额定扭矩为:1.2 N·m; 考虑结构和空间，取减速比范围2 000 左右，按6 级传动，取效率为70%，这样电机需要额定转矩: 1. 2/2 036 ×70% =8. 4 × 10- 4N·m，IC 卡表阀 90°开闭时间在 10 s 内。