计量服务产业经典案例:产研结合 助力高端智能水表产品技术攻关

  XZKL1234 ·  2019-01-23 09:32  ·  9169 次点击
服务背景
智能水表1.0产品的日趋成熟与推广应用必然会提高市场对智能水表2.0产品的预期,对相应的关键核心技术进行深入研究,开发高性能的核心部件对提高我国在高端智能水表领域的国际地位与影响力具有重要的战略意义。
智能水表2.0的代表——电磁水表尤其是小口径电磁水表产品开发的难点主要在两方面:第一,如何在电池供电情况下提高使用寿命。第二,如何提高小流量测量准确度。因此,开发高性能小口径电磁水表产品,要在结构设计、材料选择、电路设计、电极优化等多方面综合考虑,突破现有技术的束缚,实现长寿命与高精度的水流量计量。
二服务措施
宁波水表股份有限公司是国内水表行业的龙头企业,是全球单体规模最大的水表制造基地,年度产销各类水表近千万台。公司近年来大力开发高端智能水表新产品,其产品性能代表着国内最高水平。智能小口径电磁水表是公司近期开发的重点新产品。由于公司缺少在电磁流量测量方面的技术经验,并在核心部件所需的磁性材料选型与测量方面遇到困难,因此求助于国家磁性材料产业计量测试中心(以下简称“中心”)。中心从筹建以来,通过人才引进、企业调研、专业培训等方面的努力,在磁性材料应用与磁参量测量方面积累了一定的经验。并且借助于国家水表产品质检中心多年来对行业的熟悉与在电磁流量测量方面的经验,参与到此项目中可充分发挥自身优势。
中心组建了以博士牵头,包括多名硕士、本科人员的技术团队,涵盖了机械、材料、电子、测控、化学等多学科领域。技术团队与宁波水表股份有限公司就智能小口径电磁水表产品开发项目的技术细节进行了多次沟通与探讨,本着目标统一、任务量化、优势互补、资源共享的原则,对课题进行了深入剖析。全面梳理课题涉及到的权重函数分析、微功耗励磁、微弱信号处理三项关键核心技术后,根据中心的专业技术特长,选择微功耗励磁系统开发和测量电极稳定性提升作为主要攻关方向。根据研究目标和方向制定了相应的实施方案(见图1),包括磁芯结构设计方案、磁场特性测量方案、电极结构方案、电极性能测试方案等。在任务实施过程中,进行团队内部及与企业之间有效沟通,及时修正实施方案,避免项目进展停滞或偏离既定目标。在取得相应的研究成果后,与企业一起进行汇总,完成样机的组装与测试。
图1制定实施方案
1.微功耗励磁方法研究
为了解决微功耗励磁的难题,课题组成员参考国外样机的结构,拟定脉冲励磁方案。但是材料如何选择、磁路如何设计、电路如何实现、与管路如何连接等问题都须自己解决。课题组成员查阅了大量文献资料,从手册中筛选符合要求的材料,初步设计磁路结构,并进行了磁场的计算和有限元仿真。在为磁路选材与磁路加工的阶段,课题组投入了大量的精力来确保磁参量符合设计要求。由于所需矩磁材料具有比较特殊的特性,矫顽力小而剩磁高,与普通的软磁、硬磁材料皆不同,应用范围较窄。材料的特殊性使货源的可选范围很窄。初次购买后,制作的磁芯完全达不到计算与仿真的指标。在经过咨询企业与专家学者后,课题组对所选材料进行了重新定位。新设计制作的磁芯表现出符合脉冲励磁磁场的特性,但磁参量的指标尚未达到设计要求。恰在此时,中心根据筹建计划采购的扫描电子显微镜、电感耦合等离子光谱仪(ICP)等大型检测设备已到位,帮助课题组解决了材料分析的难题。经过对材料成分、性能的准确测量,课题组找到了最符合磁路设计的材料,并且经过结构优化,在原有的基础上,磁感应强度增加了30%,对电磁水表性能的提高起到了决定性的作用。
2.动态磁场测量
磁路设计中的另外一个难题是如何对设计的磁路性能进行验证。由于磁场参量是周期变化的磁感应强度,而通用的磁测仪器,如特斯拉计、磁通计等,仅能进行单点静态测量,无法对磁场波形进行实时显示。而磁场周期、幅值、稳定性等参数对电磁水表的测量准确度有直接的影响,需要掌握详细、准确的磁场波形。为了解决这一难题,课题组成员利用自身磁测量方面的专业优势,自主开发了一套动态磁场系统。利用虚拟仪器技术搭建磁场测量的软硬件平台,不仅简单实用,而且由于软件程序灵活,可以根据不同的条件进行资源配置,从而获得了精确的磁场动态数据。课题组对这一成果进行了技术总结,不仅发表了多篇学术论文,而且申请了实用新型专利,获得授权。还获得了浙江省质监局和国家质检总局的科研计划立项。
3.电极稳定性改进方案
电极的稳定性改进方面难度更大,甚至没有有价值的中文文献资料可参考。由于固体电极在水中发生原电池化学反应,固液界面产生极化电势是个不可回避的问题。如何降低极化电势,并保证其稳定性成为技术关键。课题组成员通过参阅外文文献,确定了采用Ag/AgCl电极的方案以及对测量电极进行同步阳极氧化处理的方法。课题组成员通过自配溶液对镀银电极进行阳极氧化处理,根据文献推荐的方法,采用LCR电桥对处理前后电极的阻抗进行了测量。测量结果显示阳极氧化的效果非常明显,Ag/AgCl电极符合电磁水表的使用要求。然而难题在于,处理后的电极表面AgCl附着力很低,甚至呈粉末状,没办法用在实际的水流管路中。一次偶然的机会,一个成员拿到了一个心电电极,于是豁然开朗,这不正是我们所需要的吗?于是很快联系到一家心电电极的生产厂商,经过几次沟通交流后,对方提供了一批不同规格的测量电极。经阻抗分析和电化学工作站的极化电势分析,选择了合适规格用于电磁水表的测量管路中。
解决了上述难题后,中心将设计磁路与电极与宁波水表公司设计的管路结构与测量电路进行组装联调,并进行了实流测试,测试结果达到了预期的效果。
三服务效果
本项目目前已取得了突破性进展,设计的励磁系统的功耗仅为传统方式的1/200,小于1mW;设计的磁路磁感应强度超过传统磁路50%以上,并且稳定性强。本项目的相关研究成果已发表学术论文三篇,获得实用新型专利两项,申报发明专利一项。研究成果为宁波水表公司开发新型水表产品奠定了基础,填补了国内空白,为保持国内龙头企业地位提供了技术支持。智能小口径电磁水表的开发突破了国外产品的技术垄断,形成了我国自有知识产权的高端智能水表产品,适应目前智慧城市、智慧水务发展的趋势,成为可靠的大数据终端产品,对提高我国水表企业的国际竞争地位、开拓国际高端产品市场意义重大。
四经验总结
本项目是中心筹建以来进行的一次为企业提供技术服务的模式探索。项目的实施使企业与中心取得了双赢的结果,为企业降低了新产品的研发成本,缩短了研发周期,开发了新产品样机,建立了成熟的技术储备,同时也为中心的发展提供了帮助。本项目的开展结合了企业成熟的生产平台和中心的研发平台,优势互补,提高了产品开发的效率,是一种值得广泛推广的技术服务模式。同时,通过本项目的研究,中心与企业技术骨干人员都得到了很好的锻炼,为进一步深入开展磁性材料应用与测量研究储备了宝贵的经验。但是,在项目开发中我们仍然看到了自身的不足和进步的空间。由于项目涉及的学科面广,部分学科人员配置不足,缺乏与其他技术机构常态化的联系,对项目的进展有一定的制约。另外,国内市场在高性能材料与生产工艺方面的落后现状也是本项目进展的制约因素之一,比如在电极表面处理中,多数生产商无法提供符合要求的结果。

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