民用计量仪表远程集抄系统
技术方案
2011年12月1日
威胜集团有限公司
目 录
1.
项目概述....................................................................................................................................................... 3
2.1. 项目建设 ............................................................................................ 3
2.
效益分析....................................................................................................................................................... 4
3.1、 社会效益分析 ................................................................................. 4 3.2、 管理效益分析 ................................................................................. 4 3.3、 多层次满足节能降耗： ................................................................. 5
3.
系统总体设计.............................................................................................................................................. 5
4.1、 系统网络拓扑图 ............................................................................. 5 4.2、 软件架构 ....................................................................................... 10 4.3、 系统通道设计 ................................................................................11
4.
主站系统功能............................................................................................................................................ 15
5.1. 系统功能 .......................................................................................... 15 5.2. 系统特点 .......................................................................................... 16
5.
安全设计..................................................................................................................................................... 17
6.1. 数据安全 .......................................................................................... 17 6.2. 互联的安全 ...................................................................................... 17
6.
系统硬件设计............................................................................................................................................ 18
7.1. 设计原则 .......................................................................................... 18 7.2. 系统终端设备介绍 .......................................................................... 18 7.3. 光电直读冷水表 .............................................................................. 20 7.4. 光电直读热水表 .............................................................................. 21
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1. 民用计量仪表集抄方案概述
随着国家经济和供水事业的迅速发展，目前“一户一表”制已经普及，但由于有用户较多，且地域分布很广，这样人工抄表的工作量非常巨大，显然，这是与供水企业提高生产率、减人增效的改革目标是背道而弛的。
民用计量仪表（水表、电表、气表、热量表）具有安装数量多、安装环境复杂，使用寿命长等特点。为此，供水企业会在计量与抄收领域应用各种实用的新技术，来解决这种改革出现的新问题，真正做到用水管理自动化。随着微电子技术、计算机技术、通讯技术的发展，远程抄表系统是实现用水管理数字化、自动化，确保用水计量准确，提高企业效益的有效途径。这些新技术要求成熟可靠，成本低廉，操作简单、能耗小，这些新技术的应用要求对民用计量仪表组网方案是一个巨大的挑战。
依靠单一的通讯组网方式远远不能适应民用计量仪表的安装环境，因此我们需要根据现场的实际情况，针对网络中各种计量仪表、采集终端设备的类型和作用，及传输数据的特点因地制宜的选择通讯组网方式，采用多种通讯方式实现数据的可靠传输。在下面的介绍中会对各类表计（设备）的通讯手段做详细论述。
1.1. 原有传统的人工抄表方式落后，存在如下问题：
存在抄表不及时、错抄、漏抄、估抄现象； 劳动强度大、效率低，无法做到实时监控；
收费困难，机械表用户不主动来交费，需要抄表员多次上门做工作，缺少有效的管理控
制手段；
损耗严重，用户存在偷、送水的情况，表计年久未更换，计量不准确或部分计量表失去
计量功能，由于没有生活用水信息系统，缺少及时高效的统计分析手段；
IC卡预付费水表也存在用户用水数据不能及时统计，偷水、漏水、表计故障等问题不能
及时发现。
1.2.
民用计量仪表集抄项目建设
水表远程集中抄表系统可以根据项目的实施规模和资金投入的影响，分两个阶段实施：
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第一阶段完成水表和集中器的组网，由抄表员通过优盘定时手动从集中器中采集数据；完成后台系统软件的应用和银行接口程序的开发，实现数据的统计与分析功能；
第二阶段完成集中器与主站的联网，实现主站到集中器的数据自动采集。
2. 效益分析
2.1、 社会效益分析
为“一户一表、单独计量、单独收费”政策的实施提供了有力的支持，对能源使用的规划提供可靠的数据，提高了能源供给部门的保障能力；
可使管理企业及时获知用户用能异常情况，及时为用户排扰解难； 可节约大量的人力，有利改善服务质量，提高管理企业的社会形象； 可避免抄、核、收各环节人为因素，提高用能数据的准确性和可靠性；
使用户对于自己能源消耗的数据能及时得到和掌握，有利于提高居民节约意识，有利于管理企业通过能源的价格杠杆调节用户对能源的使用，进一步节约能源。
2.2、 管理效益分析
消除估抄率：远程抄表过程可避免许多人为和自然因素，彻底根治抄表不到位的现象； 根治错抄率：远程抄表避免了产生错抄的四个基本环节：抄表员跑错户、抄表员读错数、抄表员记错数、录入员送错数；这四个环节皆由远程抄表系统自动完成，完全可以避免上述错误；
避免漏抄率：远程抄表系统使抄表工作成为一个轻松快速的业务，完成一次抄表只需要数分钟；
达到同步抄表：传统的抄表方式不能做到线路总表与各用户表之间的同时抄表，抄表时差导致用量统计数据的不真实；而远程抄表技术可以大大缩短这种时间差；
支持防窃、防表故障功能：远程抄表系统的稽查功能能够综合分析各种特征，发现异常
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用能嫌疑户，并提供连续跟踪可疑户的功能，为防窃能、防表故障提供了有力支持；
费用的通知与收取：通常执行现场逐户抄表的抄表员在抄表的同时还兼有通知或收取应缴水费的任务，实行自动抄表后，此类任务可由强大的银行联网系统、工资会计电算化系统和银行卡系统承担，同时可以辅以电话语音查询系统（可选功能）、电话短信自动催费系统（可选功能）等辅助手段；
供能可靠性大大提高：实现计算机自动化抄表系统，后台软件对抄收的基础数据进行分析和统计，为供能管理部分及时调整能源供给和管网改造提供科学数据依据。
2.3、 多层次满足节能降耗：
3. 系统总体设计
4.1、 系统网络拓扑图
远程抄表和维护查询工作站是C/S架构（后台服务）外加B/S架构（前台应用程序）的系统结构，将数据库、通信采集服务、WEB服务、后台计算服务、应用维护管理等合并到一台服务器，由一套数据库管理服务器、相应服务后台程序和集中抄表设备完成了表计数据抄读、集抄设备维护、用水营销等功能。
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系统由水表、集中器和管理中心计算机组成了三级网络，并进行计量数据的三级储存，系统结构拓扑图如下：
系统由一套软件、两级通道、三层设备组成。
一套软件是指系统采用的水表远程集抄系统软件， 系统由主站服务器和运维工作站组成，支持分布式应用；
两级通道是指集中器上行通道和下行通道，其中上行通道采用U盘/LAN/PSTN/GPRS通讯方式，下行通道采用MBUS总线通讯方式；
三层设备是指主站硬件设备、集中器数据采集设备、用户现场表计设备。
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4.3.1、 系统特点：
采用MBUS总线直接连接水表进行采集方式适合在预埋了采集线路的用户或水表集中安装在楼道内的管道井内的用户，该采集方式可靠性高，通讯速度快，是目前总线采集效果最好的一种总线采集模式。
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采用掌机进行数据的抄读可以简化系统的建设，由于水表每月只需一次抄表，一般配置一名抄表工可以采用掌机轻松管理10000户的水表抄读。 4.3.2、 系统接线图
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4.2、 软件架构
主站系统采用模块化设计，各功能模块相对独立，各个功能模块的介绍详见下一章节。
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4.3、 系统通道设计 4.3.3、 上行通道
主站与集中器通信称为上行通道，通常来说，上行通信组网方案是根据当地的现场通信环境来确定；
（1） USB上行通讯通道
如果采用的地区电话线路、局域网络、移动网络均无法连接，可以考虑采用USB的数据上行通道，通过专用的便携式数据采集器（专用USB存储设备），可以实现集中器与主站的数据通讯。
优缺点
优点：使用简单、可靠，采集速度快，便于维护。 缺点：需要人工进行操作。
适用场合
适合前期试用、减少终端设备的投资，不需要实时抄读用户用水信息的地方。
建设内容
采用USB通信方式与主站通信，主要建设内容为添置USB便携式数据采集器并指定专人负责抄读集中器数据。
（2） LAN小区网络上行通道
主站与集中器通信称为上行通道，通常来说，上行通信组网方案是根据当地的现场通信环境来确定，新建小区如果有内部局域网，集中器的上行通道可以利用现有的小区局域网进行组网，每个集中器只需要一个网络端口即可，通过小区内部的网络交换机实现集中器与主站的数据通讯。
LAN网络优缺点
优点：连接方便，可靠性高，便于维护。
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缺点：需要有小区局域网络布线。
有线通信适用场合
适合于有小区局域网线路的地方，可采用超五类网线和光纤接入。
建设内容
采用LAN通信方式与主站通信，主要建设内容为敷设网络线并通过网络设备组成局域网。
（3） PSTN小区内部电话线路上行通道
新建小区如果有内部的电话网络，集中器的上行通道可以利用现有的小区局电话线路进行组网，每个集中器只需要一个电话线端口即可，集中器的PSTN模块通过小区内部的电话程控交换机进行拨号方式建立连接，实现集中器与主站的数据通讯。
PSTN网络优缺点
优点：连接方便，可靠性高，便于维护。
缺点：需要有小区有程控内部电话网络及电话线布线。
PSTN通信适用场合
适合于有小区有电话程控网及线路的地方。
建设内容
采用PSTN通信方式与主站通信，主要建设内容为建立小区内部程控电话网络并通过网络将集中器和主站连接通讯。
（4） GPRS上行通道
主站与集中器通信称为上行通道，通常来说，上行通信组网方案是根据当地的现场通信环境来确定，新建小区如果移动网络覆盖比较好的话，集中器的上行通道可以利用现有的移动电话网络，每个集中器只需要一个GPRS无线模块和一个GPRS用户卡，通过移动网络实现集中器与主站的数据通讯。
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GPRS网络优缺点
优点：连接简单，可靠性高，便于维护。 缺点：有一定的运营成本。
无线通信适用场合
适合于有GPRS信号覆盖信号较好的地方，没有局域网或网络布线不方便的地区。
（5） PSTN上行通道
主站与集中器通信称为上行通道，通常来说，上行通信组网方案是根据当地的现场通信环境来确定，新建小区如果有内部电话直接到户，集中器的上行通道可以利用现有的PSTN电话网络，每个集中器只需要一条PSTN电话线和一个号码，通过小区内部程控交换机实现集中器与主站的数据通讯。
PSTN网络优缺点
优点：连接方便，可靠性高，便于维护。 缺点：有一定的运营成本。
有线通信适用场合
适合于有PSTN电话线路的地方。
建设内容
采用PSTN通信方式与主站通信，主要建设内容为敷设电话线路。
4.3.4、 下行通道 总线直连MBUS总线
总线M-BUS通信方式是一种利用M-BUS线路为载体的通信方式，在欧洲和北美普遍应用，技术成熟，已成为了欧洲和北美民用计量仪表的统一标准，在国内也进行了移植，形成了水表、气表、热能表的行业标准，具有普遍意义。现在的计量设备、采集终端一般都具备M-BUS通信口，可以互联互换。在我们的组网方案中M-BUS总线抄表系统由主站、集中器、M-BUS
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水表组成。集中器与表计之间采用M-BUS总线方式组成通信网络。
优点：抄表速度快，实时性好，通信稳定可靠，功能扩展容易，通信范围不受变压器限制，接线方式采用二线制，无极性要求，既可以做为通讯载体，也可以做为供电线路。
缺点：总线布线施工工作量较大，需专业队伍安装和调试。 适用场合：表计集中、方便布线、需要入户人工抄表的区域。 介质： M-BUS总线。
低压电力载波（PLC）
低压电力载波通讯方式是通过居民的电力线，实现数据传输。PLC(Power Line Communication)即电力线通信是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。迄今，PLC技术已经有几十年的发展历史，在技术发展的各个阶段，电力系统已经得到了不同的应用。电力载波通讯方式是新兴的通讯方式，90年代末开始商业运行，21世纪初开始成熟，并大规模应用。
电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。为了解决以上低压配电网中各因素对数据传输的影响，在国际范围内，低压配电网的高速数据通信普遍选择了正交频分复用技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）作为核心调制技术。OFDM技术采用多路窄带正交子载波，同时传输多路数据，每路信号的码元时间较长，可以避免码元间干扰。通过动态选择可用的子载波，该技术可以减少窄带干扰和频率的谷点的影响。OFDM技术起源于二十世纪六十年代，主要用于军用高频通信系统。70年代，随着离散傅立叶变换来实现多载波调制技术的提出，以及近年来数字信号处理(DSP)技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术被广泛应用于民用通信系统中。目前在无线局域网已经采用了该技术，第四代移动通信（4G）中将采用OFDM技术。
该技术特别适用于民用计量仪表集抄方案，因为民用计量仪表的数据量小，占用带宽窄，实时性要求不高。
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4.3.5、 系统组网方案
推荐系统组网方案选择
方案一：U盘方式由抄表员手工从集中器上采集数据
无需进行网络建设，只需要在每个月的某个时段，通过U盘将集中器冻结的数据导入主站系统即可。
方案二：LAN小区网络实现主站自动采集数据
每台集中器需要配置LAN端口，由集中器通过小区局域网自动连接到主站，主站按指定地址与集中器进行通讯。
方案三：GPRS网络实现主站自动采集数据
每台集中器需要配置一块GPRS卡，由集中器的GPRS通讯模块实现自动拨号功能，主站需要增加专线网络来接受集中器的注册，考虑到本系统只涉及到水表数据的自动上传，因此配置静态地址的公用网络端口即可满足目前的使用要求。
方案四：PSTN网络实现主站自动采集数据
每台集中器需要配置一根PSTN专线和对应的电话号码，有集中器的PSTN通讯模块实现自动拨号功能，主站需要增加MODEM池来接受集中器的拨号，且主站需要相应的PSTN专线和对应的电话号码，考虑到本系统只涉及到水表数据的自动上传，因此配置4口MODEM池即可满足目前的使用要求。
4. 主站系统功能 5.1. 系统功能
表计档案：主要实现水表信息的新增、修改、删除功能； 编辑用户：主要实现用水用户信息的新增、修改、删除功能；
数据导入：主要实现将本系统或原来的TXT、excel等格式的水表信息、用户信息等参数数据正确导入系统；
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数据导出：主要实现将系统中的水表信息、用户信息、数据字典等参数数据导出为TXT文本格式，可以将表计日抄读、月抄读数据导成EXCEL格式，便于客户手工结算；
日抄读：根据集中器功能和对集中器的相关设置，主要实现抄读集中器采集到的水表在当天抄表时段内的数据；
月抄读：根据集中器功能和对集中器的相关设置，主要实现抄读集中器采集到的水表在一个月中某个冻结时间点的数据；
随机抄读：根据集中器功能，主要实现抄读集中器采集到的水表在一段时间内每一天的重点曲线数据；
历史抄读：根据集中器功能，主要实现抄读集中器采集到的水表在规定时间段内任意一天的数据；
水表实时监控：实时抄收当前水表累计表码，用于协助判断表的运行状况；
查询统计：提供档案数据查询、历史记录查询、二次数据比对、抄读失败记录查询； 数据分析：提供管网线损分析、水量统计；
参数设置：根据集中器功能，设置集中器参数（复位命令、校正集中器时针、设置集中器自动抄表时间、集中器表计档案装载）、控制命令、终端状态检测；
用户管理：主要实现登录系统用户新增、删除、权限分配功能； 模块管理：主要实现系统功能模块的配置管理功能； 短信通知：以短信方式将用户某月的用水量发送给用户。
5.2.
系统特点
系统采用光盘化安装；
良好的可操作性：界面采用傻瓜式风格，培训简单，上手容易； 上行通道支持GPRS、CDMA、SCDMA、PSTN以太网； 单机和网络版配置方便；
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系统具有良好的可扩展性，支持水表数据采集； 系统具有多种格式（TXT,DBF等)的数据对外发行接口； 支持定时抄读，短信通知和WEB数据查询。
5. 安全设计
系统的安全对于供水管理来说是至关重要的，因此在该系统设计中，充分考虑到系统的安全性，防止非授权需方的侵入和机密信息的泄漏。从主站系统安全防护来说，系统在通信通道和系统数据两个大的方面都进行安全性防护。
6.1. 数据安全
具备操作系统级、数据库级和应用软件级三级安全机制。
操作系统级：在网络层设置不同权限密码，非系统管理员不能操作服务器和数据库，并通过路由、防火墙等设置保证系统的安全和相对独立。
数据库级：在数据库中设置有不同权限的需方和相应密码，保证非法需方不能使用数据，不同需方不能越级使用数据。
应用软件级：提供严格的用户登录验证、权限控制和完善的事件日志和操作记录的管理。系统权限控制包括功能权限控制和数据访问权限控制。
6.2. 互联的安全
系统采用独立系统设计的方案进行设计，由于系统采集的数据要实现全局共享，要和其他管理信息等系统接口，这就必然导致系统网络和外部网络进行连接。系统与其它系统将采用防火墙等安全设备进行隔离。系统接口通过穿透安全设备与其它系统进行数据交换。
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6. 系统硬件设计
7.1.
设计原则
采用开放的分布式网络体系结构，遵循有关国际标准和工业标准。
自动化计量系统主要设备在不影响系统整体性能的基础上能尽量利用已运行正常的原有设备。
主要设备采用冗余配置，系统具有较高的可靠性。
硬件设备必须符合自动化计量系统的结构原理符合完整性、准确性、安全性和可靠性原则。
系统硬件必须具有一定的先进性、超前性，并根据实用性原则进行优化配置，以达到较高的性能价格比。
系统硬件应选用符合工业标准的通用、系列化产品，具有良好的维修服务支持。 系统应采用国际上通用的商用关系型数据库，支持SQL标准数据库访问语言。 应用软件的开发应基于数据系统，采用面向对象的应用开发技术。
7.2. 系统终端设备介绍
7.3.1. WFET-1600系列集中器 1. 功能特点
WFET-1600系列低压集抄集中器，是威胜集团有限公司研制的新一代低压集抄和数据管理的集中器，符合GB/T17215-2002、GB/T17882-1999、GB/T17883-1999、DL/T614-1997以及DL/T645-1997等相关标准。具备远方抄表、远程升级及主动上报等功能，具有功能强大、使用简单、运行稳定、维护方便、可靠性高、存储容量大、开放性好、性价比高的特点。能够满足在低压集抄系统中远程抄表等方面的应用需求，是低压集抄系统的最佳配套产品。特点如下： 1) 平台化设计
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高性能32位嵌入式RISC CPU（ARM9/7内核）硬件平台。 自主知识产权的实时嵌入式LINUX操作系统软件平台 。
2) 模块化设计
硬件模块化：上行下行通信方式的模块化自适用设计，支持热插拔和灵活组网。 软件模块化：模块化编程，各应用模块独立运行，互不影响。
3) 专有的数据加密和压缩技术
高强度128bit RD分组加密技术，保证信息数据传输的安全性。 高效RAY-Period矢量压缩技术，保证信息数据传输的高效性。
4) 完美融合各种先进技术
高性能32位嵌入式精简指令片上计算机系统。 实时嵌入式Linux操作系统，yaffs嵌入式文件系统。 先进的GPRS /CDMA移动通信技术，无线短距离通信技术。 M-bus总线通讯方式。
各功能模块分层分类并行工作技术。
先进的数据压缩和加密技术，先进的大容量FLASH存储技术。
7.3.2. 主要技术指标
面板显示：160*160点阵液晶显示，二极管背光，全汉字显示； 键盘：6个按键：上移、下移、左移、右移、取消、确认，操作方便； 数据传输接口：可选配Ethernet、GPRS、CDMA或PSTN等方式，选择灵活；
本地接口：4路抄表M-bus，1路级联485，1路维护232，1路吸附/调制红外， 1路 USB主接口，1路 USB从接口，维护方便；
数据压缩：高效RAY-Period矢量压缩技术（可选）； 数据加密：128bitsRD分组加密技术（可选）；
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远程升级：可远程分模块升级，稳定可靠； 存储容量：16 M FLASH；
工作电源：3×220/380V （三相四线制）±30%；
工作环境：相对湿度≤95％，工作温度-25℃～+65℃，极限工作； 温度-30℃～+75℃ 功耗：≤5W
可靠性：MTBF≥100,000h
电磁兼容性：抑制高频干扰、静电放电、快速瞬变干扰、雷击浪涌等指标都达到4级标准（最高级）。
7.3. 光电直读冷水表
1. 概述
光电直读冷水表（LXZD-15/20/25）由高精度机械水表内嵌光电直读模块，通过直流低压线路连接采集器组成（M-bus通过总线直接连接集中器），在正常机械计量的同时，可以随时随地的通过总线路不失真抄读机械表盘示值。
光电直读冷水表安装简便，可以迅捷的将计量表计和通信线路连接到一起，分体式设计将强电和计量部分进行物理隔离，确保使用安全。
2. 功能及特点 计量功能：
符合国家及行业有关标准；
通信功能：
支持M-bus方式，数据记录与停电数据保持功能，日冻结、月冻结、历史十二个月月用量、总用量，可长时间保存各种数据，水表数据不丢失（10年以上）。
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读数准确：
采用新颖的光电直读技术，从编码源头上解决了光电编码直读表的读数临界误读问题，确保任何时间的实时读数均与水表机械示数一致，无需内置电源和备用电源，不会因停电、网络故障而丢失数据。
使用寿命长：
采用光电对射采样，没有机械接触和机械动作，不受管道或其它因素引起的震动影响而产生的故障；没有使用磁性元件，不受铁磁物质干扰；无需内部电池，不受电池寿命制约。
使用安全：
通信模块和直读水表两者采用直流低压线路通信，通讯模块内部高低压部分完全电气隔离，确保使用安全。
实时响应：
抄读数据实时响应，为阶梯收费提供计量保障。
7.4. 光电直读热水表
1. 概述
光电直读热水表（LXZD-20）由高精度机械水表内嵌光电直读模块，通过总线直接连接集中器，在正常机械计量的同时，可以随时随地的通过总线路不失真抄读机械表盘示值。
光电直读冷水表安装简便，可以迅捷的将计量表计和通信线路连接到一起，分体式设计将强电和计量部分进行物理隔离，确保使用安全。
直读式干式热水水表采用旋翼式多流束基表，适用于单向、非脉冲水流。该产品计量特性符合国家标准GB/T 778。主要用于企事业单位及居民小区用水的计量与管理工作，并为其合理收费提供科学的、定量的依据。
2. 主要技术参数
技术参数项目 项目内容 第21页 共22页
技术标准 产品规格口径（mm） 准确度 流量参数 压力损失 公称压力 工作电压 介质温度 环境相对湿度 GB/T 778.1-2007《饮用冷水水表和热水水表》 JB/8802-1998《热水水表》 20（可选15，25） 2级 Q3/Q1=80；Q2/Q1=4 ≤0.063MPa ≥1.0MPa 3.6V 0.1℃～90℃ ≤93% 3. 主要功能特点
读数准确：任何时间的实时读数均与水表机械示数一致，无需内置电源和备用电源，不会因停电、网络故障而丢失数据。
使用寿命长：采用光电传感技术采样，没有机械接触和机械动作，不受管道或其它因素引起的震动影响而产生的故障；
抗干扰能力强：没有使用磁性元件，不受铁磁物质干扰，不受管道或其它因素引起的震动影响而产生的。
使用安全：表计采用弱电线路通讯。强电电源与水表实现物理隔离，绝缘强度高，确保使用安全。
安装方便：直读水表基表部分与普通机械水表安装规格相同，安装简便。
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