未來汙水廠出水用電磁流量計測量技術的發展方向及趨勢

流量（liàng）計是利用物（wù）理原理實現對一段時（shí）間內流（liú）體流量（liàng）測量的儀器。 其有結構簡單（dān）、寬量程、耐腐蝕等優點，被廣泛應（yīng）用於石油及城市排汙等髒汙流體環境中（zhōng），是當前*受歡迎的（de）流量計品種之一。汙水廠出水用電磁流量計的理（lǐ）論產生於20世紀（jì）20年（nián）代。當代電流量計大多（duō）以計算機技術為基礎，其功（gōng）能隨著計算機的信息處理能（néng）力、存儲能力（lì）、運算能力和計算機（jī）的控製（zhì）功能的增（zēng）強而增強。汙（wū）水（shuǐ）廠出水用電磁流量計技術革新的（de）四個方向值得關注:汙水廠出水用電磁流量計的（de）結構（gòu）、汙水廠出（chū）水用電磁流量計的勵磁（cí）方式（shì）、汙水廠出水用電磁流量計的信號處理技術（shù）以及汙（wū）水（shuǐ）流量計的智能化等。汙水（shuǐ）廠（chǎng）出水（shuǐ）用電磁流量計的精度關係到（dào）計量的準確性。本文以（yǐ）汙水廠出水用電磁流量計的發展曆史為線索，分析了汙水廠（chǎng）出水用電（diàn）磁流量計的四（sì）個發展（zhǎn）方向，即汙（wū）水廠（chǎng）出水用電磁流量計的（de）結構、汙水廠出水用電磁流量（liàng）計的勵磁為（wéi）一式、汙水廠（chǎng）出水用電磁流量計的信號處理為一式、汙水（shuǐ）廠出（chū）水用電磁流量計的智能（néng）化為線索，總結汙水廠（chǎng）出水用電磁流量計的發展曆程並分析其發展趨勢。對汙水廠出水用電磁流量計的技術進行了詳細說明，介（jiè）紹了每種技術的大致趨勢並列舉了近年來該方向所產生的（de）*新技術，闡述了當前流（liú）量計技術發展的現狀以（yǐ）及未來（lái）的發展方（fāng）向。在（zài）分析（xī）新（xīn）興技術的基礎上，總結出汙水廠出水用電磁流量計未（wèi）來的發展趨勢。在智能化技術不斷發展和完善的新時期，未來汙水廠出水（shuǐ）用電磁流量計仍以勵（lì）磁優化、信號處理技術為主（zhǔ），同（tóng）時又不斷改變汙水廠出水用電磁流量計（jì）的結構，以適應越來越複雜的測量環境（jìng）和滿足測量要求個性化的趨勢。
1、汙水廠出水用電磁流量計結構
汙水（shuǐ）廠出水用電磁流量計是利用電*與流體構成一個回路來測量回路中產生的電參（cān）數。傳統（tǒng）汙水廠出水用（yòng）電磁流量計測量原理如圖1所示。電磁線圈在直徑為d、橫截麵積（jī）為A的管道中產（chǎn）生一個磁場強度為B的磁場。當有流體經過時會切割磁感線而產生感應電動勢U，測量電*接收中:口為流量;k為（wéi）修正（zhèng）係數。

由於傳統的汙水廠出（chū）水用電磁流量計無法測量低電導（dǎo）率的流體，且對摩擦、粘附效（xiào）應敏（mǐn）感，隻能測量流體滿管情況等，因此需（xū）要改變其（qí）結構（gòu），使其能夠適應更複雜的環境。改（gǎi）變汙水廠出水（shuǐ）用電磁流量計結構的主要方法是改變電*的數量和（hé）位置，從而形成電容汙水廠出水用電磁流量計、非滿管（guǎn）汙水廠出水用（yòng）電磁流量計（jì）等。
1.1電容汙水廠出水用電磁流量計（jì） 
電容式汙水廠出水用電磁流量計從根本上解決了電*表麵（miàn）附著、腐蝕、摩擦等問題4，其電*與（yǔ）被測流體間有絕緣（yuán）襯裏隔離，或者直接（jiē）采用絕緣測量管。電（diàn）*置於測量管外（wài）麵或鑲嵌於測（cè）量管內部3。嵌人式汙（wū）水廠出水用電磁流量計和外貼式（shì）汙水廠出水（shuǐ）用電磁流量計的結構如圖2所（suǒ）示。

電*與被（bèi）測（cè）流體通過絕緣管形成檢測電容，通過此電容來藕合（hé）流量信號。其主要的結構形（xíng）式（shì）按照電*的安裝位置可以分（fèn）為兩種:電*嵌人測量管的絕（jué）緣襯裏內部(嵌人式)、電（diàn）*貼在測量管（guǎn）外部(外貼式)。嵌人式結（jié）構與普通汙水廠出水用電磁流量計結構相似（sì），而外貼式大多是（shì）通過陶瓷表麵金屬化技術將電（diàn）*貼在測量管外（wài）。
1. 2非（fēi）滿管汙水廠出水用電磁流量計
普通的汙水廠出水用（yòng）電磁流量（liàng）計（jì）隻能測量滿管流的（de）流量，而很多情況下（xià）由於流量流速很快，有時充不滿（mǎn）管道，普通的汙水廠出水用電磁流量計不能適（shì）用（yòng），因此希（xī）望汙水廠出水用電磁流量計能夠進行非滿管流量（liàng）的測量。目前市麵（miàn）上常見的（de）非滿管汙水廠出水用電磁流量計有（yǒu）下麵幾種。
①多電（diàn）*式非滿管汙水（shuǐ）廠出（chū）水用電磁流量計5。其底部是一對信號注人電（diàn）*，中間有多對測量電*，頂端有一個滿管電*。在滿管情況下，該流量計與（yǔ）普通的汙水廠出水（shuǐ）用電磁流量計的功能相同（tóng），滿管情況下流體的橫截（jié）麵積是固定的，此時計算流量值（zhí）隻需要測量流體（tǐ）的流速即可。當流（liú）體非滿管時，滿管電*檢測到管道非滿狀態，利用算（suàn）法修正測量值，此時流量計的測量方（fāng）式改成測量流體流（liú）速和液麵高度。信號注人電*與在不同位置的三對測量（liàng）電*共同工作，用於測量液位麵的高度和流體的速度（dù）。多電*式非滿管汙水廠出水用電磁（cí）流（liú）量計（jì）結構簡圖如圖3所示（shì）。

②電容（róng）式非滿管汙水廠出水用電磁流量計h。電容式非滿管汙（wū）水廠出（chū）水用電磁流量（liàng）計結構簡圖如（rú）圖4所示。、檢測信號電*  發送信號電
圖4電（diàn）容（róng）式非滿管汙水廠（chǎng）出水（shuǐ）用電磁流量計（jì）結構簡圖

電容式（shì）非滿管汙水廠（chǎng）出水用電磁流量（liàng）計就是利用液位的變化使得電容的*距發生變化（huà），通過測量發送電*和檢（jiǎn）測（cè）電*之間（jiān）的電容藕合值即（jí）可測量流量值。   
③利用阻抗（kàng）或信號衰減研（yán）製的非滿管汙水廠出水用電磁流量計。這種結構（gòu）的非滿管汙水廠出水用電磁流量計是當前國內研究的（de）方向之一7。其結構是（shì）流量管底部貼一對信號發射電*，在流量管中間貼信號接收電*。由於（yú）信號在流體中傳播（bō）會產生衰減，且傳（chuán）播時間越長，衰減越多，因此通過信號接收（shōu）電*接收到的信號衰減量即可（kě）得知液（yè）麵高度;同時該電*還（hái）能測量流體切割磁感線產生的電動勢，以此達到（dào）測量非滿管流量的目的。阻抗式或信號衰減非滿管汙水（shuǐ）廠出水用電磁流量計結構簡圖如圖5所示。   

④智能化（huà）非滿（mǎn）管汙水廠出水用電磁流量計。這種流量計是汙水廠出水用（yòng）電磁流量計（jì）智能化發展的方向之一。使用兩種（zhǒng）接法不同的勵磁線圈，應（yīng）用權重（chóng）函數（shù）與幾何位置有關的原理，建立液位的函數關係，*後通過在線計算求取液（yè）位。薑玉林、丁文（wén）斌改進了權重函數與感應電勢的計算方法夥對於非滿（mǎn）管流量計來說，由於其流體分布與普（pǔ）通（tōng）的汙水廠（chǎng）出水用電磁流量（liàng）計不同，因此（cǐ）其權重函數（shù）也不同（tóng），衛開夏、李斌在非滿管的情況（kuàng）下對其權重函數進行有限元（yuán）數值分析，得到不（bú）同液麵下的（de）權重函數9。   
除此之外還有其（qí）他功能的汙水廠出水用電磁（cí）流（liú）量計，例如改變信息傳輸通道將信（xìn）號線與電源線串在一起的二進製汙（wū）水廠出水（shuǐ）用電磁流量（liàng）計、用於測量渠道的潛水汙水廠（chǎng）出水用電磁流量計、為了降低功（gōng）耗（hào）並提高勵磁效（xiào）率和靈（líng）敏度而設計（jì）的異徑汙水廠出水用電（diàn）磁流量計’。、用於油水兩相流流量測量的分流式汙水廠出水用電磁流量計”以及其他汙水廠出水用電磁流量計。
2、勵磁方（fāng）式的優化（huà）   
勵磁方（fāng）式的選擇影響了（le）整個流量計係統的精度（dù）、能耗等參數。因此在汙水廠出水用電（diàn）磁（cí）流量計的結構確定之（zhī）後，勵磁方式的選（xuǎn）擇尤為重要。勵磁方式可以（yǐ）分為（wéi）兩種（zhǒng）基本形式，即采用交變磁場的形式(包括正（zhèng）弦波勵磁、矩形波（bō）勵磁、三值波勵磁和雙頻矩形波勵磁)和采用（yòng）恒定磁（cí）場的形式(包（bāo）括直流電（diàn）源勵磁和永磁體勵磁)’2。
2.1交變磁場勵磁   
工頻正弦（xián）波是*早應用於汙水廠出水用電磁流量計中的勵（lì）磁方式’3，其測量速度快（kuài），受電化學反應影響小，但是由（yóu）於頻率高，容易因為渦流產生同相噪（zào）聲且微分噪聲補償困難，零（líng）點容易漂移。低（dī）頻矩形波勵磁具有實現簡單、零點穩（wěn）定、抗工頻幹（gàn）擾等優點而成為流量計廠商（shāng）主要采用的勵磁方式’4。
隨著實際生產應用中對流體測量速度和對（duì）漿液測量精度要求（qiú）的提高，低頻勵磁已不能（néng）滿足要求，於是國外提出（chū）高頻方波勵磁（cí）和（hé）雙頻矩（jǔ）形波勵磁。高頻方波勵磁（cí）或雙頻（pín）矩形波勵磁雖能有效克服漿液噪聲（shēng）、流動噪聲等幹擾（rǎo）並提高測量速度，但是（shì）有關高頻勵磁部分（fèn）的核心技術並未披（pī）露’5一’6。國內還（hái）沒有廠家能夠提供（gòng）擁（yōng）有自（zì）主產權的產品，相關（guān）的文獻也很少（shǎo）。雖然雙頻矩形（xíng）波（bō）勵磁兼具高頻（pín）測量速度快和低（dī）頻穩定性好的優點，且對流動噪聲不敏感，但是由於需要執（zhí）行複雜算法（fǎ），會增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙（shuāng）頻勵（lì）磁研究的基礎上對其進行（háng）了改進，並提出一種時分雙頻（pín）勵磁的方法。該方法（fǎ）在兼顧了低頻高頻優點的同時，又能（néng）夠在很寬的測量範（fàn）圍內實（shí）現流量的（de）高精度（dù）測量’7。
2. 2恒定磁場勵磁   
相對於交（jiāo）變（biàn）磁場勵磁（cí）方式來說，恒定磁場勵磁的方式實現起來（lái）更加簡單，受工頻幹擾影響小，而且使用恒定磁場勵磁可以簡化傳感器結構（gòu）’2。   
恒定磁場勵磁*關（guān）鍵（jiàn）的問題就是電化學及（jí）其他因素會在汙水廠出水用電磁流量計測量電*上產生嚴重的*化現（xiàn）象，導致測量電*兩端產（chǎn）生（shēng）*化電壓。*化電壓過大，則會淹沒測量信號產生的感應電動勢（shì）。而交變磁場勵磁可以通過不斷變換（huàn）勵磁的方向來（lái）消除電*表麵*化現象，因此，目前國內外汙水廠出水用電磁流量計大多采用交變磁場勵磁。恒定（dìng）磁場勵磁方（fāng）式應（yīng）用於導電率*高、流體內（nèi）阻*小、而又不產（chǎn）生*化（huà）效應（yīng）的液態金屬的流量測量中。   
為了克（kè）服電*表麵*化現象，目前（qián）采用的方法可分為以下兩種。
①從*化電壓（yā）的原（yuán）理出發（fā），分析兩個電*上*化電壓的相關性，從根（gēn）本（běn）上消除*化電壓的影響，如差分對比消除*化（huà）電壓法。但（dàn）是由於*化電壓影響因素多（duō），且其隨機性遠遠大於（yú）反映（yìng）流量信號的感應（yīng）電動勢，所以其消除*化的效果並不理想。
②另一（yī）種是避開*化電（diàn）壓（yā）的原理，設法在不影響流體感應信號測量的情況下，將*化電壓控製在一個穩定的值，如繼電器電容（róng）反饋抑製*化法’2。浙江大學提（tí）出了一種新的方法，該方法是（shì）利用在電*上施加快（kuài）速變化（huà）的交變電場（chǎng）來抑製*化電（diàn）壓，且（qiě）此交變電場隻在非采樣時間段內激發。上海大學提出了（le）另外一種反饋的方法，即對（duì）測量電*進行等電量動態跟蹤反饋的方（fāng）法來消除磁鋼勵磁汙水（shuǐ）廠出水用電磁流量計的電**化問題’8。目前，這種方法是當前恒磁磁場勵（lì）磁方法研究的焦點。
3、信號處理方法的改良
汙水（shuǐ）廠出水用電磁流量計通過采集（jí）一段時（shí）間內的電信號來達到測量流量的目的，這樣在測量過程中不可避免（miǎn）地會摻雜各種幹擾信號，因此對信號的檢測處理方式的改良就顯得尤（yóu）為重要。
3.1普通汙水廠出（chū）水用電（diàn）磁流量計信號處理   
信號的檢測處理實際上就是對（duì）信號進（jìn）行放大、采集與幹擾抑製。信號方麵的研究主要集中在（zài）幹擾的抑製上。汙（wū）水廠出水用電磁流量計（jì）的幹擾主要包括*化電壓的幹擾、工頻幹擾、電化學幹擾、流體碰撞幹擾、微分幹擾、零點漂移等。除此以外，部分研究發現流體的不對稱流動’9。電（diàn）*和（hé）勵磁線圈（quān）的不對稱也會產生相應的測量誤差zo。國內（nèi）許多機（jī）構在這些方麵作了很多的研究，如上海大學提出的一種反饋式信（xìn）號放大處理方法’8，采用矩（jǔ）形波勵磁來克服*化電壓、工頻帶來的幹擾（rǎo）2，，利用增加（jiā）勵磁頻率或改變勵磁方（fāng）式（shì），克服電化（huà）學幹擾和流體碰（pèng）撞管道時產生的幹擾zz。周真、王強等人通過（guò）對流量計*間信號進行建模來分離幹擾信號和流量信號23，采取提前確定闌值來進行偏置調（diào）整抑（yì）製低頻漂移產生的幹（gàn）擾za，利（lì）用數模混合（hé）*優濾波法消除（chú）微分（fèn）幹擾25。對於恒磁勵磁方式來說，幹擾主要來源於（yú）*化電壓幹擾以及（jí）零點漂移（yí）幹擾（rǎo），消除零點漂移幹擾的方法有電容隔離法（fǎ）、反饋式信號處理方法和（hé）三次采樣消除零點漂移法等。石（shí）冰鑫、李景雲公（gōng）布了一項利用光電傳輸信號的汙水廠出水用電磁（cí）流量計，可以有效降低傳輸過程中（zhōng）的幹擾。
3. 2電容式汙水廠出水用電磁流量計信號處理（lǐ）   
普（pǔ）通汙（wū）水廠出水用（yòng）電磁流量計的電*部分是以金屬導體與被測液體接觸，而流體流動時會對電（diàn）*產生碰撞噪聲。後來研（yán）發的電容式汙水廠出水用電磁流（liú）量計使電*部（bù）分（fèn）不與被測（cè）流（liú）體直接接觸，而是透過管壁與流體的感應電動勢產（chǎn）生感應，從根本上（shàng）解決了雜散噪聲的問題ze。但是由於藕合電容（róng）的容抗是電容式汙水廠出水用電磁流量計的主要信號內阻，其藕合電容值很小，而內阻很大，測量得到的（de）信號信噪比會很小。為了獲取（qǔ）較高（gāo）的信噪比，必須使用高輸人阻抗的前（qián）置放大器和高共模抑製比的差動放大器，進行信號的阻抗轉換和放大。   
目前，信號檢出方法（fǎ）有兩種:直接檢測感應電壓與通過“虛地（dì）”來檢測電流法。電壓（yā）檢測（cè）法技（jì）術成熟，但是受流體因素影響大。檢測電流法通過“虛地”與合適的電阻值來獲得高電勢，通過口= CE來（lái）計算電容，*後通過微分得出電流值。此方（fāng）法（fǎ）可從根本上消除（chú）電容泄漏（lòu）電流的影響，但是這種方法受藕合電容值變化的影（yǐng）響較大，而且電路複雜（zá），一般較少（shǎo）采用。   
盧國峰、王保良等人引（yǐn）人了互相關檢測方法。互相關檢測方法（fǎ）是基於互相關函數（shù）同頻相關，不同頻不相關的性質，通過互（hù）相關運算，達到（dào）濾出（chū）噪聲的效果。已知發送信（xìn）號的頻率（lǜ），就可在接收端發出相同頻率的參考信（xìn）號，與混亂信號進行（háng）相關即可提取（qǔ）出微弱的測量（liàng）信號。在後續的數據處理（lǐ）當中，他們使用了基於相關檢測原理（lǐ）的旋轉電容濾波器。這種電路抗幹擾能（néng）力很強（qiáng），有很高的信噪比za。  
由（yóu）於智能（néng）汙水廠出水用電磁流量計的出現，越來越多的信號處理技術不再是（shì）單純的電路式濾波，而更多地（dì）使用軟件（jiàn）濾波，比如可以利用Matlab對信號（hào）進行在線（xiàn）處（chù）理，以有效地降低幹擾29 -30，或利用小波變（biàn）換對信（xìn）號進行處理（lǐ）以抑製幹擾3等。
4、流量計的智能化   
隨著微處理器的發展（zhǎn），汙水廠出水用電磁流量計也在朝著智能化方向發展。其智能化方向可分（fèn）為（wéi）信號處理智能化和控製智能化，兩者共同作用構成了（le）智能汙水廠出水用（yòng）電磁（cí）流量計。其主要技術（shù）包括軟件技術、自診斷功能、程控放大器技術、微處理器抗幹擾技術等。   
軟件技術是（shì）信號處理智能化的標誌（zhì），即通（tōng）過軟件來控製汙水廠出水用電磁流量計（jì）的整個工作過程。數字濾波、非線性擬合、零點（diǎn）自校正是較常見的技術。數字濾波（bō）能夠（gòu）完成模（mó）擬濾波不能（néng）完成的濾波功能，例如:脈衝幹擾剔除、數字電路毛刺幹擾消除、A/D轉換器的抗工頻（pín）以及確保（bǎo）輸人微處理器數字的（de）可（kě）靠性32。另外，數據在線分（fèn）析與數據重構也是其研究方向（xiàng）之（zhī）一，如利用小波變換分（fèn）離漿液流體當中的流量信號、漿液信號（hào）33和利用陷波濾波器組的信號處理方（fāng）法等34。   
汙（wū）水廠出水用電（diàn）磁流量計是（shì）無阻擾測量，其測量電*與流體（tǐ）接觸後容易發生磨損、腐蝕、結垢等現象，這些現象會*大（dà）地影響汙水廠出水用電磁流量計的測（cè）量精度。為了便（biàn）於拆卸維護（hù），汙水廠出水用電磁流量計增加了自診斷功能。其（qí）功能越來（lái）越多，相繼添加了信（xìn）號（hào）線性度、勵磁電路的（de）完整性和準確性(包括勵磁線圈電阻和勵磁電流)、監控和診（zhěn）斷流程和環境（jìng）條（tiáo）件的變化(如液體（tǐ）電導率是否變化，流（liú）體中氣泡和固體顆粒含量等35)。隨後出現一種無需改變（biàn）汙水廠出水用電磁流量計結構就能進行勵磁電流異常的自診斷技術36   
程控放大器技術能夠實現（xiàn）汙（wū）水廠出水用電磁（cí）流（liú）量計量程的（de）自動轉換，同（tóng）時利用增益控製方法能有效削弱微分幹擾峰值使放大器過載的問題，便於流量信號電勢處理，提高（gāo）抗微分幹擾的能力。   
以往的抗幹擾技（jì）術解決了輸人與輸出之間的各種幹擾問題，但是當汙水（shuǐ）廠出水用電磁流量計引人智能係（xì）統後（hòu），來自微處理器的各種幹擾同樣會（huì）影響測量（liàng）結果的精度，甚至會導致整個流量測量係（xì）統跑（pǎo）飛或崩潰。目前，國內外（wài）常常使用軟硬件結合的方式來提高微處理器的抗幹擾能力33，37。常用的軟件抗幹擾方法有:軟件（jiàn）指令冗餘措施（shī）、軟件陷阱抗幹擾方法、軟件“看門狗”技術等。純粹的軟件抗幹擾會浪費（fèi）大量的CPU功率（lǜ），所以先使（shǐ）用硬件來消除大（dà）部分（fèn）幹擾。常用的（de）硬件（jiàn）抗幹擾有:光電隔（gé）離器、接地技（jì）術、掉電保護技術等。
5、結束語   
近年來，汙水廠出水用電磁流量計隨著需求的增（zēng）加不斷發展。在諸多的汙水（shuǐ）廠（chǎng）出水用（yòng）電磁流（liú）量計（jì）技術發展（zhǎn）當中，作者認為未來（lái）的汙水廠出水用電磁流量計發展仍然以（yǐ）勵磁優化、信號處理技術為主，同時汙水廠出水用電磁流量計將不斷添加各（gè）種智能化的功能（néng）以應對更多、更複雜的測量環境。

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