工業汙水流量計的產品特（tè）點及未來的發展趨勢

一、引言
流量計是利用物理原理實現（xiàn）對一段時間內流體流量測量的儀器。工業汙水流量計具有寬量程、耐腐蝕、結構簡單（dān）等優點川，是當前*受歡（huān）迎的流量計品種（zhǒng）之一（yī）。工業汙水流量計的理論（lùn）產生於20世紀20年代[[21O當（dāng）代工業汙水（shuǐ）流量計大多以計（jì）算機技術為基（jī）礎，其功能隨著計算（suàn）機（jī）的信息處（chù）理能力、存儲（chǔ）能力（lì）、運（yùn）算能力和計算（suàn）機的控製功能的增強而增強。工（gōng）業汙水流（liú）量計（jì）技術革（gé）新的四個方向值得關注:工業汙水流量計的結構、工業（yè）汙水（shuǐ）流量計的勵磁方式、工業汙水流量計的信號處理技術以及（jí）工（gōng）業汙（wū）水流量計的智能化等。本文以此為線索，總結工業汙水（shuǐ）流量計的發展曆程並分析其發展趨勢。
二、工業汙水流量計結（jié）構
工業汙水流量計是利用電*與流體構成一個回（huí）路來測量回路中產生的電參數。傳統工業汙水流量計測量原理如圖（tú）1所示。電磁線（xiàn）圈在直徑為d、橫（héng）截麵積為A的管道中產生一（yī）個磁（cí）場強度為B的磁場。當有（yǒu）流體經過時會（huì）切割磁感線而（ér）產生感應電動勢U，測（cè）量電*接收電動勢信號。由公（gōng）式Q=(1/k)*(UA/Bd)可計算其流量。式中:Q為流量（liàng）;k為修正係數（shù）。

由於傳統（tǒng）的工業汙水流量計無法測量（liàng）低電導（dǎo）率的流體，且（qiě）對摩擦、粘附效應敏感，隻能測量流（liú）體滿（mǎn）管情況等，因（yīn）此（cǐ）需（xū）要改（gǎi）變其結構，使其能夠適應更（gèng）複雜的環境（jìng）。改（gǎi）變工業汙水流量計結構的主要方法是改變電*的數量（liàng）和位置（zhì），從而形成（chéng）電容工業汙水（shuǐ）流量計、非（fēi）滿管（guǎn）工業汙（wū）水流量計等。
1.1、電容工業汙水流量（liàng）計
電容式工（gōng）業汙水流（liú）量計從根本（běn）上（shàng）解決了電*表麵附著、腐蝕（shí）、摩擦等問題，其電*與被測流體間（jiān）有絕緣襯裏隔離，或者（zhě）直接采用絕緣測量管。電*置於測量管外麵（miàn）或（huò）鑲嵌於測量管內部。嵌（qiàn）人式工業汙水流量計和外貼式工業汙水流量計的結構如圖2所示。

電*與被測流體通過（guò）絕緣管形成檢測電容，通過此電容來藕合流量信號。其主要的結構形式按照電（diàn）*的安裝位置可以分為兩種:電*嵌人測量管的（de）絕緣襯裏內部(嵌人式)、電*貼在測量管外（wài）部(外貼式)。嵌入式結構與普通工業汙（wū）水流量計結構相（xiàng）似，而（ér）外貼（tiē）式大多是通過陶瓷表麵金屬化技術將電*貼在測量管外。
1.2非滿管工業汙水（shuǐ）流量計
普通的工業汙水流（liú）量計隻能測量（liàng）滿管流的流量，而（ér）很多情況下（xià）由於（yú）流量流速很快，有時充不滿管道，普通的工業汙水流量計不能適用（yòng），因此希望工業汙水流量計能夠進行（háng）非滿管流量的測量。目前市麵上常見（jiàn）的非滿管工業汙水（shuǐ）流（liú）量計有下麵幾種。
①多電*式非滿管工業汙水流量計。其（qí）底部是一對信號注人電*，中間有多對（duì）測量電*，頂端有一個滿管電*。在滿（mǎn）管情況下，該（gāi）流量計與普通的工（gōng）業汙水流量計的（de）功能相同，滿管情況下流體的橫截麵積（jī）是固定的，此時計算流量值隻需（xū）要測量（liàng）流體的流速即可。當流體非滿管時，滿管電*檢測到管道非滿狀態，利用（yòng）算（suàn）法修正測量值，此時流量（liàng）計的測量方式改成測量流體流速和液麵高度（dù）。信號注人電*與在（zài）不同位（wèi）置的三對測量電*共同工作，用於測量液位麵的高度（dù）和流體的（de）速度。多電*式（shì）非滿管工業汙水流量計結構簡圖如（rú）圖3所示。

②電容式非滿管工業（yè）汙水流量計。電容式（shì）非滿管工業汙水流量計結（jié）構簡圖（tú）如圖4所示。

電容式非滿管工業汙水流量計就（jiù）是（shì）利用液位的變化使得電容的*距發生變化，通過測量發送電*和檢測電*之間的電容藕合值即可測量流量值。
③利用阻抗或信號衰減研製的非滿管工業汙水流量計。這種（zhǒng）結構的非（fēi）滿管工（gōng）業汙水流量計是當前國（guó）內研究的方向之一。其結構是流量管底部貼（tiē）一對信號發（fā）射電*，在流（liú）量管中間貼（tiē）信號接收電（diàn）*。由於信號在（zài）流體中傳播會產生衰減，且傳播時間越長（zhǎng），衰減越多（duō），因此通過信號接收電*接收到的（de）信號衰減量（liàng）即可得（dé）知液麵高度;同時（shí）該電*還能測量（liàng）流體切割（gē）磁感線產生的電動勢，以（yǐ）此達到測（cè）量非滿管流量的目的。阻抗式或信（xìn）號衰減非滿管工業汙水流量計結構簡圖如圖5所（suǒ）示。

④智能化非滿管工業汙水流量計。這種流量計（jì）是工業（yè）汙水流量（liàng）計智能化發展的方向之一。使用（yòng）兩種接法不同（tóng）的勵磁線圈，應用（yòng）權重（chóng）函數與幾何位置有關的（de）原理，建立液位的（de）函數關係，*後通過在線計算（suàn）求（qiú）取液（yè）位。薑玉林、丁（dīng）文斌改進了權重函（hán）數（shù）與（yǔ）感應電勢的計算方法。對於非（fēi）滿管流量計來說，由於其流體分布（bù）與普通的工業汙水流量計不同，因此其權重函（hán）數也不同，衛開（kāi）夏、李斌在非滿管的情況下對其權重函數進（jìn）行有限元數值分析，得到不同（tóng）液麵下的權重函數。
除此之外還有其（qí）他功能的（de）工業汙水流（liú）量計，例如改變信息傳輸通道將信號線與電源線串在一起的二進製電
磁流量計（jì）、用於測量渠道（dào）的潛水工業汙水流量計、為了降低（dī）功耗並（bìng）提高勵磁效（xiào）率和靈敏度而（ér）設計的（de）異徑工業汙水流量計、用於油水兩相流流量測量的分流式工業汙水流量計以及其他工業汙（wū）水流量（liàng）計（jì）。
三、勵磁方式的優化（huà）
勵磁方式的選擇影響了整個（gè）流量計係統的精度、能耗等參數。因此在工業汙水流量計的結構確定之後，勵磁方式的選擇尤為重要。勵磁方式可以（yǐ）分為兩種（zhǒng）基本形式，即采用（yòng）交變磁場的形式(包括正弦波勵磁、矩形波勵磁、三值波勵磁和雙頻矩形波勵磁)和采用恒定磁場的形式(包括直流電源勵磁和永磁體（tǐ）勵磁。
2.1 交變磁場勵磁
工頻正弦波是*早應用於工業汙水流量計（jì）中的勵（lì）磁方式，其測量速度快，受電（diàn）化學反應影響小，但是由於頻率高（gāo），容易因為渦流產生同相噪聲且微分噪聲補償（cháng）困難（nán），零點容易漂（piāo）移（yí）。低（dī）頻矩形（xíng）波勵磁具有實現（xiàn）簡單、零點穩定、抗工頻幹擾等優點而成為流量計廠商主要（yào）采用的勵磁（cí）方式。
隨著實際生產應用中對流體測量速（sù）度和對漿液測量精度要求的提高，低頻勵磁已不能滿足要求，於是國外（wài）提出高頻方波勵磁和雙頻矩形波勵磁。高頻方波勵磁或雙頻矩形波勵磁雖能有效克服漿液噪聲、流動噪聲（shēng）等幹擾並提高測量速度，但是有關高頻勵磁部分的核心技術並未披露。國內（nèi）還沒有廠家能夠提供擁有自主產權的產品，相關的文獻也很少（shǎo）。雖然雙頻矩形波勵磁兼（jiān）具高頻測量速度快和低頻穩定性（xìng）好的優點，且對流動噪聲不敏感，但是由於需要（yào）執行複雜算法，會增加功耗。劉鐵軍、宮（gōng）通（tōng）勝在雙頻勵磁研究的（de）基礎上對其進行了改進，並提（tí）出一種（zhǒng）時分雙頻勵（lì）磁的（de）方法（fǎ）。該方法在兼顧了低頻高頻優點的同時，又能夠在很（hěn）寬的（de）測量範圍內實現流量的高精度測量。
2.2恒定磁場勵磁
相對於交變磁場勵磁方式來說，恒定磁場勵磁的方式實現起來更加簡單，受工頻幹擾影響小，而（ér）且使用恒定（dìng）磁場勵磁可以（yǐ）簡化傳感器結構（gòu）。
恒定磁場勵磁*關鍵的問題就是電化（huà）學（xué）及其他因素會在工業汙水流量計測量電*上產生嚴重的*化（huà）現象，導致測量（liàng）電*兩端產生*化電壓。*化電壓過（guò）大，則會（huì）淹沒測量信號產生的感應（yīng）電動勢。而交變磁場勵磁可以通過不斷變換勵（lì）磁的方向來消（xiāo）除電（diàn）*表麵*化現象，因此，目前國內外工業汙水流量計（jì）大多（duō）采用交變磁場勵磁。恒定磁場（chǎng）勵磁方式應用於導（dǎo）電率（lǜ）*高、流體內阻*小（xiǎo）、而又不產生*化效應的液態金屬的流量測量中。
為了克服電*表麵*化現象，目前采用的方法可分為以下（xià）兩種。①從*化電壓的原理（lǐ）出發，分析兩個電*上*化電壓的相關性，從根本上（shàng）消（xiāo）除*化電壓的影響，如差分（fèn）對（duì）比消除*化電壓法。但是（shì）由於*化電壓影響因素多，且其隨機性（xìng）遠遠大於（yú）反映流量信號的感應電（diàn）動勢，所（suǒ）以其消除（chú）*化的（de）效果並不理想。②另一種（zhǒng）是避開*化（huà）電（diàn）壓的（de）原理，設法在不（bú）影響流體感應信號測量的情（qíng）況（kuàng）下，將*化電壓控製在一個穩定的值，如繼電器電容反（fǎn）饋抑製*化法。浙江大（dà）學提出了一種新的方法，該方法是利（lì）用在電*上施加快速變化的交變電場來抑製*化電壓，且此交變電場隻在（zài）非采樣時間段內激發。上海大學提出了另外一種反饋的（de）方法，即對測量電*進行等電量動態跟蹤反饋的方法來消除磁鋼勵磁工業汙水流量計的電**化問題。目前，這種方法是當前恒磁磁場勵磁方法研究的焦點。
四、信號處理方法的改（gǎi）良
工業汙水流量計（jì）通過采集一段時間內（nèi）的電信號來達到（dào）測量流量的目的，這樣在測量過程中不可避免地會摻雜各種幹擾信號，因此對信號的檢（jiǎn）測處理方式的改良（liáng）就顯得尤為（wéi）重要。
3.1普通工業汙水流量計信號處理
信號的檢測處理實（shí）際上就是對信號（hào）進行放大（dà）、采集與幹擾抑製。信號方麵的研究主要集中（zhōng）在幹（gàn）擾的抑（yì）製上。工業汙水流量計（jì）的幹擾主要包括*化電壓的幹擾、工頻幹擾（rǎo）、電化學幹擾、流體碰（pèng）撞幹擾（rǎo）、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。電*和勵磁線圈的（de）不對稱也會產生相應（yīng）的（de）測量誤差。國內許多機（jī）構在這些方麵作了很多的研究，如上海大（dà）學提出的一種反（fǎn）饋式信號（hào）放大處理方法，采（cǎi）用矩形波勵磁來克服*化電壓、工頻帶（dài）來的幹擾，利用增加（jiā）勵磁頻率或改變勵磁方式（shì），克服電化學幹擾和流（liú）體碰撞管道時產生的幹擾。周真、王強等人通過對流量（liàng）計*間信號進行建模來分離幹擾信號和流量信號（hào），采取提前確（què）定（dìng）IA值來進行（háng）偏（piān）置調整抑（yì）製低頻漂移產生的幹（gàn）擾，利用數模混合*優濾波法消除（chú）微分幹（gàn）擾。對於恒磁勵磁方式來說，幹擾主要（yào）來源於（yú）*化電壓幹擾（rǎo）以及零點漂移幹擾（rǎo），消除零點漂移幹擾的方法有電容隔離法、反饋式信號處理方法一和（hé）三次采樣消除零點漂移法等。石冰鑫、李景雲公布，了一項利用光電傳（chuán）輸信號的工業（yè）汙水流量計，可以（yǐ）有效降低傳輸過程中的（de）幹擾。
3.2電容式工業汙水流量（liàng）計信號處理
普通工（gōng）業汙水流（liú）量計的電（diàn）*部分是以金屬導體與被測液體接觸（chù），而流體（tǐ）流動時會對電*產生碰撞噪聲。後來研發（fā）的電容式工業汙水流量計使電*部分不與被（bèi）測流（liú）體直接接觸，而是透過（guò）管壁與流體的感應電動勢（shì）產生感應，從根本（běn）上解決了雜散（sàn）噪聲的問題。但是由於耦合電容（róng）的（de）容抗是電容式工業汙水流量計的主（zhǔ）要信號內阻（zǔ），其（qí）藕合（hé）電容值很小，而內（nèi）阻很大，測量得到的信號（hào）信（xìn）噪比（bǐ）會很小。為了獲取較（jiào）高的（de）信（xìn）噪比，必須使（shǐ）用高（gāo）輸人阻抗的前置放大器和高共模抑製比的差動（dòng）放大器，進行（háng）信（xìn）號的阻抗轉換和放大。
目前，信號檢出方法（fǎ）有兩（liǎng）種（zhǒng）:直接檢測感應電壓與（yǔ）通過“虛地”來檢測電流法。電壓檢測法（fǎ）技術成熟，但是受流體因（yīn）素影響大。檢測電流法通過“虛地”與合適（shì）的電阻值來獲得高電勢，通過口= CE來計算電容，*後通過微分得出（chū）電流值。此方法可從（cóng）根本上消除電容（róng）泄漏電流的影響，但是這種（zhǒng）方法受耦合電容值變化的影響較大，而且電路複雜，一般較少（shǎo）采用。
盧國（guó）峰、王（wáng）保良等人引人了互相關檢測方法。互（hù）相關檢測方法是墓於互相關函數同頻相關，不同頻不相關的性質，通（tōng）過互相關運算，達到濾出噪聲（shēng）的效果。已知發送信（xìn）號的頻率，就可在接（jiē）收端發出相同頻率的參考信號，與混（hún）亂信號進行相關即可提取出（chū）微弱的測量信號。在（zài）後續的數據處理當中，他們使用（yòng）了基於相關檢測原理的旋轉電容濾波器。這種電（diàn）路抗幹擾能力很強（qiáng），有很高的信噪比。
由於智能工業汙（wū）水流量計的（de）出現，越來越（yuè）多的信號處理技術（shù）不再是（shì）單純的電路式濾（lǜ）波（bō），而更多地使用（yòng）軟件濾（lǜ）波，比如可以利用Matlab對信號（hào）進行（háng）在線處理，以有效地降低幹擾，或利用小波變換對信號進行（háng）處理以抑製幹擾等。
五、流量計的智能化
隨著微處理器的發展，工業汙水流（liú）量計也在朝著（zhe）智能化方向發展。其智能化方向（xiàng）可分為信號處理（lǐ）智能化和控（kòng）製智能化，兩者共同作用構成（chéng）了智能工（gōng）業汙水（shuǐ）流量計。其主要（yào）技術包括軟件技術、自診斷功能、程控（kòng）放大器技術、微處理（lǐ）器（qì）抗幹擾技術等。
軟件技術是信號處理智能化（huà）的標誌，即通過軟件來控製工業汙水流量計的整個工作過（guò）程。數字濾波、非線性（xìng）擬合、零點自校正是較常見的技術。數字濾波能夠完成模擬濾波不（bú）能完（wán）成的濾波功能，例如:脈衝幹（gàn）擾剔除、數字電路毛刺幹擾消除、A/D轉（zhuǎn）換器的抗工頻以及確保輸人（rén）微處理器數字（zì）的（de）可靠性（xìng）。另（lìng）外，數（shù）據在線分析與數據重構也是其研究方向之一，如利用小波變換（huàn）分離漿液流（liú）體（tǐ）當中的流量信號、漿液信號和利用陷波濾波器組的信號處理方（fāng）法等。
工業汙水流量計是（shì）無阻（zǔ）擾測量，其測量電*與流體接觸後容易發生磨損、腐蝕、結垢等現象，這些現象會*大地影響（xiǎng）工業汙（wū）水流量計的測量精度（dù）。為了（le）便於拆卸（xiè）維護，工業汙水流量計增加了自診（zhěn）斷功能。其功能越來越多，相繼添加了信號線性度、勵磁電路的完整性（xìng）和準確性(包括（kuò）勵（lì）磁線圈（quān）電阻和勵磁（cí）電流)、監（jiān）控和診斷流程和環境條件的變化(如液體電導率是否變化，流體中氣泡和固體顆粒含（hán）量等。隨後出現一（yī）種無需改變工業汙水流量計結構就能進行勵磁電流（liú）異常的自（zì）診斷技術。
程控放大器技術能夠實現工業汙水流量計量（liàng）程的自動轉（zhuǎn）換，同時利用（yòng）增益控製（zhì）方法能有效（xiào）削弱微分幹擾峰值使放大器過載的問題，便（biàn）於流量（liàng）信號電勢處理，提高抗微分幹擾的能力。
以往的抗幹擾技術解決了（le）輸入與輸出之間的各（gè）種幹擾問題（tí），但是當工業汙水流量計引入智能係（xì）統後，來自微處理器的各種幹擾同樣會影響測量結果的精（jīng）度，甚至會導致整（zhěng）個流量測（cè）量係統跑飛或崩潰。目（mù）前，國內外常常使（shǐ）用軟硬件結合的方式來提（tí）高微處理器的抗幹擾能力（lì）。常用的軟件抗幹擾方法有:軟件（jiàn）指令冗餘（yú）措（cuò）施、軟件陷阱抗幹擾方法、軟件“看門狗”技術等。純粹的軟件抗（kàng）幹擾會浪費大量的CPU功率，所以（yǐ）先使用硬件來消除大部分幹擾。常用的硬件抗幹擾（rǎo）有:光電隔離器、接地技術、掉電保護技術等。
六、結束語
近年來，工業汙水流量計隨著需求的增加不斷發展（zhǎn）。在諸多的工業汙水流量計技術發展（zhǎn）當中，作者認為未來的工業汙水（shuǐ）流量計發展仍然以勵磁優化、信（xìn）號（hào）處理技術為主（zhǔ），同時工業汙（wū）水流量計將不斷（duàn）添加各種智能化的（de）功能以應對更多、更複雜的測量環境。

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