未來軟化水（shuǐ）流量計測量技術的發展方向及趨勢

流（liú）量計是利用（yòng）物（wù）理原理實現對一（yī）段時間內流體流量測量的（de）儀（yí）器。 其有結構簡單（dān）、寬量程、耐腐蝕等（děng）優點，被廣泛應用於石油及城市排汙等髒（zāng）汙（wū）流體環境中，是當前*受歡迎的流量計品（pǐn）種之一。軟化水流量計（jì）的理論產生於20世紀（jì）20年代。當代電流量計大多以計算（suàn）機技術為基礎，其功能隨著計算（suàn）機的信息處理能力、存儲能力、運算能力和計算機（jī）的控製功能的增強而增強。軟化水流量計技術革新的（de）四個方向值得關注:軟化水流量計的結構、軟化水流量計（jì）的勵磁方（fāng）式、軟化（huà）水流量計的信號處理技術（shù）以及軟化水流量計的智能化等。軟化水流量計的（de）精度關係到計量的準確性。本文以軟化水流量計的發展曆（lì）史為線索，分析了軟（ruǎn）化水流量計（jì）的四個發展方向，即軟（ruǎn）化水流量計的結構、軟化水流量計的勵（lì）磁為一式、軟（ruǎn）化水流量計的（de）信號處理為一式、軟化水流量計的智能化為線索，總（zǒng）結軟化水流量（liàng）計的發展曆（lì）程並分析其發（fā）展趨勢（shì）。對軟化水流量計的技（jì）術進行了詳細說明，介紹了每種技術的大致趨勢並列舉了（le）近（jìn）年來該方向所產生（shēng）的*新（xīn）技術，闡述了當前流量計技術發展的現狀以及未來的發展（zhǎn）方向（xiàng）。在分析新興技（jì）術的（de）基（jī）礎上，總結出軟化水流量計（jì）未來（lái）的（de）發（fā）展趨勢。在智能化技術不斷發展和完善的新時期，未（wèi）來軟化水流量計仍以勵磁優化、信號處理技術為主，同（tóng）時又不斷改變軟化水（shuǐ）流量計的結構，以適應越來越複雜的測量環（huán）境和滿足測量要求（qiú）個性化的趨勢。
1、軟化水（shuǐ）流量計結構
軟化水流量計是利用電*與流體構成一個回路來測量回路中產生的電參數。傳統軟化水流量計測量原理如圖1所示。電磁線圈在（zài）直徑為d、橫截麵積為A的管（guǎn）道中產生一（yī）個磁場強度為B的磁場。當有流體（tǐ）經過時會切割（gē）磁感線而產生感應電動勢U，測量（liàng）電*接收中:口為流量;k為修正係數。

由於傳統的軟化水流量計無法測量低電導率的流體，且對摩擦、粘附效應敏感，隻能測量流（liú）體滿管情況等，因（yīn）此（cǐ）需要改變其結構，使其能夠適應更（gèng）複雜（zá）的環境。改變軟化水（shuǐ）流（liú）量計（jì）結構的主要方法是改變電*的數量和位置，從而形成電容軟化水流量（liàng）計、非（fēi）滿管軟化水流量（liàng）計等。
1.1電容軟化水流量計 
電容式軟（ruǎn）化水流量計從根（gēn）本上解（jiě）決了電*表麵附（fù）著、腐（fǔ）蝕、摩擦等問題4，其電*與被測流體間有絕緣襯裏隔離，或者直接采用絕緣測量管。電（diàn）*置於測量（liàng）管外麵或鑲嵌於測量管內部3。嵌（qiàn）人式軟化水流量計和外（wài）貼式軟化水流量（liàng）計的（de）結構如圖2所（suǒ）示。

電*與被測流體通過絕緣管形成檢測電容，通過此電容來藕合流量信號（hào）。其主要的結構形式按照（zhào）電（diàn）*的安裝位置（zhì）可以（yǐ）分為兩種:電*嵌人測量（liàng）管的絕緣襯裏內部(嵌人式（shì）)、電*貼在測量管（guǎn）外部(外（wài）貼式)。嵌人式結構與普通（tōng）軟化水（shuǐ）流量計結構相似，而外（wài）貼式大多是通過陶瓷表麵金屬化技術將（jiāng）電*貼在（zài）測（cè）量管外。
1. 2非滿管軟化（huà）水（shuǐ）流（liú）量計
普（pǔ）通的軟化水流量計隻能測量滿管流的流量，而很多情況下由於（yú）流量流速很快，有時充不滿管道，普通的（de）軟化（huà）水流量計不（bú）能適用，因（yīn）此希望軟化水流量計能夠進行非（fēi）滿管流量的測量。目前市麵上常見的非（fēi）滿管軟化水流量計有下麵幾（jǐ）種。
①多電*式非（fēi）滿管（guǎn）軟化水流量計5。其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（mǎn）管電*。在滿管情況下，該流量計與普通的軟化水流量計的功能（néng）相（xiàng）同，滿（mǎn）管（guǎn）情況下流體的橫截（jié）麵積是固定的，此時（shí）計算流量值隻需要（yào）測量流體的流速即可。當流體非滿管時，滿管電*檢測到管道非滿狀態，利用（yòng）算法修正測（cè）量值，此時流量計的測量方式改成測（cè）量流體流速（sù）和液麵高度。信號注人電*與在不同位置的三對測量電*共同工作，用於測量液位麵的高度和流體的速度。多電*式非滿管軟化水流量計（jì）結構簡圖如圖3所示。

②電容式非滿管（guǎn）軟（ruǎn）化水流量計h。電容式（shì）非滿管軟化水流量計結構簡圖如圖4所示。、檢測信號電*  發送信號電
圖4電容式非滿管軟（ruǎn）化水流量計結構簡圖

電容式（shì）非滿管軟化水流（liú）量計就是利（lì）用液位的變化使得電容的（de）*距發生變化，通過測量發送電*和檢測電*之間的電容藕（ǒu）合值即可測量流量值。   
③利用阻（zǔ）抗（kàng）或（huò）信號衰減研（yán）製的非滿管軟化水流量（liàng）計。這種結構的非滿（mǎn）管軟化（huà）水流（liú）量計是當前（qián）國內研究的方向之一7。其結構是流（liú）量管底部貼一（yī）對信號發射電*，在流量管中間貼信號接收電*。由於信號在流（liú）體中傳播會產生衰減，且傳播（bō）時間越長，衰減（jiǎn）越多，因此通過信號接收電*接收到的信號衰減量即可得知液麵高度;同時該電（diàn）*還（hái）能（néng）測量流體切割（gē）磁感（gǎn）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（mǎn）管軟化（huà）水流（liú）量計結構簡圖如圖5所示。   

④智能化非滿管軟化水流量計。這種流（liú）量計是（shì）軟化水流量計智能化發展的方向之一。使用兩種接法不（bú）同的勵（lì）磁線圈，應用權重函數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（jiāng）玉林、丁文（wén）斌改進（jìn）了（le）權重（chóng）函數（shù）與感應電勢的計算方法夥對於非（fēi）滿管流量計來說，由於其流體分布與普（pǔ）通的軟化水流（liú）量計不同，因此其權重函數也不同，衛開夏、李斌在非滿管（guǎn）的情況下對其權重函數進行有限元數值分析，得到不同液（yè）麵下的權重（chóng）函數9。   
除此之外還有其他功（gōng）能的軟化水流（liú）量計，例如改變信息傳（chuán）輸（shū）通道將（jiāng）信號線與電源線串（chuàn）在一起的二進製軟化水流量計、用於測量渠道的潛水軟化水流量計、為了降低功耗並提高勵磁效率和靈（líng）敏度而設計的（de）異徑軟化水流量計’。、用於油水兩相流流量測量的分流式軟化水流量計”以及其他軟化水流（liú）量計。
2、勵磁方式（shì）的優化   
勵磁方式的選擇影響了整個流量計係統的精度、能耗等參數。因此在軟化水流（liú）量計的結構確定之後，勵磁方式的選擇尤（yóu）為重要。勵磁方式可以分（fèn）為兩種基本形式，即采用交（jiāo）變磁場的形式(包括（kuò）正弦波勵磁、矩形（xíng）波勵磁、三值波勵磁和雙頻矩（jǔ）形波勵磁)和采用恒定（dìng）磁場的形式(包括直流電源勵磁和永磁體勵磁)’2。
2.1交變磁場勵磁   
工頻正弦波是*早應用於軟化水流量計中的勵磁方式’3，其測量速度快，受電化學反應影響小（xiǎo），但是由於頻率高，容易因（yīn）為（wéi）渦（wō）流產生同相噪聲且微分噪（zào）聲補償困難，零點容易漂移。低頻矩形波勵磁具（jù）有實現簡單、零點穩定、抗工頻幹擾等優點而成為流量（liàng）計（jì）廠商（shāng）主要采用的勵磁方式（shì）’4。
隨著實際生產應（yīng）用中對流體測（cè）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（xiào）克服漿液噪聲、流動噪聲等（děng）幹（gàn）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’5一’6。國（guó）內還沒有（yǒu）廠家（jiā）能夠提供擁有自主產權的產品（pǐn），相關的文獻也很少。雖然雙頻矩形波勵磁兼具高頻測量速度快和低頻穩定性好的優點，且對流動噪聲不敏感，但是（shì）由於需要執行複雜（zá）算法，會增加功（gōng）耗。劉（liú）鐵（tiě）軍、宮通（tōng）勝在雙頻勵磁研究的基礎上對其進行了改進，並（bìng）提（tí）出一種時分雙頻勵磁的方法。該方（fāng）法（fǎ）在兼顧了低頻高頻優點的同時，又能夠在很寬的測量範（fàn）圍（wéi）內實現流量（liàng）的（de）高精度測量（liàng）’7。
2. 2恒定（dìng）磁（cí）場勵（lì）磁   
相對於交變磁場勵（lì）磁方式來說（shuō），恒定磁場勵（lì）磁的（de）方式實現起來更加簡單，受工頻幹擾影響小，而且使用恒定磁場（chǎng）勵磁可以簡化傳感器結構’2。   
恒定磁場勵磁（cí）*關鍵的問題就是電化學及其他因（yīn）素會在軟化水流量計測量（liàng）電*上產生嚴重的*化現象，導致測量電*兩端產生*化電壓。*化電壓過大，則會淹沒測量信號（hào）產生的（de）感應電動勢。而交變磁場勵磁可以通過不斷變換勵（lì）磁的方向來消除電*表麵*化現象，因此，目前國內外軟化水流量計（jì）大多采用交變磁場勵磁。恒定磁場勵磁方式應（yīng）用於導電率（lǜ）*高、流體內（nèi）阻*小、而又不產生*化效（xiào）應的液態金屬的流（liú）量測量中。   
為了克服電*表麵*化（huà）現象，目前采用的方（fāng）法可分為以下兩種。
①從*化電壓的原理出發，分析兩（liǎng）個電*上（shàng）*化電（diàn）壓的相關性，從根本上消除*化電壓的影響，如差分對比消除*化電壓法。但是由於*化（huà）電壓影響因素多，且其隨機性遠遠大於反映流量信號的感應電（diàn）動勢，所以其（qí）消除*化的效（xiào）果並不（bú）理想。
②另一種是避開*化電壓的原理，設法在不（bú）影（yǐng）響流體感應信（xìn）號測量的情況下，將*化電壓控製在一個穩定的值，如繼電器電容反饋抑製*化法’2。浙江大（dà）學提出了一種新的方（fāng）法，該方法是利用在電*上施加（jiā）快速變化的交變電場來抑製*化電壓，且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（de）方法，即（jí）對測量電*進行等電量動態（tài）跟蹤反饋的方法（fǎ）來（lái）消除磁鋼勵磁軟化水流量計的電**化問題’8。目前，這種方法是當前恒磁磁場勵磁方法（fǎ）研（yán）究的焦點。
3、信號處理方法的改良
軟化水流（liú）量計通過采集一段時間（jiān）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地會摻雜（zá）各種（zhǒng）幹擾（rǎo）信號，因此對信號的檢測處理方式（shì）的改良就顯得尤（yóu）為重（chóng）要（yào）。
3.1普（pǔ）通軟化水流（liú）量計信號處理   
信號的檢測處理實際上就是對信（xìn）號進行放大、采集與幹擾抑製。信號方麵的（de）研究主要集中在幹擾的抑製上。軟化水流量計的幹擾主要包括*化電壓（yā）的幹擾、工頻幹擾、電化學幹擾、流體碰撞幹（gàn）擾（rǎo）、微分幹擾、零點漂（piāo）移等。除（chú）此以外，部分研究發現流體的不對稱流動’9。電*和勵磁線圈的不（bú）對稱也（yě）會產生相應的測量誤差zo。國內許多機構在這些方麵作了很多的研究，如上海大學提（tí）出的一種反饋式信（xìn）號放（fàng）大處理方法’8，采（cǎi）用矩形波勵磁來克服*化電壓、工頻帶來的幹擾2，，利用增加勵磁頻率（lǜ）或改變（biàn）勵磁方式（shì），克服電化學（xué）幹擾和流體碰撞管（guǎn）道時產生的幹擾zz。周真、王（wáng）強等人通過（guò）對流量計*間信號進（jìn）行建模（mó）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整抑製低頻漂移產生的幹擾za，利用數模混合（hé）*優濾波法（fǎ）消除微分幹擾25。對於恒磁（cí）勵（lì）磁方式來說，幹擾主要來源於*化電（diàn）壓幹擾以及零點漂移幹擾，消除零點漂移幹擾（rǎo）的方（fāng）法有電容（róng）隔離法、反（fǎn）饋式信號（hào）處理（lǐ）方法和三次采樣消除零（líng）點漂移法等。石冰鑫、李景雲公布了一項利用光電傳輸信號的軟化水（shuǐ）流量計（jì），可（kě）以有效（xiào）降低傳輸過程中的幹擾。
3. 2電容式軟化水（shuǐ）流量（liàng）計信號處（chù）理   
普通軟化水流（liú）量（liàng）計的電*部分是以金屬導體與被測液體接觸，而流體流（liú）動時會對電*產（chǎn）生碰撞（zhuàng）噪聲。後來研發的電容式軟化水流量計使（shǐ）電*部分不與被測流體直接接觸（chù），而是透過管壁與流體的（de）感應電動勢產（chǎn）生感應，從根本上解決了雜（zá）散噪（zào）聲的問題ze。但是由於藕合電（diàn）容的容抗是電容式軟化水流量計的主要信（xìn）號內阻，其藕合電容值很小（xiǎo），而內阻很大，測量得到（dào）的信號信噪比會很小。為了獲取較高的信（xìn）噪比，必須使用高輸人阻抗的前置放大器和高共模抑製比（bǐ）的差動放大器，進（jìn）行信號的阻抗轉換和放大。   
目（mù）前，信號檢（jiǎn）出方法有兩（liǎng）種:直接檢測感（gǎn）應電壓（yā）與通過“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來計算電容，*後通（tōng）過微分得出電流值。此方法可（kě）從根本上消除（chú）電容泄漏電流的（de）影（yǐng）響（xiǎng），但（dàn）是這種方法受藕合電容值變化（huà）的（de）影（yǐng）響較大，而且電路複雜，一般較少（shǎo）采用（yòng）。   
盧國（guó）峰、王保良等（děng）人引人了互相關檢測方法。互（hù）相（xiàng）關檢測方法是基於互相關函數同頻相關（guān），不同（tóng）頻不（bú）相關的性（xìng）質，通過互相（xiàng）關運算，達到濾出噪聲的效果。已知發送信號的頻率，就可在接收端（duān）發（fā）出相同頻（pín）率的參考信號，與混亂信號（hào）進行相關即可提取（qǔ）出微弱的測（cè）量（liàng）信號。在後續的數據（jù）處理當中，他們使用了基於相關檢測原（yuán）理的（de）旋轉（zhuǎn）電容濾波（bō）器。這種電路抗幹擾能力很強，有很高（gāo）的信噪比za。  
由於智能軟化水流（liú）量計的出現，越來越多的信（xìn）號處理技術不再是單純的電路式濾波，而更多地使用軟件濾波，比如可以利用Matlab對信號進行在線處理，以有效地（dì）降低幹擾（rǎo）29 -30，或利用小（xiǎo）波變換對信號進行處理以抑製幹擾（rǎo）3等。
4、流量（liàng）計的智能化   
隨著微處理（lǐ）器的發展，軟（ruǎn）化水流量計也（yě）在朝著（zhe）智（zhì）能化方向發展。其智能化（huà）方向可（kě）分為信號（hào）處理智能化和控製智能化（huà），兩者共同（tóng）作用（yòng）構成了智（zhì）能軟化水流量（liàng）計。其（qí）主要技術包括（kuò）軟（ruǎn）件技術、自診斷功（gōng）能、程控放大器技術、微（wēi）處理器抗幹擾技（jì）術等。   
軟件（jiàn）技術是信號（hào）處理智能化的標誌，即通過軟件來控製軟化水流量計的整個（gè）工作過程。數字濾波、非（fēi）線性擬（nǐ）合、零點自校正是（shì）較常（cháng）見（jiàn）的技術。數字濾波（bō）能夠完成模擬濾（lǜ）波不能完成的濾波功能，例如:脈衝幹擾剔除（chú）、數字電路毛刺幹擾消除、A/D轉換器的抗工頻以及確保輸人微處理器數字的可靠性32。另外，數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（fèn）離漿液流（liú）體當中的流量信號、漿液信號33和利（lì）用陷波濾波（bō）器組的（de）信號（hào）處理方法等34。   
軟化水流量計是無阻擾測量，其測量電*與流體接觸後容易發（fā）生磨損、腐蝕、結垢等現（xiàn）象，這些（xiē）現（xiàn）象會*大地影響軟化水流量計的測量精度。為了（le）便於拆卸維護，軟（ruǎn）化水流量計增加了自診斷功（gōng）能（néng）。其功能越來越多，相繼添（tiān）加了信號線性度、勵磁電路的完整（zhěng）性和準確性(包括勵磁線（xiàn）圈電阻和勵磁電流)、監控（kòng）和診斷（duàn）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（tǐ）顆粒（lì）含量等35)。隨（suí）後出現一種無需改變（biàn）軟化水（shuǐ）流量計結構就能進行勵磁電流異常的自（zì）診斷技術36   
程控放大器技術（shù）能夠實現軟（ruǎn）化水流（liú）量計量程的自動轉換，同時利用增益（yì）控製方法能有效削弱微分幹擾峰值使放（fàng）大器過載的問題，便於流量信號電勢處理，提（tí）高抗（kàng）微分幹擾的能力（lì）。   
以往的抗幹擾技術解決了輸人與輸出之間的（de）各種幹擾問題，但是當軟化水（shuǐ）流量計引人智能係統後，來自微處理器的各種幹擾同樣（yàng）會影響測量結果的精度，甚至會導致（zhì）整個流量測量（liàng）係統跑飛或崩潰（kuì）。目前，國內外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（kàng）幹擾方法有:軟件指令冗餘措施、軟件陷阱抗幹擾方法、軟（ruǎn）件“看門狗”技術等。純粹（cuì）的軟件抗幹（gàn）擾會浪費大量的CPU功率，所以先使用硬件來消除大（dà）部分幹擾。常用的硬件抗幹（gàn）擾（rǎo）有:光電隔離（lí）器、接地技術、掉（diào）電保護技術等。
5、結束語   
近（jìn）年來，軟化水流量計隨著需求的增加不斷發展。在諸多的軟化（huà）水流量計技術發展當中，作者認為未來的軟化水（shuǐ）流量計（jì）發展仍然以勵磁（cí）優化、信號處理技術為主（zhǔ），同時軟（ruǎn）化水流量計將不斷添加各種智能化的（de）功能以應對更多、更複雜的測量環境。

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