未來生活汙水流量計測量技術（shù）的發展方向及趨勢

流（liú）量計是利用物理原理實現對一（yī）段時間內流體流量測量的儀器。 其有結構簡單、寬量程（chéng）、耐腐蝕等優點，被廣泛應用於石油及城市排汙等（děng）髒（zāng）汙流（liú）體環境中（zhōng），是當前（qián）*受歡迎的流量（liàng）計品種之一。生活汙水流量計（jì）的理（lǐ）論產生於20世紀20年代。當代電流量計大多以計算機技術為基礎，其功能隨著計算機的信息（xī）處理能力、存儲能力、運算能力和計算機的控製功能的（de）增強而增強。生活汙水流量計技術革新（xīn）的四個方向值得關注:生活汙水流量計的結構、生活汙水流（liú）量計的勵（lì）磁方式、生活汙水流量（liàng）計的信號處理技（jì）術以及生活（huó）汙水流量計的智（zhì）能化等。生活汙水（shuǐ）流量計（jì）的精度關係（xì）到計量的準確性（xìng）。本文以生活汙水流量計的發展曆（lì）史（shǐ）為線索，分析了生（shēng）活汙水（shuǐ）流量計的四個發展方向，即生活汙水流量計的結構、生活汙水流量計的勵磁為一式、生活汙水流量計的信號處理為一（yī）式（shì）、生活汙水流量計的智能化為線索，總結生活（huó）汙水流量計的發展曆程並分析其發展趨（qū）勢。對生活（huó）汙水流量計的技術進行了詳（xiáng）細說明，介紹了每種技（jì）術的大致趨勢並列舉了近年來該方向所產生的*新（xīn）技術，闡述了當前流量計技術發展的現狀以（yǐ）及未來的發展方向。在（zài）分析新興技術的基礎上，總結出生活汙水流量計未來的發展趨勢。在智能化技術（shù）不斷發展和完善的新時期，未來生活汙水（shuǐ）流量計仍以勵磁優化（huà）、信號處理技術為主，同時又（yòu）不斷改（gǎi）變生活汙水流量計的結構，以適應越來越複雜的測量環境和（hé）滿（mǎn）足測量要求（qiú）個性化的趨勢。
1、生（shēng）活汙水流量計結構（gòu）
生活汙水流量計是利用電（diàn）*與流體構成一個回路來測量回（huí）路（lù）中（zhōng）產生的電（diàn）參數。傳統生活汙水流量計測（cè）量（liàng）原理如（rú）圖1所示。電磁線圈在直徑為d、橫截（jié）麵積為A的管道中產生一個磁（cí）場（chǎng）強度為B的（de）磁場（chǎng）。當有（yǒu）流體經過時會切割磁感（gǎn）線而產生感應電動勢U，測量電*接收中:口為流（liú）量;k為修正係（xì）數。

由於（yú）傳統的生活汙水流量計無法（fǎ）測量低電導率的流體，且（qiě）對摩擦、粘（zhān）附效應（yīng）敏感（gǎn），隻能測量（liàng）流體滿管情況等，因此需要改變其結構（gòu），使其能夠適應（yīng）更複雜的環境。改變生活汙水流量計結構的主要方法是改變電*的數量和位置，從而形成（chéng）電容生活汙水流量計、非滿管生活汙水流量計等。
1.1電容生（shēng）活汙水流量計
電容式生活汙水流量計從根本上（shàng）解決了電*表麵附著、腐蝕、摩擦等（děng）問題4，其（qí）電*與被（bèi）測（cè）流體間有絕（jué）緣襯裏隔離，或者（zhě）直接采用絕（jué）緣（yuán）測量管。電*置於測量管外麵或鑲嵌於測量管內部（bù）3。嵌人式（shì）生活汙水流量計和外貼式（shì）生活汙水流量（liàng）計的結構如圖2所示。

電*與被（bèi）測流體（tǐ）通過（guò）絕緣管形成檢測電容，通過此電（diàn）容來藕（ǒu）合流量信號。其主要的結構形式按照電*的安裝位置（zhì）可（kě）以分為兩種:電*嵌人（rén）測量管的絕緣襯裏內部(嵌人式)、電*貼在測（cè）量管外（wài）部(外貼式)。嵌人式結構與普通生活汙水流量計結構相似，而外貼式大多是通過陶（táo）瓷表麵金屬化技術將（jiāng）電*貼在（zài）測量管外。
1. 2非（fēi）滿管生活汙水流量計
普通的生活汙水流量計隻能（néng）測量（liàng）滿管流的流量，而很多情況下由於流量（liàng）流速很快（kuài），有時充不滿管道，普通的生活汙水流量計（jì）不能適用，因此希望生活汙水流量計能夠進行非滿管流（liú）量的測量。目前市麵上常見的非滿管生活汙水流量計有下麵幾種。
①多電*式非滿管生活汙水流量（liàng）計5。其底部（bù）是一對信號注人電*，中（zhōng）間有（yǒu）多對測量電*，頂端有（yǒu）一個滿管電*。在（zài）滿管情況下，該流量計與普通的生活汙水（shuǐ）流量計的功能相（xiàng）同，滿管情況下流體的橫截麵積是固定的，此時計（jì）算流量值隻需要測量流體的流速即可。當（dāng）流體（tǐ）非滿管時，滿管電（diàn）*檢測到管道非滿狀態，利用算法修正測量值，此時流量計的測量方式改成測量流體流速和液麵（miàn）高度。信號（hào）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（sù）度（dù）。多電*式非滿管生活（huó）汙水流量計結構簡圖如圖3所示（shì）。

②電容式非滿管生活汙水流量計h。電容式非滿管生活汙水流量計結構簡圖如圖4所示。、檢測（cè）信號電*  發送信號電
圖4電（diàn）容式非滿管生活汙（wū）水流量計結構簡圖

電容式非滿管生活（huó）汙水流（liú）量計（jì）就是利用液位的變化使得電（diàn）容的*距發生變化（huà），通過測量發送電*和檢測電*之間的（de）電容藕合值即可測量流量值。  
③利用阻抗或（huò）信號（hào）衰減研製的（de）非滿管（guǎn）生活汙水流量計。這種結構的非滿管（guǎn）生活汙水流量計是當前國內研究的方向之一7。其結構是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*。由於信號在流體（tǐ）中傳播會產生衰減，且傳播時間越長，衰減越多，因此（cǐ）通過信號接收電*接收到的信號衰減量即可得知液麵高（gāo）度;同（tóng）時該電（diàn）*還能測量流體切割磁感線產生的電動勢，以此達到測量非滿管流量的目的。阻抗式或信號衰減非滿管生活汙（wū）水流量計結構簡圖如圖5所示（shì）。  

④智能化非滿管生活汙水（shuǐ）流量計。這（zhè）種流量計是生活汙水流量計智能化發展的方向之一。使用（yòng）兩種接法不（bú）同（tóng）的勵磁線圈，應（yīng）用權重（chóng）函數與幾何位置有（yǒu）關的原理，建立液位的函數關係（xì），*後通過在線計算求取液位。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（lái）說，由於其流體（tǐ）分布與普通（tōng）的生活汙水（shuǐ）流量計不同（tóng），因此其權重函數也不同，衛（wèi）開夏、李（lǐ）斌在非滿管的情況下對其（qí）權重函數進行有限元數值（zhí）分（fèn）析，得到不同（tóng）液麵下的權重函數9。  
除此之外還有其他功能的生活汙水流量計，例如改變信（xìn）息傳輸通道將信號線與電源線串在一（yī）起的二進（jìn）製生活汙水流量計、用於測量渠道的潛（qián）水生活汙水（shuǐ）流量計、為了降低功耗並（bìng）提高（gāo）勵磁效率和靈敏度而設計的異徑生活汙水流量計’。、用於油水兩相流流（liú）量測量的分流式生活汙水流（liú）量計”以及其他生活汙水流量計。
2、勵（lì）磁方式（shì）的優化  
勵磁方式的選（xuǎn）擇影響（xiǎng）了整個流量計係（xì）統（tǒng）的精度、能（néng）耗等參數。因（yīn）此在生活汙水流量計（jì）的結構確定之後（hòu），勵磁方式的（de）選擇尤為重要。勵磁方式可（kě）以分為兩種（zhǒng）基本形式，即采用交變磁場的形式(包括正弦波勵磁、矩形波勵磁、三值波勵磁和（hé）雙頻矩（jǔ）形波勵磁)和采用（yòng）恒定磁場的形式（shì）(包括直流電源（yuán）勵（lì）磁和永磁體勵磁)’2。
2.1交變磁場勵磁  
工頻正弦波（bō）是*早應用於生活汙水流量計中的勵磁方式’3，其測（cè）量速度快，受電化學反應影響小，但是由於頻率高（gāo），容（róng）易因（yīn）為渦流產生同（tóng）相噪聲且（qiě）微分（fèn）噪聲（shēng）補償困難（nán），零點容易漂移（yí）。低頻矩（jǔ）形波勵（lì）磁具有實現簡單（dān）、零點穩定、抗工頻幹（gàn）擾等優點而成為流量計廠商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（sù）度和對漿液測量（liàng）精度要求的提高，低（dī）頻勵磁已不能滿（mǎn）足要求，於是國（guó）外提出高頻方波勵磁和（hé）雙頻（pín）矩（jǔ）形波勵磁。高頻方波勵磁或雙頻矩（jǔ）形波勵磁雖能（néng）有效克服漿液噪（zào）聲、流動（dòng）噪聲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’5一’6。國內（nèi）還（hái）沒有廠家能夠提供擁有自主產權的產（chǎn）品，相關的文獻也很少。雖然雙頻（pín）矩形波勵磁兼具高頻測量速度快和低頻穩定性好的優（yōu）點，且對流動噪聲不敏感，但是由於（yú）需要執（zhí）行複雜算法，會增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵磁（cí）研究的基礎上對其進行了改進，並提出（chū）一種時分雙頻勵磁的方（fāng）法。該（gāi）方法在兼顧了低頻高頻優點（diǎn）的同時，又能夠在很（hěn）寬的測量範圍內實現流量（liàng）的高精度測量’7。
2. 2恒定磁場勵磁  
相對於交變磁場（chǎng）勵（lì）磁方式來說，恒（héng）定磁場勵（lì）磁的方式實現起來（lái）更加簡單，受工頻幹擾影響小（xiǎo），而且使用恒定磁場勵磁可以簡化傳感器結構’2。  
恒定磁場勵磁*關鍵的問（wèn）題就是電化學及其他因素會在生活汙水流量計測量電（diàn）*上產生嚴（yán）重的*化現象，導致測量電*兩端產生*化電壓。*化電壓過大（dà），則會淹沒測量信號產生的感應電動勢（shì）。而交變磁（cí）場勵磁（cí）可以（yǐ）通過（guò）不斷（duàn）變換勵磁的方向來消除電*表麵*化現象，因此，目（mù）前（qián）國內外生（shēng）活汙水流量計大多采用交變磁場勵磁（cí）。恒定（dìng）磁場（chǎng）勵磁方式應用於導電率*高（gāo）、流體內阻（zǔ）*小、而又不產生*化效應（yīng）的液態（tài）金（jīn）屬（shǔ）的流量測量中。  
為了克服電*表麵*化現象，目前采用的方法可（kě）分為以（yǐ）下兩種。
①從*化電壓的原理出發，分（fèn）析兩個電*上*化電壓的相關性，從（cóng）根（gēn）本上消（xiāo）除*化電壓的（de）影響，如差分對比消除（chú）*化（huà）電壓（yā）法（fǎ）。但是由於*化電壓影響因素（sù）多，且其隨機性遠遠大於反映流量信（xìn）號的感應電動勢，所（suǒ）以其消除*化的效果並不理想。
②另一種是避開（kāi）*化電壓的原理，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，如繼電器電容反饋（kuì）抑製*化法’2。浙江大學提出了一種新的方法，該方法是利用在電*上施加快速變（biàn）化的（de）交變電場來抑製*化電壓（yā），且（qiě）此交變電場（chǎng）隻在非采樣時間（jiān）段內激發。上海大學提出了另外（wài）一種反饋的方法，即對測量電*進行等電量動態跟蹤反饋的（de）方法來消除磁鋼（gāng）勵（lì）磁生活汙水流量計的電**化問題’8。目前，這種方（fāng）法是當前恒磁磁場勵磁方法研究（jiū）的焦點。
3、信號處理方法（fǎ）的改良
生活汙水流量計通過采集一段時間內的電信號來達到測量流量的目的，這樣在（zài）測量過程中不可避免地會摻雜各種幹擾信（xìn）號，因此對信號的檢測處理方式的改良就顯得尤為重要。
3.1普通生活汙水流量（liàng）計信號處理  
信號的（de）檢測（cè）處理（lǐ）實際上就是對信號進行放大、采集與（yǔ）幹擾抑製。信號方麵的研究（jiū）主要集中在幹擾的抑製（zhì）上。生活汙水流量計的幹擾主要包括*化電壓的幹擾（rǎo）、工（gōng）頻幹（gàn）擾、電化學幹擾、流體碰撞幹擾、微分幹（gàn）擾（rǎo）、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*和（hé）勵磁線圈的不對稱也會產生相應的測量誤差zo。國（guó）內許多機（jī）構在這些方麵作了很多的研究，如上海大學提（tí）出的一種反饋式信號放大處理方法’8，采用矩形波勵磁（cí）來克（kè）服*化電壓、工頻帶來的幹（gàn）擾2，，利用增（zēng）加勵磁頻率（lǜ）或改變勵磁方式，克服電化學幹擾（rǎo）和（hé）流體碰撞管（guǎn）道時產生的幹擾zz。周真、王（wáng）強等（děng）人通過對流量計（jì）*間信號進行建模來分（fèn）離幹擾信號和流量信號23，采（cǎi）取提前確定闌值來進行偏置調整抑製（zhì）低頻漂移產生的幹擾za，利用數模混合*優濾波法（fǎ）消除微分幹擾25。對於（yú）恒磁勵磁（cí）方式來說（shuō），幹擾主要來源於*化電壓幹擾以及零（líng）點漂移幹擾，消除（chú）零點（diǎn）漂（piāo）移幹擾的方（fāng）法有電容隔離法、反饋式信（xìn）號處理方法和三次采（cǎi）樣消（xiāo）除零點漂移法等。石冰鑫、李景雲公布了一項（xiàng）利用光（guāng）電傳（chuán）輸信號的生（shēng）活汙水流量（liàng）計，可以有效降低傳輸過程中（zhōng）的幹擾。
3. 2電容式生活汙水流（liú）量計信號處理  
普通（tōng）生活汙水流量計的電*部分是以金屬導體與被測液體接觸，而流體流動時會對電*產生碰撞噪聲。後來研發的電容式生活汙水流量計使電*部分不與被測流（liú）體（tǐ）直接接觸，而是透過管壁與（yǔ）流體的感應電動勢產生感應，從根本（běn）上解（jiě）決了雜散噪聲的問題ze。但是由於藕合電容的容抗是電容式生活汙水流量計的主（zhǔ）要信號內阻，其藕合電容值很小，而內阻很大，測量得到的信（xìn）號信噪比會很小。為了獲取較高的信噪比，必須使用高輸人阻抗的前置放大器和高共模抑製比的差動放大器，進（jìn）行信號的阻抗轉換和放大。  
目前，信號檢出方（fāng）法有兩種:直接檢測感應電（diàn）壓（yā）與通過“虛地”來檢測電流法。電壓檢（jiǎn）測法技術成熟，但是受（shòu）流體因素（sù）影（yǐng）響大。檢測電流法通過“虛地”與合（hé）適的電阻值來獲（huò）得高電勢，通過口= CE來計算電容，*後通（tōng）過微分得出電（diàn）流（liú）值。此方法可從根本上消除電容泄漏電流的影響，但是這種方（fāng）法受藕合電容值變化的影響較大，而且電路複雜，一般較少采（cǎi）用。  
盧國峰、王（wáng）保良等人引人了（le）互相關檢測（cè）方法。互相關檢測方法是基於互相關（guān）函數同頻相關，不同頻不相關的性質，通過互相關運算，達到濾出噪聲的效果。已知發送（sòng）信號的頻率，就可在接收端發出相（xiàng）同頻率的（de）參考信號，與混亂信號進行（háng）相關即可提取出微弱的測量信號。在後續的數據處理當中，他們（men）使用了基於相關檢測原理的旋轉電容濾波器。這種電路抗幹擾能力（lì）很強，有很高的信噪比za。 
由於智能生活汙水流量計（jì）的出現，越（yuè）來（lái）越多的（de）信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（rú）可以利用Matlab對信號進行在（zài）線處理，以有效地降低幹擾29 -30，或利（lì）用小波變換對信號進行處理以抑製幹擾3等。
4、流量計的智能化（huà）  
隨著微處理器的發展，生活汙（wū）水流量計（jì）也在朝著智能化方（fāng）向發展。其智（zhì）能（néng）化方向可（kě）分為信號處理智能化和控製智能化，兩者共同作用構成了智能生活汙水流量計。其主要技術包括軟件技術、自診斷功能、程控放大器技術、微處理器抗幹擾技術等。  
軟件技術是信號處理智能化的標誌（zhì），即通過（guò）軟件來控製（zhì）生活汙水流量計的整個工（gōng）作過程。數字（zì）濾波、非線性擬合、零點自校正是較常見的技術。數字（zì）濾波能夠完成模擬濾波不能完成的濾波功能，例如（rú）:脈衝幹擾剔（tī）除、數字電路毛刺幹擾消除（chú）、A/D轉換器的抗（kàng）工頻以及確保輸人（rén）微處（chù）理器數字的可靠性32。另外，數據在線分析與（yǔ）數據重構也是其研究方向之一，如利用小波變換分離漿液流（liú）體當中的流（liú）量信號、漿液信號33和利用（yòng）陷（xiàn）波濾（lǜ）波（bō）器組的信號處理方法等34。  
生活汙水流量計是無阻擾測量，其測量電*與流體（tǐ）接觸後容易發生磨損、腐蝕（shí）、結垢等現象，這（zhè）些現象（xiàng）會（huì）*大地影響（xiǎng）生活汙水流量計的測量精度。為了便於拆卸維護（hù），生（shēng）活（huó）汙水流量計增加了自診斷功能。其功能越來越（yuè）多，相繼添加了信號線性度、勵磁電路（lù）的完整性（xìng）和準確（què）性(包括（kuò）勵磁線圈電阻和勵磁電流)、監控和診斷流程和環境條件的（de）變化(如（rú）液（yè）體電導率是否變化，流體中氣泡和固體顆（kē）粒含量等35)。隨後出現一種無需改變生活（huó）汙水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（fàng）大（dà）器技術能夠實現生活汙水流量計量程的（de）自動（dòng）轉換，同時（shí）利用增益控製方法能有效削弱微（wēi）分（fèn）幹擾峰（fēng）值使放大（dà）器過（guò）載的問題，便於流（liú）量信號電勢處理，提高抗微分幹擾的能力。  
以往的抗幹擾技術解決了（le）輸人（rén）與輸出之間的各種幹擾問題，但是（shì）當（dāng）生活汙水流量計引人智能係統後，來自微處理器的各種（zhǒng）幹擾同樣會影（yǐng）響測量結果的精度，甚至會導致整個流（liú）量測量係統跑飛或崩潰。目前（qián），國內外常常（cháng）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（de）軟件抗幹擾方法（fǎ）有:軟（ruǎn）件指令冗餘措施、軟（ruǎn）件陷阱抗幹擾方法、軟件“看門狗”技術（shù）等。純粹的軟（ruǎn）件抗幹擾會浪費大量的CPU功率，所以先使用硬件來消除大（dà）部分幹擾。常用的硬件抗幹擾有:光電隔（gé）離器（qì）、接地技術（shù）、掉電保護技術等。
5、結束語  
近年來，生活汙水流量計隨著需求的增加不斷（duàn）發展。在諸多的生活汙（wū）水流（liú）量計技術發展當中，作者認為未來的生活汙水流量計發展仍（réng）然以勵磁優化（huà）、信號處理（lǐ）技術為主，同時生（shēng）活汙水流量計將不斷添加各種智（zhì）能化的功能以應對更多、更複雜的測量環境。

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