冷卻塔（tǎ）冷卻水流量（liàng）計的特點及未來四個方麵的發展趨勢

概述：     
近來年，隨著現代信息和數字（zì）化技術的迅（xùn）猛發展，以及（jí）人類在電子製造技術方麵的升級，各類電子儀器儀表的產品品質和可靠性以及功能性都得到了非常大的提升，本文所（suǒ）述的冷卻塔冷卻水流（liú）量計產品的升級換代也同樣（yàng）見證著這樣一個過程。冷卻塔冷卻水流量計是一種被廣泛應用在各類石化企業及城市供水、汙水處理等（děng）工程中，具有結構簡單、寬量程、耐腐蝕等（děng）優（yōu）點。冷（lěng）卻塔冷卻水流量計的精度是體現（xiàn）冷卻塔冷卻水流量計產品品質的一個關鍵性的指標，與測（cè）量結果的準確性密切相關。本文從冷卻塔冷卻水流量計的發展曆（lì）史出發（fā），對其四個發展方向作了一個較為深入的分析，這四個（gè）方（fāng）向表現在：冷（lěng）卻塔冷卻水流（liú）量計的結構、冷卻（què）塔冷卻水（shuǐ）流量計的勵（lì）磁方式、冷卻塔冷卻水流（liú）量計的信號（hào）處理（lǐ）方式、冷卻塔冷卻水流量計的智能（néng）化技術。這四個方麵當前的技術發展現狀以及未來的發展方向如何，冷（lěng）卻塔冷卻水流量計（jì）的未來的發趨勢怎樣，本文都有（yǒu）涉及。在智能化技術不斷發（fā）展和完善的**，未來冷卻塔冷卻水流量計仍以勵磁優化、信號（hào）處理技術為主，同時又不斷（duàn）改變冷卻塔（tǎ）冷卻水流量計（jì）的結構，以適應越來越複雜的測量環境和滿足測量要求（qiú）個性化的趨勢。
一、引言
流量計是利用物理（lǐ）原理實現對一段時間內流體流（liú）量測量的（de）儀器。冷卻塔冷卻水流量計具有寬（kuān）量程、耐腐蝕、結構簡單等優（yōu）點川，是當前*受歡迎的流量計品種（zhǒng）之一。冷卻塔（tǎ）冷卻水（shuǐ）流量計的理（lǐ）論產生於20世紀20年（nián）代[[21O當代冷卻塔冷卻水流量計大多以計算機技（jì）術為基礎，其功能隨著（zhe）計算機的信息處理能力、存（cún）儲能力、運算能（néng）力和計算機的控製功能的增強而增強（qiáng）。冷卻塔（tǎ）冷卻水流量計技術革新的（de）四個方向值得關注:冷（lěng）卻塔冷（lěng）卻水流量計的結構、冷卻（què）塔冷卻水流量計的勵磁方（fāng）式、冷卻塔冷卻水流量計的信號處理技術以及冷卻塔冷卻水流量計的智能化等。本文以此為線索，總結冷卻塔冷卻水流量計的發展（zhǎn）曆程並分析其發（fā）展趨勢。
二、冷卻塔冷（lěng）卻水（shuǐ）流量計（jì）結構（gòu）
冷卻塔冷卻水流量計是利用電*與流體構成一個回路來測量（liàng）回路（lù）中產生的電參數。傳統冷（lěng）卻塔冷卻水流量計測量原理（lǐ）如圖1所示。電磁線圈在直徑為d、橫截麵積為A的管（guǎn）道中產生一（yī）個磁場強（qiáng）度為B的（de）磁場。當有流體經過時會切割磁（cí）感線而產生感應電動勢U，測量電*接收（shōu）電動勢信號。由公式Q=(1/k)*(UA/Bd)可計算其流量。式中:Q為流量;k為修正係數。

由於傳統的冷卻塔冷卻水流量計無（wú）法測量低電導率（lǜ）的流體，且（qiě）對摩擦、粘（zhān）附效應敏感，隻能測量流體滿管（guǎn）情況等，因此需要改變其結構，使其能夠（gòu）適應更複雜的（de）環境。改變冷卻塔冷卻（què）水流量計結構的主要方法是改（gǎi）變電*的數量和位置，從而形成電容冷卻塔冷卻水流量計（jì）、非滿管冷（lěng）卻塔冷卻水流量計等。
1.1、電容冷卻塔冷卻水流（liú）量計
電容式冷卻塔冷卻水（shuǐ）流量計從根本上解決（jué）了電*表麵附著、腐蝕、摩擦等問題，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*置於測量管外麵或鑲嵌於測量管內部。嵌人式冷卻（què）塔冷卻水流量計和外貼式冷卻塔冷卻水流（liú）量計的結構如圖2所示。

電*與被測流體通過絕緣管形成檢測電容，通過此（cǐ）電容來藕合流量信號。其主要的結構形式按照電*的安裝位置可以分為兩種:電*嵌人測量管的絕緣襯裏內部(嵌人式)、電*貼在測量管外部(外貼式)。嵌入（rù）式結構與普通冷卻塔冷卻水流量計結構相似，而外貼式大多是通過陶瓷表麵金屬（shǔ）化技術將電*貼在測量管外。
1.2非滿管冷卻塔冷卻水（shuǐ）流量（liàng）計
普通（tōng）的冷卻塔（tǎ）冷卻水流量計隻能測（cè）量滿管流的流量，而很多情況下由於（yú）流（liú）量流速很快，有時充不（bú）滿管（guǎn）道，普（pǔ）通的（de）冷卻（què）塔冷卻水流量計不能適用，因此希望（wàng）冷卻塔冷卻水流量計（jì）能夠進行非滿管流量的測量。目前市麵上常（cháng）見的非滿管冷卻塔冷卻水流量計有下（xià）麵幾種。
①多電*式非滿管冷卻塔冷卻水（shuǐ）流量計。其底部是一對信號注人電*，中間有多對測量電*，頂端有一個（gè）滿管電*。在滿管情（qíng）況下，該流量計與（yǔ）普通的冷卻塔（tǎ）冷卻（què）水流量計（jì）的功能（néng）相同，滿管情況下流體的橫截麵積是固定的，此時計算流量值隻需要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，利用算法（fǎ）修正測量值（zhí），此（cǐ）時流量計的測量（liàng）方式改成測量流體流速和液麵高度。信號注人（rén）電*與在不（bú）同位置（zhì）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（guǎn）冷（lěng）卻塔冷卻水流量計結構簡圖如圖3所示。

②電容式非滿管冷卻塔冷卻水流量計。電容式非滿管冷卻塔冷卻水流量計結構簡圖如圖4所示。

電容式非滿管冷卻（què）塔冷卻水流量計就是利用液位（wèi）的變化使得電容的*距發生變化，通過測量發送電*和（hé）檢測電*之間的電（diàn）容藕合值即可（kě）測量流量值。
③利用阻抗或信號衰減研製的非滿管冷卻塔冷卻水流量計。這（zhè）種結構（gòu）的非滿管冷卻塔冷卻水流量計是當（dāng）前國內研究的方向之一。其結構是（shì）流量管底（dǐ）部貼一（yī）對信號發射（shè）電*，在流量管中間貼信（xìn）號接收（shōu）電*。由於信號在流體中傳（chuán）播會產（chǎn）生衰減（jiǎn），且傳播時間越長（zhǎng），衰減越多，因（yīn）此通過信號接收電（diàn）*接收到（dào）的信（xìn）號衰減量即可（kě）得知液麵高度;同時該電*還能測量流體切割（gē）磁感線（xiàn）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冷卻塔冷卻水流量（liàng）計結構（gòu）簡圖如圖5所示。

④智能化（huà）非滿管冷卻塔冷（lěng）卻水（shuǐ）流量計。這種流（liú）量計（jì）是冷卻塔冷卻水流量計智能化發展的方向之一（yī）。使用兩種接法不同的（de）勵磁線圈，應用權重函數與幾何位（wèi）置有關的原理，建立液位的函數關係，*後通過在（zài）線計算求取液位。薑（jiāng）玉林、丁文斌改進了權重函（hán）數與感應電勢的計算方法。對於非滿管流量計來說，由於其流體分布與普通的冷卻塔冷卻水流量計不同，因此（cǐ）其權（quán）重函（hán）數也不同，衛開夏、李斌在非（fēi）滿管的情況下對其（qí）權重函數進行有限元數值分析，得到（dào）不同液麵下的權重函數。
除此之外還有其他功能的冷卻（què）塔冷卻水流（liú）量計，例如改變信息傳（chuán）輸通道將信號（hào）線與電源線串在（zài）一起的（de）二進製電
磁流量計、用於測（cè）量渠道（dào）的潛水冷卻塔冷卻水流量計、為了降低功耗並提（tí）高勵磁效率和靈敏度（dù）而設（shè）計（jì）的異徑冷卻（què）塔冷卻水流量計、用於油水兩相流流量測量的分流式冷卻塔冷卻水流量（liàng）計（jì）以及其他冷卻（què）塔冷卻水流量計。
三、勵（lì）磁方式的優化
勵磁方式（shì）的選擇影響了整個流量計係統的精度、能耗等參數。因此在冷卻塔冷卻水（shuǐ）流量計的（de）結構確定之後，勵磁（cí）方式的選擇尤為重要（yào）。勵磁方式可以分（fèn）為兩（liǎng）種（zhǒng）基本形式，即采用交變磁場的形式(包括正弦波勵（lì）磁、矩形波（bō）勵磁、三值波勵磁（cí）和雙頻矩形波勵磁)和采用恒定磁場的形式(包括直（zhí）流電（diàn）源勵（lì）磁（cí）和永磁（cí）體勵磁。
2.1 交變磁場勵磁
工頻正弦（xián）波是*早應用於冷卻塔冷卻（què）水流量計中的勵磁方式，其測量速度快，受電化學反（fǎn）應影響小，但是由於（yú）頻率高，容易因為渦流產生同相噪聲（shēng）且微分噪聲補償困難，零點容易（yì）漂移。低頻矩形波勵磁具有實現簡單、零點穩定（dìng）、抗（kàng）工頻幹擾等（děng）優點而成為流量計廠商主要采用（yòng）的勵磁方式。
隨著實際生產應用中對流體測量速度（dù）和（hé）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（cí）和雙頻矩形波勵（lì）磁。高頻方波勵（lì）磁或雙頻矩形波勵磁雖能有效克服漿液噪聲、流動噪聲等（děng）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（wèi）披露。國內還（hái）沒（méi）有（yǒu）廠家能（néng）夠提（tí）供擁有自主產權的產品，相關的文獻（xiàn）也很少。雖然雙頻矩形波勵磁兼（jiān）具高頻測量速（sù）度快和低頻穩定（dìng）性好的（de）優點，且對流動噪聲不敏感，但是由於需要執行複雜算（suàn）法，會增加（jiā）功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵磁研究的基礎上對其進行了改進，並提出一種時分雙頻勵磁的（de）方法（fǎ）。該方（fāng）法在兼顧了低頻高頻優點（diǎn）的同（tóng）時，又能夠在很寬的測量範圍內實現（xiàn）流量（liàng）的高精度測量。
2.2恒（héng）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（jiā）簡單，受工頻幹擾影響小，而（ér）且使用恒定磁場（chǎng）勵（lì）磁可以簡化傳感器（qì）結構。
恒定磁場（chǎng）勵磁*關鍵（jiàn）的問題就是電化學及其他（tā）因素會（huì）在冷卻塔冷卻水（shuǐ）流量計測量（liàng）電（diàn）*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（méi）測量信號產生的感應電動勢。而交變磁場（chǎng）勵磁可（kě）以通過不斷變換勵磁的方向來消除電*表麵*化現象，因此，目前國內外冷卻塔冷卻水流量計大多采用（yòng）交變磁場勵磁。恒定磁（cí）場勵磁方式應用於導電率（lǜ）*高（gāo）、流體內阻*小、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（xiàng），目前采用的方法可分為以下兩種（zhǒng）。①從（cóng）*化電壓的原理出發，分析兩個電*上*化（huà）電壓的相關性，從根（gēn）本上消除*化電壓的影響，如差分對比消除*化電壓法。但是由（yóu）於*化電壓影響因素多，且其隨機性遠遠（yuǎn）大於反（fǎn）映（yìng）流量信號的感應電動勢（shì），所以其消除*化的效果並不理（lǐ）想（xiǎng）。②另一種是避開（kāi）*化電壓的原理，設法在不影響流體（tǐ）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，如繼電器電容反饋抑製*化法。浙江大學提出了一種（zhǒng）新的方法，該方法是利用在電*上施加快速變化的（de）交變電（diàn）場來（lái）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冷卻塔冷卻水流（liú）量計的電**化（huà）問題。目（mù）前，這種方（fāng）法是當前恒磁磁場勵磁方法研究的焦點。
四、信（xìn）號處理方法的改良（liáng）
冷卻塔冷卻（què）水流量計通過采集一段時間內的電（diàn）信號來達到測量流（liú）量（liàng）的目的，這樣在測量過程中（zhōng）不可避免地會摻（chān）雜各種幹擾信號，因此對信號的檢測處理方式的改良就顯（xiǎn）得尤為重（chóng）要。
3.1普（pǔ）通冷卻塔（tǎ）冷卻水流量計信號處理
信號的檢測處理實際上就是對信號進行放大（dà）、采集（jí）與幹擾抑製。信號方麵的研究主要集中在幹（gàn）擾的抑製上。冷卻塔冷卻水流（liú）量計的幹擾主要包括*化電壓的幹擾、工頻幹擾、電化（huà）學幹擾、流體碰撞幹擾、微（wēi）分幹擾（rǎo）、零點漂移等。除此以外，部分研究發現流體的不對稱流動。電（diàn）*和勵磁線圈的不對（duì）稱也會產生（shēng）相應的測量（liàng）誤差。國內（nèi）許多機構在這些方麵作了（le）很多的研究，如上海大學（xué）提出的一種反饋式信號放大處理方法，采用矩形波（bō）勵磁來克服*化電壓、工頻帶來的幹（gàn）擾，利用增加勵磁頻率（lǜ）或改變勵磁方式（shì），克服電化學幹擾和流體碰撞管道時產生的（de）幹擾。周真（zhēn）、王強等人通過對流量計*間信號進行建模來分離（lí）幹擾信號和流量（liàng）信號，采取提前（qián）確定IA值來進行偏置調整抑製低頻漂移產生的幹擾，利用數模混（hún）合*優（yōu）濾波法消除微分幹（gàn）擾。對於恒磁勵磁方式來說，幹（gàn）擾主要來源於*化電壓幹擾以及零點漂移幹擾，消除零點漂移幹擾的方法有電容隔離法、反饋式（shì）信號處理方法（fǎ）一和三次采樣消除零點漂移法等。石冰鑫、李景雲公布，了一項利用光電傳輸信號的冷卻塔冷卻（què）水流（liú）量計，可（kě）以有效降低傳輸過程中的幹擾。
3.2電容式冷（lěng）卻塔冷卻水（shuǐ）流量計信號處理
普通冷卻塔冷卻水（shuǐ）流量計（jì）的電（diàn）*部分是以金屬導體與被測（cè）液體接觸，而流體流動（dòng）時會（huì）對電*產（chǎn）生碰撞噪聲。後來研發的電容式（shì）冷卻塔冷卻水流量計（jì）使電*部（bù）分不與被測流體直接接觸（chù），而是透過管壁（bì）與流體的感應電（diàn）動勢產生感應，從根本上解決了（le）雜散噪聲的問題。但是由於耦合電容的容抗是電（diàn）容式冷卻塔冷卻水流量計的主要信號內阻，其藕合電容值（zhí）很小，而內（nèi）阻很大，測（cè）量得到的信號信噪（zào）比會很小。為了獲取（qǔ）較高的信噪比，必須使用高輸人阻抗的前置放大（dà）器和高共模抑製（zhì）比的差動放大器，進行（háng）信號的阻抗轉換和放大。
目前，信號檢（jiǎn）出方法有兩種（zhǒng）:直接檢測感應電壓與通過“虛地”來檢（jiǎn）測電流法。電壓檢測法技術成熟，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（tōng）過口= CE來計算電容，*後通過微分得出電流值（zhí）。此方法可從根本上消除（chú）電容泄漏（lòu）電流的影響，但是這種方法受耦合電容值變化的影響較大，而（ér）且電路複雜，一般較少采（cǎi）用。
盧國峰、王（wáng）保（bǎo）良等人引（yǐn）人了互相關檢測方法。互相關檢測方（fāng）法是墓於互相關函數同頻相關，不同頻不相關（guān）的（de）性質，通過互相關運算，達到（dào）濾出噪聲的效果。已知發送信號的頻（pín）率，就可在接收端發出相同頻率的參考信號，與混亂信號進行相（xiàng）關即可提取（qǔ）出微弱的測量（liàng）信（xìn）號。在後續（xù）的數據處理當中，他們使用了（le）基於（yú）相關檢測原理的旋轉電容濾波器（qì）。這種（zhǒng）電路抗幹擾能力很強，有很高的信（xìn）噪比。
由於智能冷卻塔冷（lěng）卻水流量計的出現，越來越多的信號處理技術不再是單純的電路式濾波，而更多（duō）地使用軟件濾波（bō），比如可以利用Matlab對信號進行在線處（chù）理，以有效地降低幹擾，或利用小波變（biàn）換對信號（hào）進行處理以（yǐ）抑製幹擾等。
五、流量計的智（zhì）能化
隨著微處（chù）理器的（de）發展，冷卻塔（tǎ）冷卻水流量計（jì）也（yě）在朝著智能化方向發展。其智能化方向可分為信（xìn）號（hào）處理智能化和控（kòng）製智（zhì）能（néng）化，兩者共同（tóng）作用構（gòu）成（chéng）了智能冷卻塔冷卻水（shuǐ）流量計。其（qí）主要（yào）技術包括軟件技術、自（zì）診斷功能、程控放大器技術、微處（chù）理器抗（kàng）幹擾技術等。
軟件技術是信號處理智能化的標誌，即通（tōng）過軟件來控製冷卻塔（tǎ）冷卻水流量計的整個工作過程。數字濾波、非線性擬（nǐ）合（hé）、零（líng）點自校正是較常見的技術。數字濾波能夠完成模擬濾波不能完成的濾波功能，例如:脈衝幹擾（rǎo）剔除（chú）、數字電路毛刺幹擾消（xiāo）除、A/D轉換器的抗工（gōng）頻以及確保輸人微處理器數字的可靠性。另外，數據在線分析與數據（jù）重構也是其研究方向之一，如利用小波變換分離漿液流體當中的流量信號、漿液信號和利用陷波濾波（bō）器組（zǔ）的信號處理方法等。
冷卻塔冷卻水流（liú）量計是無阻擾測量，其測量（liàng）電*與流體接觸（chù）後容易發生磨損、腐蝕、結垢等（děng）現象，這（zhè）些現象會*大地影（yǐng）響冷卻塔冷卻水流量計的測量精度。為了便於拆卸維護，冷（lěng）卻（què）塔冷卻水流量計（jì）增加了自診斷功能。其功能越（yuè）來越多，相繼添加了信號線性度、勵磁電路的完整性和準確性(包括勵磁線圈（quān）電阻和勵磁電流)、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（hé）固體顆粒（lì）含量等。隨後出現一種無（wú）需改變冷卻（què）塔冷（lěng）卻水（shuǐ）流（liú）量計結構就能進行勵磁電流異常的自診斷技術。
程控放大器技術能夠實（shí）現冷卻塔冷卻水流量計量程的自動（dòng）轉換，同時利用增益控製方法能有效削弱微分（fèn）幹擾峰值使放大器過載的問題（tí），便（biàn）於流量信號電勢處理，提高抗微分幹擾（rǎo）的能力。
以往的抗幹擾技術解（jiě）決了輸入與輸出之間的各種幹（gàn）擾問題，但（dàn）是當冷卻塔（tǎ）冷卻水流量計引入智能係統後，來自微處理器的各種（zhǒng）幹擾同樣會（huì）影響測量結果的精（jīng）度，甚至會導致（zhì）整（zhěng）個流量測量係統跑飛或崩潰（kuì）。目前，國內（nèi）外常常使（shǐ）用軟硬件結合的方式來提高微（wēi）處理器的抗幹擾能力。常用的（de）軟件抗幹擾方（fāng）法有:軟件指令冗餘措施、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（rǎo）會浪費大量的CPU功率（lǜ），所以先使用硬件來消除大部分幹擾。常（cháng）用的硬件抗幹（gàn）擾有:光電隔離器、接地技術（shù）、掉電保護技（jì）術等。
六、結束語
近年（nián）來，冷卻塔冷卻水流量計隨著需（xū）求的增加不斷發展。在諸多的冷卻塔冷卻水流量計技術發展當中，作者認（rèn）為未來（lái）的冷卻塔冷卻水流量計發展仍然以勵磁優化、信號處理技術為主，同時冷卻塔冷卻水流量計將不斷添加各種智能化的功能以（yǐ）應對更多、更複雜的測量（liàng）環境。

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