一寸管（guǎn）汙水流量計（jì）的產品特點（diǎn）及未來四（sì）個方麵（miàn）的發展趨勢

近來年（nián），隨（suí）著現代信息和數字化技術的迅（xùn）猛發展，以（yǐ）及人類在電子製造技術方麵的升級，各類電（diàn）子儀器儀表的產（chǎn）品（pǐn）品質和可靠性以及功能性都得到了（le）非常大（dà）的提升（shēng），本文所述的一寸管汙水流量計產品的升（shēng）級換代也（yě）同樣見證著這樣一個過程。一寸（cùn）管汙水流量計是一種被廣泛（fàn）應用在各類石化（huà）企業及城市供水、汙水處理等工程（chéng）中，具有結構簡單、寬量程、耐腐蝕等（děng）優點。一寸管汙水流量計（jì）的精度是體（tǐ）現一寸管（guǎn）汙（wū）水流量計產品品（pǐn）質的一個關鍵性的指標，與測量結果的準確性密切相關。本文從一寸管汙（wū）水流量計的發展（zhǎn）曆（lì）史出發，對其四個（gè）發展方向作了一個較為深入（rù）的分析，這四個方向表現在：一（yī）寸管汙水流量計的結構、一寸管汙水流量計的勵磁方式、一（yī）寸管汙水流量計的（de）信號處理方式、一寸管汙水流量計的智能化技術。這四個方（fāng）麵當前（qián）的技術發展現狀以及未來的發展方向如何，一寸管汙水流量計的未來的發（fā）趨勢怎樣，本（běn）文都有涉及。在智能化（huà）技術不斷發展和完善的**，未來一寸（cùn）管汙水流量計仍（réng）以勵磁優化、信號處理技術為主，同時又不斷改（gǎi）變一（yī）寸管汙水流（liú）量計的結構，以適應越來越複（fù）雜的測量環境和滿（mǎn）足測量要求個性化的趨勢。
一、引（yǐn）言
流量（liàng）計是利用物理原理實現對一段時間內流體流量測量的儀器。一寸管汙水流量計具有寬量程、耐腐蝕、結構簡單等優（yōu）點川，是當前*受歡迎（yíng）的流量計品種（zhǒng）之一（yī）。一寸管汙（wū）水流量計的理（lǐ）論產生於20世（shì）紀20年代[[21O當代一寸管汙水流量計大多（duō）以計算機技術為基礎，其功能隨著計算機的信息處理能力、存儲能力、運算能力和計算機的控製功能的增強而增強。一寸（cùn）管汙（wū）水流量計技術革新的四個方向值得關注:一寸管汙水（shuǐ）流量計的結構、一寸管汙水流量計的勵磁方式、一寸管汙水流量（liàng）計的信號處理技術以及一寸（cùn）管（guǎn）汙水流量計（jì）的智能化等。本文以此為線索，總結一寸管汙（wū）水流量計的發展曆程並分析其發展趨勢。
二、一寸管汙水流量計結構
一寸管汙水流（liú）量計是利用電*與流體構成一個回路來測（cè）量回（huí）路中（zhōng）產（chǎn）生的電參數。傳統一寸管汙水流量計測（cè）量原理如圖1所示。電（diàn）磁（cí）線圈在直徑為d、橫截麵積為A的管道中產生一個磁場強（qiáng）度為B的磁場。當有（yǒu）流體經（jīng）過時會切割磁感線而（ér）產生感應電動勢U，測量（liàng）電（diàn）*接收電動勢信號。由（yóu）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。

由於傳統的一寸管汙水流量計無法測量低電導率的流體，且對摩擦（cā）、粘附效應敏感，隻能測量流（liú）體滿管情況等，因此需要改變（biàn）其結構，使其能夠適應更複雜的環境。改變一寸管汙水流量計結構的主要方法是改變電*的數量和位置，從而形成電容一寸管汙水流量計（jì）、非滿管（guǎn）一寸管汙水流量計等。
1.1、電容一寸管汙水流量計
電容（róng）式一寸管汙水（shuǐ）流量計從根本上解決了電*表麵附著、腐蝕、摩擦等問題（tí），其電*與（yǔ）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（guǎn）外麵或鑲嵌（qiàn）於測量管內部。嵌（qiàn）人式一（yī）寸管汙水流量計和外貼式一寸管汙水流（liú）量計的結（jié）構如圖（tú）2所示。

電*與（yǔ）被測流體通過絕緣管（guǎn）形成檢測電容，通過此電容來（lái）藕合流量信（xìn）號。其主要的結構形式按照電*的安裝位置可以分（fèn）為（wéi）兩種:電*嵌人測（cè）量（liàng）管的絕緣襯裏內（nèi）部(嵌人（rén）式)、電*貼在（zài）測量管外部(外貼式)。嵌入式結構與（yǔ）普通一寸管汙水流量計結（jié）構相似，而（ér）外貼（tiē）式大多是通過陶（táo）瓷表麵金屬化技術將電*貼在測量管外。
1.2非滿管一寸管汙水流量計
普通的一寸管汙水流量計隻（zhī）能測量滿（mǎn）管流的流量，而很多情況下由於流量流速很快，有時充不滿管道，普通的一寸管汙水流量計不能適用，因此希望一寸管汙水流（liú）量計能夠進行非滿管流量（liàng）的測量（liàng）。目前市麵上常見的非滿管一寸管汙水流量（liàng）計有（yǒu）下麵幾種。
①多電*式非滿管一寸管汙水流量計。其底（dǐ）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（zài）滿管情況下，該流量計與普通的一寸管汙水流量（liàng）計的功能相同，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（tài），利用算法修正測量值，此時流量計（jì）的測量方式改成測量流體流速和液麵高度（dù）。信號注人電*與在不同位置的（de）三對測量電*共同工作，用於（yú）測量液位麵的高度和流體的速度。多電*式非滿（mǎn）管一寸管汙（wū）水流（liú）量計結構簡圖如圖3所示。

②電容式非滿管一（yī）寸管汙水流量計。電容式非滿管一寸管汙水流量計結構簡圖如圖4所示。

電容式（shì）非滿管一寸管汙水流量計就是利用液位的變化使得電容的*距發生變（biàn）化，通過測量發（fā）送電*和檢測電*之（zhī）間的電容藕（ǒu）合值（zhí）即可測（cè）量（liàng）流量值。
③利用阻抗（kàng）或信號衰減研製的非滿（mǎn）管一寸管汙水流量計。這種結構的非滿管一寸管汙水流量計是（shì）當前國內研究的方向之一。其結構是流量管底部貼（tiē）一對信號發射電*，在流量管中間貼信號接收電*。由於信號在流體中傳播會產生衰減，且傳播時間越長，衰減越多，因此（cǐ）通過（guò）信號接收電*接收到的信號（hào）衰減量即可得知液麵高度;同時該電*還能測量流體切割磁感線產生的電動勢，以此達到測量（liàng）非滿（mǎn）管流量（liàng）的目的。阻抗式（shì）或信號衰減非滿管一寸管汙水流（liú）量計結構簡圖如圖5所示。

④智能化非滿管一（yī）寸管汙水流量計。這種流量（liàng）計是一寸管汙水（shuǐ）流量計智能（néng）化發展的（de）方向之一。使用兩種（zhǒng）接法（fǎ）不同（tóng）的勵磁線圈，應（yīng）用權（quán）重函數與幾何位置有關的原理，建立液位的（de）函數關係，*後（hòu）通過在線計算求（qiú）取液位。薑玉林（lín）、丁文斌改進了權重函數與感應電勢的計算（suàn）方法（fǎ）。對於非滿管（guǎn）流量計來說，由於其流（liú）體分布與普通的一寸管汙水流量計不同，因此其權重函（hán）數也不同，衛開夏、李斌在非滿管的情況下對其權重函（hán）數進行有限（xiàn）元數值（zhí）分析，得到不（bú）同（tóng）液麵下的權重函數（shù）。
除此之外還有其他功能的一寸管汙水流量計，例如改變信息傳輸（shū）通道將信號線與（yǔ）電（diàn）源線串在一起的二進製電
磁流量計（jì）、用（yòng）於（yú）測量渠道的潛水一寸管汙水流量計（jì）、為了降低功耗並提高勵磁效率和靈敏（mǐn）度而設計的異徑一寸管汙水流量計、用於油水兩相（xiàng）流流量測量的分流式一（yī）寸管汙水流量計以及（jí）其他（tā）一寸管汙水流量計。
三、勵磁方式的優化
勵磁方式的（de）選擇影響了整個流量計係統的精度、能耗等參數。因此在一寸管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（kě）以分為兩種基（jī）本形式，即采用交變磁場的形式(包括正（zhèng）弦波勵磁、矩形（xíng）波勵磁、三值波勵磁和雙（shuāng）頻矩形波勵磁)和采用恒定磁場的形式（shì）(包括直流電源勵磁和永磁體勵磁。
2.1 交變（biàn）磁場勵磁
工頻正弦波是*早應用於一寸（cùn）管汙水流量計中的勵（lì）磁方式，其測量（liàng）速度快，受電化學反應影響小，但是由於頻率高，容易因為渦流產生（shēng）同相噪聲（shēng）且微分噪聲補償困難，零（líng）點容易漂移。低（dī）頻矩形波勵（lì）磁具有（yǒu）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（yòng）的勵磁方式。
隨著實際生產應（yīng）用中對流（liú）體測量速度和對漿液測量精度要求的提（tí）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（pín）方波勵磁或雙頻（pín）矩形波勵磁雖能有效克服漿液噪聲、流動噪聲等幹擾並提（tí）高測量速度，但是有關（guān）高頻勵磁部分（fèn）的核心技術並未披露（lù）。國內還沒有廠家能（néng）夠提供擁有自主產權的產品，相關的（de）文獻也很少。雖然雙頻矩形波勵磁兼具高頻測量速度快和（hé）低頻穩定性好的優點，且對流動噪（zào）聲（shēng）不敏感，但是（shì）由（yóu）於需要執行複雜算法，會增加功耗。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方法。該方法在兼顧了低頻高頻優點的同時，又能夠在很（hěn）寬的測量範圍內（nèi）實現流量的高精度測（cè）量。
2.2恒定磁場勵（lì）磁
相對於交變磁場勵磁方式來說，恒定磁（cí）場勵磁的方式實現（xiàn）起來（lái）更加簡單，受工頻幹擾影響小，而且使用恒定磁場勵（lì）磁可（kě）以簡化傳（chuán）感器結構。
恒定磁場（chǎng）勵磁（cí）*關鍵的問題（tí）就（jiù）是電化學及其他因素會在一寸管汙水流量計測量電*上產生嚴重的*化現象，導致（zhì）測量電（diàn）*兩端產生*化（huà）電壓。*化電（diàn）壓（yā）過大，則會淹沒測量信（xìn）號產生的（de）感應電動勢。而交變磁場勵磁可以通（tōng）過不斷（duàn）變換勵（lì）磁的方向（xiàng）來消除電*表麵（miàn）*化現象，因此（cǐ），目前（qián）國（guó）內外一寸管汙水流量（liàng）計大多采用交變磁場勵磁。恒定磁場（chǎng）勵磁方（fāng）式應用於（yú）導電率*高、流體內阻*小、而又不產生*化效應的液態金屬的流（liú）量測量中。
為（wéi）了克服電*表麵*化現象，目前采用的方法（fǎ）可分為以下（xià）兩種。①從*化電壓的原理出發，分析兩個電*上*化電壓的相（xiàng）關性，從根本上消除*化（huà）電壓的影響，如差分對比消除*化電壓法。但是（shì）由於*化電壓影響因素多，且其隨機性遠遠（yuǎn）大於反映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。②另一種是避開*化電壓的原理，設法在不影響流體感（gǎn）應信號（hào）測（cè）量的情（qíng）況下，將*化電壓控製在一個穩定的值（zhí），如繼電器電容反饋抑製*化法。浙江大學（xué）提出了一種新的（de）方法，該方法是利用在電*上施加快速變化的交變電場來抑製（zhì）*化電壓，且此交變電場隻在非采（cǎi）樣時間段（duàn）內激發。上海大學提出了另外一（yī）種反饋的方（fāng）法，即對測量電*進行等電量動（dòng）態跟蹤反饋的方法來消除（chú）磁鋼勵磁一（yī）寸（cùn）管汙水流量計的電**化問題。目前，這種方法是當前恒（héng）磁磁場勵磁方法研究的焦點。
四、信號處理方法的改良
一寸管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，這樣在測量過（guò）程中不可避免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普通一寸管汙水流量計信號處理
信號的檢測處理實際（jì）上就是對信號進行（háng）放大、采集與幹擾抑製。信號方麵的研究主要集中在幹擾的抑（yì）製上。一寸管汙（wū）水流量計的幹擾主要包括*化電壓的幹擾、工頻幹擾、電化學幹擾、流體（tǐ）碰撞幹擾、微分幹（gàn）擾、零點漂移等。除（chú）此以（yǐ）外，部分研究發現流體的不對稱流動。電*和勵磁線圈的不對（duì）稱也會產生（shēng）相應的測量（liàng）誤差。國內許多機構在這些方麵作了很多的研究，如（rú）上海大學提（tí）出的一種反饋式信號放大處理方法（fǎ），采用矩形波勵磁（cí）來克服*化（huà）電壓、工頻帶來的幹擾（rǎo），利用增加勵磁（cí）頻率或改變勵（lì）磁方式，克服電化學幹擾和流體碰撞管道時產生（shēng）的（de）幹擾（rǎo）。周真、王（wáng）強等（děng）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，采取提前確定IA值（zhí）來進行偏置調整抑製低頻漂移產生的幹擾，利用數模混合*優濾波法消（xiāo）除微分幹擾。對於恒（héng）磁勵磁方式來說，幹（gàn）擾（rǎo）主要來源於*化電壓幹擾以及零點（diǎn）漂移幹擾，消除零（líng）點漂移幹擾（rǎo）的方法有電容隔離法、反饋式信號處理方法一和三次采樣消除零點漂（piāo）移法（fǎ）等。石冰鑫、李景雲公布（bù），了一項利用光電傳（chuán）輸信號的一寸管汙水（shuǐ）流量（liàng）計，可以有效降低傳輸過程中的幹（gàn）擾。
3.2電容式一寸管（guǎn）汙水流量計信號處理
普通一寸管汙水流（liú）量計的電*部分是（shì）以金屬導體與被測液（yè）體接觸，而流體流動時會對電*產生碰撞（zhuàng）噪（zào）聲。後來研發的電容式（shì）一寸管汙（wū）水流量計使（shǐ）電（diàn）*部分不與被測流體直（zhí）接接（jiē）觸，而是透過管壁與流體的感應電動勢產生（shēng）感應，從根本（běn）上解決了雜散噪聲的問題（tí）。但是由於耦合電容的容抗是（shì）電容式一寸管汙水流量計的主要（yào）信號內阻，其藕合電容值很小，而內阻很大，測量得到的信號信噪比（bǐ）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（fàng）大器和高共模抑製比的差動放大器，進行信（xìn）號的阻抗轉換和放大。
目前，信號檢出（chū）方法有兩（liǎng）種:直接檢（jiǎn）測感應電壓與通（tōng）過“虛地”來檢測電流法。電壓檢（jiǎn）測法技術（shù）成（chéng）熟，但是受流體因素（sù）影響（xiǎng）大。檢測電流法通過“虛地”與（yǔ）合適的電阻值來獲得高電勢，通過口= CE來計算電容，*後通過微分得出電流值。此方（fāng）法可從根本上消除電容泄漏電流的影響（xiǎng），但是這種方法受耦合電容值變化的影響（xiǎng）較大，而且電路複雜，一般較少（shǎo）采用。
盧國峰（fēng）、王保良等人引人了互相關檢測方法。互（hù）相關檢測方法是墓（mù）於互相關函數同頻相關，不同頻不相（xiàng）關的性質（zhì），通過互相關運算，達到濾（lǜ）出噪聲的效果。已知發送信號的頻（pín）率，就可在接（jiē）收（shōu）端發出相同頻（pín）率（lǜ）的（de）參考信號，與（yǔ）混亂信號進（jìn）行相關即（jí）可提取出微弱的測（cè）量信（xìn）號。在後續（xù）的數據處理當中，他們使用了基（jī）於相關檢測原理的旋轉電容濾波（bō）器。這種電路抗幹擾（rǎo）能力很強，有很高的信噪比（bǐ）。
由於智能一寸管汙水流（liú）量計的出（chū）現，越來越多的信號（hào）處理技（jì）術不再是（shì）單純的電（diàn）路式濾波（bō），而更多地使用軟件濾波，比如可以利用（yòng）Matlab對信號進行在（zài）線處理，以有效地降低幹擾，或利用小波變（biàn）換對信號（hào）進行處理以抑製幹擾等。
五、流量計的智能化（huà）
隨著微處理器的發展，一寸管汙水流量計也在朝著智能化方向發展。其智能化方向可（kě）分為信號處理智能化和（hé）控製智能化，兩者共同作用構成了智能（néng）一寸管汙水流量計。其主（zhǔ）要技術包括軟件技術、自（zì）診斷功（gōng）能、程控放大器技術、微處理器抗幹擾（rǎo）技術等。
軟件技術是信號處理（lǐ）智能化（huà）的標誌，即通過軟件來控（kòng）製一寸管汙水（shuǐ）流量計的整個工作過程。數（shù）字濾波、非線性擬合、零點自校正是較常見的（de）技術（shù）。數字濾波能夠完（wán）成模擬濾波不能完成的濾波（bō）功能，例如:脈衝幹擾剔除、數字電路毛刺幹擾消除、A/D轉換器的抗工頻以及確保輸（shū）人微處理器數字的可（kě）靠性。另外，數（shù）據在線（xiàn）分析與數據（jù）重構也是其研究方向之一，如（rú）利用小波變換分離漿（jiāng）液流體當中的流量（liàng）信（xìn）號、漿液信號和利用陷波濾波器組的（de）信號處理方法等（děng）。
一寸管（guǎn）汙水流量計是無阻擾（rǎo）測量，其測量電（diàn）*與流體接觸後容易發生磨損、腐蝕、結垢等現象，這些現象（xiàng）會*大地影（yǐng）響一寸管汙水流量（liàng）計的測量精度（dù）。為了便於拆卸維護，一寸管汙水（shuǐ）流量計增加了自診斷功能。其功能越來越多，相繼添加了信號線性度、勵（lì）磁電路的完整（zhěng）性和準確性(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變化(如（rú）液體電導率（lǜ）是否變化（huà），流體中氣泡和固體（tǐ）顆粒含量等。隨後出現一種無需改變一寸管汙水流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（néng）夠實現一寸管汙水流量計量程的自動轉換，同時利用增（zēng）益控製方法能有效削弱微分幹擾峰值使放大器過載的問（wèn）題，便（biàn）於流量信號電勢處理，提高抗微分幹擾的能力。
以往的抗幹擾（rǎo）技（jì）術解決了輸入與輸出之間的（de）各種幹（gàn）擾問題（tí），但是當一寸管汙水流量計引入（rù）智能係統後，來自微處理器的各種幹擾同樣會影響測（cè）量結果的精度，甚至會導致整個（gè）流量測量係統跑飛或崩潰。目前，國內外常常使（shǐ）用軟硬件結（jié）合（hé）的方式來提高微處理器的抗幹擾能力（lì）。常用的軟件抗幹擾方法有:軟（ruǎn）件指令冗餘措施、軟件陷阱抗幹擾方法、軟件“看門狗”技（jì）術等。純粹的軟件抗幹擾會浪費大量的CPU功率（lǜ），所以先使用硬（yìng）件來消除大部分幹擾（rǎo）。常用（yòng）的硬件（jiàn）抗幹擾有:光電隔離器、接地技術、掉電保護技術等。
六、結束語（yǔ）
近年來，一（yī）寸管汙水流量計隨著需求的增加不斷發展。在諸多的一寸管汙水流量計技術發展當中，作者認為未來的一寸管汙（wū）水流量計發展仍然以勵磁優化、信號處理（lǐ）技術為主，同時一寸管汙水流量計將不斷添加各種智（zhì）能化的（de）功能以應對更多、更複雜的測量環境。

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