未來(lái)生活污水流量計測量技術(shù)的發(fā)展方向及趨勢

流量計是利用物理原理實(shí)現對一段時(shí)間內流體流量測量的儀器。 其有結構簡(jiǎn)單、寬量程、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于石油及城市排污等臟污流體環(huán)境中，是當前最受歡迎的流量計品種之一。生活污水流量計的理論產(chǎn)生于20世紀20年代。當代電流量計大多以計算機技術(shù)為基礎，其功能隨著(zhù)計算機的信息處理能力、存儲能力、運算能力和計算機的控制功能的增強而增強。生活污水流量計技術(shù)革新的四個(gè)方向值得關(guān)注:生活污水流量計的結構、生活污水流量計的勵磁方式、生活污水流量計的信號處理技術(shù)以及生活污水流量計的智能化等。生活污水流量計的精度關(guān)系到計量的準確性。本文以生活污水流量計的發(fā)展歷史為線(xiàn)索，分析了生活污水流量計的四個(gè)發(fā)展方向，即生活污水流量計的結構、生活污水流量計的勵磁為一式、生活污水流量計的信號處理為一式、生活污水流量計的智能化為線(xiàn)索，總結生活污水流量計的發(fā)展歷程并分析其發(fā)展趨勢。對生活污水流量計的技術(shù)進(jìn)行了詳細說(shuō)明，介紹了每種技術(shù)的大致趨勢并列舉了近年來(lái)該方向所產(chǎn)生的最新技術(shù)，闡述了當前流量計技術(shù)發(fā)展的現狀以及未來(lái)的發(fā)展方向。在分析新興技術(shù)的基礎上，總結出生活污水流量計未來(lái)的發(fā)展趨勢。在智能化技術(shù)不斷發(fā)展和完善的新時(shí)期，未來(lái)生活污水流量計仍以勵磁優(yōu)化、信號處理技術(shù)為主，同時(shí)又不斷改變生活污水流量計的結構，以適應越來(lái)越復雜的測量環(huán)境和滿(mǎn)足測量要求個(gè)性化的趨勢。
1、生活污水流量計結構
生活污水流量計是利用電極與流體構成一個(gè)回路來(lái)測量回路中產(chǎn)生的電參數。傳統生活污水流量計測量原理如圖1所示。電磁線(xiàn)圈在直徑為d、橫截面積為A的管道中產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)強度為B的磁場(chǎng)。當有流體經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì )切割磁感線(xiàn)而產(chǎn)生感應電動(dòng)勢U，測量電極接收中:口為流量;k為修正系數。

由于傳統的生活污水流量計無(wú)法測量低電導率的流體，且對摩擦、粘附效應敏感，只能測量流體滿(mǎn)管情況等，因此需要改變其結構，使其能夠適應更復雜的環(huán)境。改變生活污水流量計結構的主要方法是改變電極的數量和位置，從而形成電容生活污水流量計、非滿(mǎn)管生活污水流量計等。
1.1電容生活污水流量計
電容式生活污水流量計從根本上解決了電極表面附著(zhù)、腐蝕、摩擦等問(wèn)題4，其電極與被測流體間有絕緣襯里隔離，或者直接采用絕緣測量管。電極置于測量管外面或鑲嵌于測量管內部3。嵌人式生活污水流量計和外貼式生活污水流量計的結構如圖2所示。

電極與被測流體通過(guò)絕緣管形成檢測電容，通過(guò)此電容來(lái)藕合流量信號。其主要的結構形式按照電極的安裝位置可以分為兩種:電極嵌人測量管的絕緣襯里內部(嵌人式)、電極貼在測量管外部(外貼式)。嵌人式結構與普通生活污水流量計結構相似，而外貼式大多是通過(guò)陶瓷表面金屬化技術(shù)將電極貼在測量管外。
1. 2非滿(mǎn)管生活污水流量計
普通的生活污水流量計只能測量滿(mǎn)管流的流量，而很多情況下由于流量流速很快，有時(shí)充不滿(mǎn)管道，普通的生活污水流量計不能適用，因此希望生活污水流量計能夠進(jìn)行非滿(mǎn)管流量的測量。目前市面上常見(jiàn)的非滿(mǎn)管生活污水流量計有下面幾種。
①多電極式非滿(mǎn)管生活污水流量計5。其底部是一對信號注人電極，中間有多對測量電極，頂端有一個(gè)滿(mǎn)管電極。在滿(mǎn)管情況下，該流量計與普通的生活污水流量計的功能相同，滿(mǎn)管情況下流體的橫截面積是固定的，此時(shí)計算流量值只需要測量流體的流速即可。當流體非滿(mǎn)管時(shí)，滿(mǎn)管電極檢測到管道非滿(mǎn)狀態(tài)，利用算法修正測量值，此時(shí)流量計的測量方式改成測量流體流速和液面高度。信號注人電極與在不同位置的三對測量電極共同工作，用于測量液位面的高度和流體的速度。多電極式非滿(mǎn)管生活污水流量計結構簡(jiǎn)圖如圖3所示。

②電容式非滿(mǎn)管生活污水流量計h。電容式非滿(mǎn)管生活污水流量計結構簡(jiǎn)圖如圖4所示。、檢測信號電極  發(fā)送信號電
圖4電容式非滿(mǎn)管生活污水流量計結構簡(jiǎn)圖

電容式非滿(mǎn)管生活污水流量計就是利用液位的變化使得電容的極距發(fā)生變化，通過(guò)測量發(fā)送電極和檢測電極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制的非滿(mǎn)管生活污水流量計。這種結構的非滿(mǎn)管生活污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(fā)射電極，在流量管中間貼信號接收電極。由于信號在流體中傳播會(huì )產(chǎn)生衰減，且傳播時(shí)間越長(cháng)，衰減越多，因此通過(guò)信號接收電極接收到的信號衰減量即可得知液面高度;同時(shí)該電極還能測量流體切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生的電動(dòng)勢，以此達到測量非滿(mǎn)管流量的目的。阻抗式或信號衰減非滿(mǎn)管生活污水流量計結構簡(jiǎn)圖如圖5所示。  

④智能化非滿(mǎn)管生活污水流量計。這種流量計是生活污水流量計智能化發(fā)展的方向之一。使用兩種接法不同的勵磁線(xiàn)圈，應用權重函數與幾何位置有關(guān)的原理，建立液位的函數關(guān)系，最后通過(guò)在線(xiàn)計算求取液位。姜玉林、丁文斌改進(jìn)了權重函數與感應電勢的計算方法伙對于非滿(mǎn)管流量計來(lái)說(shuō)，由于其流體分布與普通的生活污水流量計不同，因此其權重函數也不同，衛開(kāi)夏、李斌在非滿(mǎn)管的情況下對其權重函數進(jìn)行有限元數值分析，得到不同液面下的權重函數9。  
除此之外還有其他功能的生活污水流量計，例如改變信息傳輸通道將信號線(xiàn)與電源線(xiàn)串在一起的二進(jìn)制生活污水流量計、用于測量渠道的潛水生活污水流量計、為了降低功耗并提高勵磁效率和靈敏度而設計的異徑生活污水流量計’。、用于油水兩相流流量測量的分流式生活污水流量計”以及其他生活污水流量計。
2、勵磁方式的優(yōu)化  
勵磁方式的選擇影響了整個(gè)流量計系統的精度、能耗等參數。因此在生活污水流量計的結構確定之后，勵磁方式的選擇尤為重要。勵磁方式可以分為兩種基本形式，即采用交變磁場(chǎng)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(chǎng)的形式(包括直流電源勵磁和永磁體勵磁)’2。
2.1交變磁場(chǎng)勵磁  
工頻正弦波是最早應用于生活污水流量計中的勵磁方式’3，其測量速度快，受電化學(xué)反應影響小，但是由于頻率高，容易因為渦流產(chǎn)生同相噪聲且微分噪聲補償困難，零點(diǎn)容易漂移。低頻矩形波勵磁具有實(shí)現簡(jiǎn)單、零點(diǎn)穩定、抗工頻干擾等優(yōu)點(diǎn)而成為流量計廠(chǎng)商主要采用的勵磁方式’4。
隨著(zhù)實(shí)際生產(chǎn)應用中對流體測量速度和對漿液測量精度要求的提高，低頻勵磁已不能滿(mǎn)足要求，于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克服漿液噪聲、流動(dòng)噪聲等干擾并提高測量速度，但是有關(guān)高頻勵磁部分的核心技術(shù)并未披露’5一’6。國內還沒(méi)有廠(chǎng)家能夠提供擁有自主產(chǎn)權的產(chǎn)品，相關(guān)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(yōu)點(diǎn)，且對流動(dòng)噪聲不敏感，但是由于需要執行復雜算法，會(huì )增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵磁研究的基礎上對其進(jìn)行了改進(jìn)，并提出一種時(shí)分雙頻勵磁的方法。該方法在兼顧了低頻高頻優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又能夠在很寬的測量范圍內實(shí)現流量的高精度測量’7。
2. 2恒定磁場(chǎng)勵磁  
相對于交變磁場(chǎng)勵磁方式來(lái)說(shuō)，恒定磁場(chǎng)勵磁的方式實(shí)現起來(lái)更加簡(jiǎn)單，受工頻干擾影響小，而且使用恒定磁場(chǎng)勵磁可以簡(jiǎn)化傳感器結構’2。  
恒定磁場(chǎng)勵磁最關(guān)鍵的問(wèn)題就是電化學(xué)及其他因素會(huì )在生活污水流量計測量電極上產(chǎn)生嚴重的極化現象，導致測量電極兩端產(chǎn)生極化電壓。極化電壓過(guò)大，則會(huì )淹沒(méi)測量信號產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢。而交變磁場(chǎng)勵磁可以通過(guò)不斷變換勵磁的方向來(lái)消除電極表面極化現象，因此，目前國內外生活污水流量計大多采用交變磁場(chǎng)勵磁。恒定磁場(chǎng)勵磁方式應用于導電率極高、流體內阻極小、而又不產(chǎn)生極化效應的液態(tài)金屬的流量測量中。  
為了克服電極表面極化現象，目前采用的方法可分為以下兩種。
①從極化電壓的原理出發(fā)，分析兩個(gè)電極上極化電壓的相關(guān)性，從根本上消除極化電壓的影響，如差分對比消除極化電壓法。但是由于極化電壓影響因素多，且其隨機性遠遠大于反映流量信號的感應電動(dòng)勢，所以其消除極化的效果并不理想。
②另一種是避開(kāi)極化電壓的原理，設法在不影響流體感應信號測量的情況下，將極化電壓控制在一個(gè)穩定的值，如繼電器電容反饋抑制極化法’2。浙江大學(xué)提出了一種新的方法，該方法是利用在電極上施加快速變化的交變電場(chǎng)來(lái)抑制極化電壓，且此交變電場(chǎng)只在非采樣時(shí)間段內激發(fā)。上海大學(xué)提出了另外一種反饋的方法，即對測量電極進(jìn)行等電量動(dòng)態(tài)跟蹤反饋的方法來(lái)消除磁鋼勵磁生活污水流量計的電極極化問(wèn)題’8。目前，這種方法是當前恒磁磁場(chǎng)勵磁方法研究的焦點(diǎn)。
3、信號處理方法的改良
生活污水流量計通過(guò)采集一段時(shí)間內的電信號來(lái)達到測量流量的目的，這樣在測量過(guò)程中不可避免地會(huì )摻雜各種干擾信號，因此對信號的檢測處理方式的改良就顯得尤為重要。
3.1普通生活污水流量計信號處理  
信號的檢測處理實(shí)際上就是對信號進(jìn)行放大、采集與干擾抑制。信號方面的研究主要集中在干擾的抑制上。生活污水流量計的干擾主要包括極化電壓的干擾、工頻干擾、電化學(xué)干擾、流體碰撞干擾、微分干擾、零點(diǎn)漂移等。除此以外，部分研究發(fā)現流體的不對稱(chēng)流動(dòng)’9。電極和勵磁線(xiàn)圈的不對稱(chēng)也會(huì )產(chǎn)生相應的測量誤差zo。國內許多機構在這些方面作了很多的研究，如上海大學(xué)提出的一種反饋式信號放大處理方法’8，采用矩形波勵磁來(lái)克服極化電壓、工頻帶來(lái)的干擾2，，利用增加勵磁頻率或改變勵磁方式，克服電化學(xué)干擾和流體碰撞管道時(shí)產(chǎn)生的干擾zz。周真、王強等人通過(guò)對流量計極間信號進(jìn)行建模來(lái)分離干擾信號和流量信號23，采取提前確定闌值來(lái)進(jìn)行偏置調整抑制低頻漂移產(chǎn)生的干擾za，利用數?；旌献顑?yōu)濾波法消除微分干擾25。對于恒磁勵磁方式來(lái)說(shuō)，干擾主要來(lái)源于極化電壓干擾以及零點(diǎn)漂移干擾，消除零點(diǎn)漂移干擾的方法有電容隔離法、反饋式信號處理方法和三次采樣消除零點(diǎn)漂移法等。石冰鑫、李景云公布了一項利用光電傳輸信號的生活污水流量計，可以有效降低傳輸過(guò)程中的干擾。
3. 2電容式生活污水流量計信號處理  
普通生活污水流量計的電極部分是以金屬導體與被測液體接觸，而流體流動(dòng)時(shí)會(huì )對電極產(chǎn)生碰撞噪聲。后來(lái)研發(fā)的電容式生活污水流量計使電極部分不與被測流體直接接觸，而是透過(guò)管壁與流體的感應電動(dòng)勢產(chǎn)生感應，從根本上解決了雜散噪聲的問(wèn)題ze。但是由于藕合電容的容抗是電容式生活污水流量計的主要信號內阻，其藕合電容值很小，而內阻很大，測量得到的信號信噪比會(huì )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制比的差動(dòng)放大器，進(jìn)行信號的阻抗轉換和放大。  
目前，信號檢出方法有兩種:直接檢測感應電壓與通過(guò)“虛地”來(lái)檢測電流法。電壓檢測法技術(shù)成熟，但是受流體因素影響大。檢測電流法通過(guò)“虛地”與合適的電阻值來(lái)獲得高電勢，通過(guò)口= CE來(lái)計算電容，最后通過(guò)微分得出電流值。此方法可從根本上消除電容泄漏電流的影響，但是這種方法受藕合電容值變化的影響較大，而且電路復雜，一般較少采用。  
盧國峰、王保良等人引人了互相關(guān)檢測方法?；ハ嚓P(guān)檢測方法是基于互相關(guān)函數同頻相關(guān)，不同頻不相關(guān)的性質(zhì)，通過(guò)互相關(guān)運算，達到濾出噪聲的效果。已知發(fā)送信號的頻率，就可在接收端發(fā)出相同頻率的參考信號，與混亂信號進(jìn)行相關(guān)即可提取出微弱的測量信號。在后續的數據處理當中，他們使用了基于相關(guān)檢測原理的旋轉電容濾波器。這種電路抗干擾能力很強，有很高的信噪比za。 
由于智能生活污水流量計的出現，越來(lái)越多的信號處理技術(shù)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(jìn)行在線(xiàn)處理，以有效地降低干擾29 -30，或利用小波變換對信號進(jìn)行處理以抑制干擾3等。
4、流量計的智能化  
隨著(zhù)微處理器的發(fā)展，生活污水流量計也在朝著(zhù)智能化方向發(fā)展。其智能化方向可分為信號處理智能化和控制智能化，兩者共同作用構成了智能生活污水流量計。其主要技術(shù)包括軟件技術(shù)、自診斷功能、程控放大器技術(shù)、微處理器抗干擾技術(shù)等。  
軟件技術(shù)是信號處理智能化的標志，即通過(guò)軟件來(lái)控制生活污水流量計的整個(gè)工作過(guò)程。數字濾波、非線(xiàn)性擬合、零點(diǎn)自校正是較常見(jiàn)的技術(shù)。數字濾波能夠完成模擬濾波不能完成的濾波功能，例如:脈沖干擾剔除、數字電路毛刺干擾消除、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(xiàn)分析與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體當中的流量信號、漿液信號33和利用陷波濾波器組的信號處理方法等34。  
生活污水流量計是無(wú)阻擾測量，其測量電極與流體接觸后容易發(fā)生磨損、腐蝕、結垢等現象，這些現象會(huì )極大地影響生活污水流量計的測量精度。為了便于拆卸維護，生活污水流量計增加了自診斷功能。其功能越來(lái)越多，相繼添加了信號線(xiàn)性度、勵磁電路的完整性和準確性(包括勵磁線(xiàn)圈電阻和勵磁電流)、監控和診斷流程和環(huán)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量等35)。隨后出現一種無(wú)需改變生活污水流量計結構就能進(jìn)行勵磁電流異常的自診斷技術(shù)36  
程控放大器技術(shù)能夠實(shí)現生活污水流量計量程的自動(dòng)轉換，同時(shí)利用增益控制方法能有效削弱微分干擾峰值使放大器過(guò)載的問(wèn)題，便于流量信號電勢處理，提高抗微分干擾的能力。  
以往的抗干擾技術(shù)解決了輸人與輸出之間的各種干擾問(wèn)題，但是當生活污水流量計引人智能系統后，來(lái)自微處理器的各種干擾同樣會(huì )影響測量結果的精度，甚至會(huì )導致整個(gè)流量測量系統跑飛或崩潰。目前，國內外常常使用軟硬件結合的方式來(lái)提高微處理器的抗干擾能力33，37。常用的軟件抗干擾方法有:軟件指令冗余措施、軟件陷阱抗干擾方法、軟件“看門(mén)狗”技術(shù)等。純粹的軟件抗干擾會(huì )浪費大量的CPU功率，所以先使用硬件來(lái)消除大部分干擾。常用的硬件抗干擾有:光電隔離器、接地技術(shù)、掉電保護技術(shù)等。
5、結束語(yǔ)  
近年來(lái)，生活污水流量計隨著(zhù)需求的增加不斷發(fā)展。在諸多的生活污水流量計技術(shù)發(fā)展當中，作者認為未來(lái)的生活污水流量計發(fā)展仍然以勵磁優(yōu)化、信號處理技術(shù)為主，同時(shí)生活污水流量計將不斷添加各種智能化的功能以應對更多、更復雜的測量環(huán)境。

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