工業(yè)污水流量計的產(chǎn)品特點(diǎn)及未來(lái)的發(fā)展趨勢

一、引言
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。工業(yè)污水流量計具有寬量程、耐腐蝕、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)川，是當前最受歡迎的流量計品種之一。工業(yè)污水流量計的理論產(chǎn)生于20世紀20年代[[21O當代工業(yè)污水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。工業(yè)污水流量計技術(shù)革新的四個(gè)方向值得關(guān)注:工業(yè)污水流量計的結構、工業(yè)污水流量計的勵磁方式、工業(yè)污水流量計的信號處理技術(shù)以及工業(yè)污水流量計的智能化等。本文以此為線(xiàn)索，總結工業(yè)污水流量計的發(fā)展歷程并分析其發(fā)展趨勢。
二、工業(yè)污水流量計結構
工業(yè)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。傳統工業(yè)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，測量電極接收電動(dòng)勢信號。由公式Q=(1/k)*(UA/Bd)可計算其流量。式中:Q為流量;k為修正系數。

由于傳統的工業(yè)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。改變工業(yè)污水流量計結構的主要方法是改變電極的數量和位置，從而形成電容工業(yè)污水流量計、非滿(mǎn)管工業(yè)污水流量計等。
1.1、電容工業(yè)污水流量計
電容式工業(yè)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，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。嵌人式工業(yè)污水流量計和外貼式工業(yè)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)。嵌入式結構與普通工業(yè)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)管工業(yè)污水流量計
普通的工業(yè)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，普通的工業(yè)污水流量計不能適用，因此希望工業(yè)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)管工業(yè)污水流量計有下面幾種。
①多電極式非滿(mǎn)管工業(yè)污水流量計。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，該流量計與普通的工業(yè)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)管工業(yè)污水流量計結構簡(jiǎn)圖如圖3所示。

②電容式非滿(mǎn)管工業(yè)污水流量計。電容式非滿(mǎn)管工業(yè)污水流量計結構簡(jiǎn)圖如圖4所示。

電容式非滿(mǎn)管工業(yè)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)管工業(yè)污水流量計。這種結構的非滿(mǎn)管工業(yè)污水流量計是當前國內研究的方向之一。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)管工業(yè)污水流量計結構簡(jiǎn)圖如圖5所示。

④智能化非滿(mǎn)管工業(yè)污水流量計。這種流量計是工業(yè)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。對于非滿(mǎn)管流量計來(lái)說(shuō)，由于其流體分布與普通的工業(yè)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。
除此之外還有其他功能的工業(yè)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)制電
磁流量計、用于測量渠道的潛水工業(yè)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工業(yè)污水流量計、用于油水兩相流流量測量的分流式工業(yè)污水流量計以及其他工業(yè)污水流量計。
三、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。因此在工業(yè)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。
2.1 交變磁場(chǎng)勵磁
工頻正弦波是最早應用于工業(yè)污水流量計中的勵磁方式，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。
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。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。
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。
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 )在工業(yè)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，目前國內外工業(yè)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。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)消除磁鋼勵磁工業(yè)污水流量計的電極極化問(wèn)題。目前，這種方法是當前恒磁磁場(chǎng)勵磁方法研究的焦點(diǎn)。
四、信號處理方法的改良
工業(yè)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普通工業(yè)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。工業(yè)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)。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。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，采用矩形波勵磁來(lái)克服極化電壓、工頻帶來(lái)的干擾，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。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，采取提前確定IA值來(lái)進(jìn)行偏置調整抑制低頻漂移產(chǎn)生的干擾，利用數?；旌献顑?yōu)濾波法消除微分干擾。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一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工業(yè)污水流量計，可以有效降低傳輸過(guò)程中的干擾。
3.2電容式工業(yè)污水流量計信號處理
普通工業(yè)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)的電容式工業(yè)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。但是由于耦合電容的容抗是電容式工業(yè)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，但是這種方法受耦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)檢測方法是墓于互相關(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。
由于智能工業(yè)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，或利用小波變換對信號進(jìn)行處理以抑制干擾等。
五、流量計的智能化
隨著(zhù)微處理器的發(fā)展，工業(yè)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工業(yè)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)控制工業(yè)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。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、漿液信號和利用陷波濾波器組的信號處理方法等。
工業(yè)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 )極大地影響工業(yè)污水流量計的測量精度。為了便于拆卸維護，工業(yè)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。隨后出現一種無(wú)需改變工業(yè)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)。
程控放大器技術(shù)能夠實(shí)現工業(yè)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)解決了輸入與輸出之間的各種干擾問(wèn)題，但是當工業(yè)污水流量計引入智能系統后，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。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。
六、結束語(yǔ)
近年來(lái)，工業(yè)污水流量計隨著(zhù)需求的增加不斷發(fā)展。在諸多的工業(yè)污水流量計技術(shù)發(fā)展當中，作者認為未來(lái)的工業(yè)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)工業(yè)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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