未來軟化水流量計測量技術(shù)的發(fā)展方向及趨勢

流量計是利用物理原理實現(xiàn)對一段時間內(nèi)流體流量測量的儀器。 其有結(jié)構(gòu)簡單、寬量程、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于石油及城市排污等臟污流體環(huán)境中，是當(dāng)前*受歡迎的流量計品種之一。軟化水流量計的理論產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代。當(dāng)代電流量計大多以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，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制功能的增強而增強。軟化水流量計技術(shù)革新的四個方向值得關(guān)注:軟化水流量計的結(jié)構(gòu)、軟化水流量計的勵磁方式、軟化水流量計的信號處理技術(shù)以及軟化水流量計的智能化等。軟化水流量計的精度關(guān)系到計量的準(zhǔn)確性。本文以軟化水流量計的發(fā)展歷史為線索，分析了軟化水流量計的四個發(fā)展方向，即軟化水流量計的結(jié)構(gòu)、軟化水流量計的勵磁為一式、軟化水流量計的信號處理為一式、軟化水流量計的智能化為線索，總結(jié)軟化水流量計的發(fā)展歷程并分析其發(fā)展趨勢。對軟化水流量計的技術(shù)進行了詳細說明，介紹了每種技術(shù)的大致趨勢并列舉了近年來該方向所產(chǎn)生的*新技術(shù)，闡述了當(dāng)前流量計技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展方向。在分析新興技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出軟化水流量計未來的發(fā)展趨勢。在智能化技術(shù)不斷發(fā)展和完善的新時期，未來軟化水流量計仍以勵磁優(yōu)化、信號處理技術(shù)為主，同時又不斷改變軟化水流量計的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)越來越復(fù)雜的測量環(huán)境和滿足測量要求個性化的趨勢。
1、軟化水流量計結(jié)構(gòu)
軟化水流量計是利用電*與流體構(gòu)成一個回路來測量回路中產(chǎn)生的電參數(shù)。傳統(tǒng)軟化水流量計測量原理如圖1所示。電磁線圈在直徑為d、橫截面積為A的管道中產(chǎn)生一個磁場強度為B的磁場。當(dāng)有流體經(jīng)過時會切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢U，測量電*接收中:口為流量;k為修正系數(shù)。

由于傳統(tǒng)的軟化水流量計無法測量低電導(dǎo)率的流體，且對摩擦、粘附效應(yīng)敏感，只能測量流體滿管情況等，因此需要改變其結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境。改變軟化水流量計結(jié)構(gòu)的主要方法是改變電*的數(shù)量和位置，從而形成電容軟化水流量計、非滿管軟化水流量計等。
1.1電容軟化水流量計 
電容式軟化水流量計從根本上解決了電*表面附著、腐蝕、摩擦等問題4，其電*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*置于測量管外面或鑲嵌于測量管內(nèi)部3。嵌人式軟化水流量計和外貼式軟化水流量計的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電*與被測流體通過絕緣管形成檢測電容，通過此電容來藕合流量信號。其主要的結(jié)構(gòu)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里內(nèi)部(嵌人式)、電*貼在測量管外部(外貼式)。嵌人式結(jié)構(gòu)與普通軟化水流量計結(jié)構(gòu)相似，而外貼式大多是通過陶瓷表面金屬化技術(shù)將電*貼在測量管外。
1. 2非滿管軟化水流量計
普通的軟化水流量計只能測量滿管流的流量，而很多情況下由于流量流速很快，有時充不滿管道，普通的軟化水流量計不能適用，因此希望軟化水流量計能夠進行非滿管流量的測量。目前市面上常見的非滿管軟化水流量計有下面幾種。
①多電*式非滿管軟化水流量計5。其底部是一對信號注人電*，中間有多對測量電*，頂端有一個滿管電*。在滿管情況下，該流量計與普通的軟化水流量計的功能相同，滿管情況下流體的橫截面積是固定的，此時計算流量值只需要測量流體的流速即可。當(dāng)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，此時流量計的測量方式改成測量流體流速和液面高度。信號注人電*與在不同位置的三對測量電*共同工作，用于測量液位面的高度和流體的速度。多電*式非滿管軟化水流量計結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

②電容式非滿管軟化水流量計h。電容式非滿管軟化水流量計結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。、檢測信號電*  發(fā)送信號電
圖4電容式非滿管軟化水流量計結(jié)構(gòu)簡圖

電容式非滿管軟化水流量計就是利用液位的變化使得電容的*距發(fā)生變化，通過測量發(fā)送電*和檢測電*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管軟化水流量計。這種結(jié)構(gòu)的非滿管軟化水流量計是當(dāng)前國內(nèi)研究的方向之一7。其結(jié)構(gòu)是流量管底部貼一對信號發(fā)射電*，在流量管中間貼信號接收電*。由于信號在流體中傳播會產(chǎn)生衰減，且傳播時間越長，衰減越多，因此通過信號接收電*接收到的信號衰減量即可得知液面高度;同時該電*還能測量流體切割磁感線產(chǎn)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軟化水流量計結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。   

④智能化非滿管軟化水流量計。這種流量計是軟化水流量計智能化發(fā)展的方向之一。使用兩種接法不同的勵磁線圈，應(yīng)用權(quán)重函數(shù)與幾何位置有關(guān)的原理，建立液位的函數(shù)關(guān)系，*后通過在線計算求取液位。姜玉林、丁文斌改進了權(quán)重函數(shù)與感應(yīng)電勢的計算方法伙對于非滿管流量計來說，由于其流體分布與普通的軟化水流量計不同，因此其權(quán)重函數(shù)也不同，衛(wèi)開夏、李斌在非滿管的情況下對其權(quán)重函數(shù)進行有限元數(shù)值分析，得到不同液面下的權(quán)重函數(shù)9。   
除此之外還有其他功能的軟化水流量計，例如改變信息傳輸通道將信號線與電源線串在一起的二進制軟化水流量計、用于測量渠道的潛水軟化水流量計、為了降低功耗并提高勵磁效率和靈敏度而設(shè)計的異徑軟化水流量計’。、用于油水兩相流流量測量的分流式軟化水流量計”以及其他軟化水流量計。
2、勵磁方式的優(yōu)化   
勵磁方式的選擇影響了整個流量計系統(tǒng)的精度、能耗等參數(shù)。因此在軟化水流量計的結(jié)構(gòu)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)和采用恒定磁場的形式(包括直流電源勵磁和永磁體勵磁)’2。
2.1交變磁場勵磁   
工頻正弦波是*早應(yīng)用于軟化水流量計中的勵磁方式’3，其測量速度快，受電化學(xué)反應(yīng)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，零點容易漂移。低頻矩形波勵磁具有實現(xiàn)簡單、零點穩(wěn)定、抗工頻干擾等優(yōu)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(chǎn)應(yīng)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(nèi)還沒有廠家能夠提供擁有自主產(chǎn)權(quán)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(wěn)定性好的優(yōu)點，且對流動噪聲不敏感，但是由于需要執(zhí)行復(fù)雜算法，會增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵磁研究的基礎(chǔ)上對其進行了改進，并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(yōu)點的同時，又能夠在很寬的測量范圍內(nèi)實現(xiàn)流量的高精度測量’7。
2. 2恒定磁場勵磁   
相對于交變磁場勵磁方式來說，恒定磁場勵磁的方式實現(xiàn)起來更加簡單，受工頻干擾影響小，而且使用恒定磁場勵磁可以簡化傳感器結(jié)構(gòu)’2。   
恒定磁場勵磁*關(guān)鍵的問題就是電化學(xué)及其他因素會在軟化水流量計測量電*上產(chǎn)生嚴(yán)重的*化現(xiàn)象，導(dǎo)致測量電*兩端產(chǎn)生*化電壓。*化電壓過大，則會淹沒測量信號產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。而交變磁場勵磁可以通過不斷變換勵磁的方向來消除電*表面*化現(xiàn)象，因此，目前國內(nèi)外軟化水流量計大多采用交變磁場勵磁。恒定磁場勵磁方式應(yīng)用于導(dǎo)電率*高、流體內(nèi)阻*小、而又不產(chǎn)生*化效應(yīng)的液態(tài)金屬的流量測量中。   
為了克服電*表面*化現(xiàn)象，目前采用的方法可分為以下兩種。
①從*化電壓的原理出發(fā)，分析兩個電*上*化電壓的相關(guān)性，從根本上消除*化電壓的影響，如差分對比消除*化電壓法。但是由于*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(yīng)電動勢，所以其消除*化的效果并不理想。
②另一種是避開*化電壓的原理，設(shè)法在不影響流體感應(yīng)信號測量的情況下，將*化電壓控制在一個穩(wěn)定的值，如繼電器電容反饋抑制*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*上施加快速變化的交變電場來抑制*化電壓，且此交變電場只在非采樣時間段內(nèi)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*進行等電量動態(tài)跟蹤反饋的方法來消除磁鋼勵磁軟化水流量計的電**化問題’8。目前，這種方法是當(dāng)前恒磁磁場勵磁方法研究的焦點。
3、信號處理方法的改良
軟化水流量計通過采集一段時間內(nèi)的電信號來達到測量流量的目的，這樣在測量過程中不可避免地會摻雜各種干擾信號，因此對信號的檢測處理方式的改良就顯得尤為重要。
3.1普通軟化水流量計信號處理   
信號的檢測處理實際上就是對信號進行放大、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。軟化水流量計的干擾主要包括*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、零點漂移等。除此以外，部分研究發(fā)現(xiàn)流體的不對稱流動’9。電*和勵磁線圈的不對稱也會產(chǎn)生相應(yīng)的測量誤差zo。國內(nèi)許多機構(gòu)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，采用矩形波勵磁來克服*化電壓、工頻帶來的干擾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產(chǎn)生的干擾zz。周真、王強等人通過對流量計*間信號進行建模來分離干擾信號和流量信號23，采取提前確定闌值來進行偏置調(diào)整抑制低頻漂移產(chǎn)生的干擾za，利用數(shù)?；旌?優(yōu)濾波法消除微分干擾25。對于恒磁勵磁方式來說，干擾主要來源于*化電壓干擾以及零點漂移干擾，消除零點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漂移法等。石冰鑫、李景云公布了一項利用光電傳輸信號的軟化水流量計，可以有效降低傳輸過程中的干擾。
3. 2電容式軟化水流量計信號處理   
普通軟化水流量計的電*部分是以金屬導(dǎo)體與被測液體接觸，而流體流動時會對電*產(chǎn)生碰撞噪聲。后來研發(fā)的電容式軟化水流量計使電*部分不與被測流體直接接觸，而是透過管壁與流體的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)，從根本上解決了雜散噪聲的問題ze。但是由于藕合電容的容抗是電容式軟化水流量計的主要信號內(nèi)阻，其藕合電容值很小，而內(nèi)阻很大，測量得到的信號信噪比會很小。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制比的差動放大器，進行信號的阻抗轉(zhuǎn)換和放大。   
目前，信號檢出方法有兩種:直接檢測感應(yīng)電壓與通過“虛地”來檢測電流法。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“虛地”與合適的電阻值來獲得高電勢，通過口= CE來計算電容，*后通過微分得出電流值。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(fù)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(shù)同頻相關(guān)，不同頻不相關(guān)的性質(zhì)，通過互相關(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，與混亂信號進行相關(guān)即可提取出微弱的測量信號。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理當(dāng)中，他們使用了基于相關(guān)檢測原理的旋轉(zhuǎn)電容濾波器。這種電路抗干擾能力很強，有很高的信噪比za。  
由于智能軟化水流量計的出現(xiàn)，越來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對信號進行在線處理，以有效地降低干擾29 -30，或利用小波變換對信號進行處理以抑制干擾3等。
4、流量計的智能化   
隨著微處理器的發(fā)展，軟化水流量計也在朝著智能化方向發(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(gòu)成了智能軟化水流量計。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(biāo)志，即通過軟件來控制軟化水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技術(shù)。數(shù)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(shù)字電路毛刺干擾消除、A/D轉(zhuǎn)換器的抗工頻以及確保輸人微處理器數(shù)字的可靠性32。另外，數(shù)據(jù)在線分析與數(shù)據(jù)重構(gòu)也是其研究方向之一，如利用小波變換分離漿液流體當(dāng)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。   
軟化水流量計是無阻擾測量，其測量電*與流體接觸后容易發(fā)生磨損、腐蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會*大地影響軟化水流量計的測量精度。為了便于拆卸維護，軟化水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、勵磁電路的完整性和準(zhǔn)確性(包括勵磁線圈電阻和勵磁電流)、監(jiān)控和診斷流程和環(huán)境條件的變化(如液體電導(dǎo)率是否變化，流體中氣泡和固體顆粒含量等35)。隨后出現(xiàn)一種無需改變軟化水流量計結(jié)構(gòu)就能進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?qū)崿F(xiàn)軟化水流量計量程的自動轉(zhuǎn)換，同時利用增益控制方法能有效削弱微分干擾峰值使放大器過載的問題，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題，但是當(dāng)軟化水流量計引人智能系統(tǒng)后，來自微處理器的各種干擾同樣會影響測量結(jié)果的精度，甚至?xí)?dǎo)致整個流量測量系統(tǒng)跑飛或崩潰。目前，國內(nèi)外常常使用軟硬件結(jié)合的方式來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“看門狗”技術(shù)等。純粹的軟件抗干擾會浪費大量的CPU功率，所以先使用硬件來消除大部分干擾。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(jié)束語   
近年來，軟化水流量計隨著需求的增加不斷發(fā)展。在諸多的軟化水流量計技術(shù)發(fā)展當(dāng)中，作者認(rèn)為未來的軟化水流量計發(fā)展仍然以勵磁優(yōu)化、信號處理技術(shù)為主，同時軟化水流量計將不斷添加各種智能化的功能以應(yīng)對更多、更復(fù)雜的測量環(huán)境。

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