渠道排水流量計(jì)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向及趨勢(shì)

流量計(jì)是利用物理原理實(shí)現(xiàn)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)流體流量測(cè)量的儀器。 其有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、寬量程、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)品種之一。渠道排水流量計(jì)的理論產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代。當(dāng)代電流量計(jì)大多以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，其功能隨著計(jì)算機(jī)的信息處理能力、存儲(chǔ)能力、運(yùn)算能力和計(jì)算機(jī)的控制功能的增強(qiáng)而增強(qiáng)。渠道排水流量計(jì)技術(shù)革新的四個(gè)方向值得關(guān)注:渠道排水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、渠道排水流量計(jì)的勵(lì)磁方式、渠道排水流量計(jì)的信號(hào)處理技術(shù)以及渠道排水流量計(jì)的智能化等。渠道排水流量計(jì)的精度關(guān)系到計(jì)量的準(zhǔn)確性。本文以渠道排水流量計(jì)的發(fā)展歷史為線索，分析了渠道排水流量計(jì)的四個(gè)發(fā)展方向，即渠道排水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、渠道排水流量計(jì)的勵(lì)磁為一式、渠道排水流量計(jì)的信號(hào)處理為一式、渠道排水流量計(jì)的智能化為線索，總結(jié)渠道排水流量計(jì)的發(fā)展歷程并分析其發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)渠道排水流量計(jì)的技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，介紹了每種技術(shù)的大致趨勢(shì)并列舉了近年來(lái)該方向所產(chǎn)生的*新技術(shù)，闡述了當(dāng)前流量計(jì)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展方向。在分析新興技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出渠道排水流量計(jì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。在智能化技術(shù)不斷發(fā)展和完善的新時(shí)期，未來(lái)渠道排水流量計(jì)仍以勵(lì)磁優(yōu)化、信號(hào)處理技術(shù)為主，同時(shí)又不斷改變渠道排水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)越來(lái)越復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境和滿足測(cè)量要求個(gè)性化的趨勢(shì)。
1、渠道排水流量計(jì)結(jié)構(gòu)
渠道排水流量計(jì)是利用電*與流體構(gòu)成一個(gè)回路來(lái)測(cè)量回路中產(chǎn)生的電參數(shù)。傳統(tǒng)渠道排水流量計(jì)測(cè)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(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)。當(dāng)有流體經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U，測(cè)量電*接收中:口為流量;k為修正系數(shù)。

由于傳統(tǒng)的渠道排水流量計(jì)無(wú)法測(cè)量低電導(dǎo)率的流體，且對(duì)摩擦、粘附效應(yīng)敏感，只能測(cè)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。改變渠道排水流量計(jì)結(jié)構(gòu)的主要方法是改變電*的數(shù)量和位置，從而形成電容渠道排水流量計(jì)、非滿管渠道排水流量計(jì)等。
1.1電容渠道排水流量計(jì) 
電容式渠道排水流量計(jì)從根本上解決了電*表面附著、腐蝕、摩擦等問(wèn)題4，其電*與被測(cè)流體間有絕緣襯里隔離，或者直接采用絕緣測(cè)量管。電*置于測(cè)量管外面或鑲嵌于測(cè)量管內(nèi)部3。嵌人式渠道排水流量計(jì)和外貼式渠道排水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電*與被測(cè)流體通過(guò)絕緣管形成檢測(cè)電容，通過(guò)此電容來(lái)藕合流量信號(hào)。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(cè)量管的絕緣襯里內(nèi)部(嵌人式)、電*貼在測(cè)量管外部(外貼式)。嵌人式結(jié)構(gòu)與普通渠道排水流量計(jì)結(jié)構(gòu)相似，而外貼式大多是通過(guò)陶瓷表面金屬化技術(shù)將電*貼在測(cè)量管外。
1. 2非滿管渠道排水流量計(jì)
普通的渠道排水流量計(jì)只能測(cè)量滿管流的流量，而很多情況下由于流量流速很快，有時(shí)充不滿管道，普通的渠道排水流量計(jì)不能適用，因此希望渠道排水流量計(jì)能夠進(jìn)行非滿管流量的測(cè)量。目前市面上常見的非滿管渠道排水流量計(jì)有下面幾種。
①多電*式非滿管渠道排水流量計(jì)5。其底部是一對(duì)信號(hào)注人電*，中間有多對(duì)測(cè)量電*，頂端有一個(gè)滿管電*。在滿管情況下，該流量計(jì)與普通的渠道排水流量計(jì)的功能相同，滿管情況下流體的橫截面積是固定的，此時(shí)計(jì)算流量值只需要測(cè)量流體的流速即可。當(dāng)流體非滿管時(shí)，滿管電*檢測(cè)到管道非滿狀態(tài)，利用算法修正測(cè)量值，此時(shí)流量計(jì)的測(cè)量方式改成測(cè)量流體流速和液面高度。信號(hào)注人電*與在不同位置的三對(duì)測(cè)量電*共同工作，用于測(cè)量液位面的高度和流體的速度。多電*式非滿管渠道排水流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

②電容式非滿管渠道排水流量計(jì)h。電容式非滿管渠道排水流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。、檢測(cè)信號(hào)電*  發(fā)送信號(hào)電
圖4電容式非滿管渠道排水流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

電容式非滿管渠道排水流量計(jì)就是利用液位的變化使得電容的*距發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量發(fā)送電*和檢測(cè)電*之間的電容藕合值即可測(cè)量流量值。   
③利用阻抗或信號(hào)衰減研制的非滿管渠道排水流量計(jì)。這種結(jié)構(gòu)的非滿管渠道排水流量計(jì)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究的方向之一7。其結(jié)構(gòu)是流量管底部貼一對(duì)信號(hào)發(fā)射電*，在流量管中間貼信號(hào)接收電*。由于信號(hào)在流體中傳播會(huì)產(chǎn)生衰減，且傳播時(shí)間越長(zhǎng)，衰減越多，因此通過(guò)信號(hào)接收電*接收到的信號(hào)衰減量即可得知液面高度;同時(shí)該電*還能測(cè)量流體切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，以此達(dá)到測(cè)量非滿管流量的目的。阻抗式或信號(hào)衰減非滿管渠道排水流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。   

④智能化非滿管渠道排水流量計(jì)。這種流量計(jì)是渠道排水流量計(jì)智能化發(fā)展的方向之一。使用兩種接法不同的勵(lì)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(guò)在線計(jì)算求取液位。姜玉林、丁文斌改進(jìn)了權(quán)重函數(shù)與感應(yīng)電勢(shì)的計(jì)算方法伙對(duì)于非滿管流量計(jì)來(lái)說(shuō)，由于其流體分布與普通的渠道排水流量計(jì)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(duì)其權(quán)重函數(shù)進(jìn)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渠道排水流量計(jì)，例如改變信息傳輸通道將信號(hào)線與電源線串在一起的二進(jìn)制渠道排水流量計(jì)、用于測(cè)量渠道的潛水渠道排水流量計(jì)、為了降低功耗并提高勵(lì)磁效率和靈敏度而設(shè)計(jì)的異徑渠道排水流量計(jì)’。、用于油水兩相流流量測(cè)量的分流式渠道排水流量計(jì)”以及其他渠道排水流量計(jì)。
2、勵(lì)磁方式的優(yōu)化   
勵(lì)磁方式的選擇影響了整個(gè)流量計(jì)系統(tǒng)的精度、能耗等參數(shù)。因此在渠道排水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)確定之后，勵(lì)磁方式的選擇尤為重要。勵(lì)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(lì)磁、矩形波勵(lì)磁、三值波勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁)和采用恒定磁場(chǎng)的形式(包括直流電源勵(lì)磁和永磁體勵(lì)磁)’2。
2.1交變磁場(chǎng)勵(lì)磁   
工頻正弦波是*早應(yīng)用于渠道排水流量計(jì)中的勵(lì)磁方式’3，其測(cè)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?yàn)闇u流產(chǎn)生同相噪聲且微分噪聲補(bǔ)償困難，零點(diǎn)容易漂移。低頻矩形波勵(lì)磁具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、零點(diǎn)穩(wěn)定、抗工頻干擾等優(yōu)點(diǎn)而成為流量計(jì)廠商主要采用的勵(lì)磁方式’4。
隨著實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中對(duì)流體測(cè)量速度和對(duì)漿液測(cè)量精度要求的提高，低頻勵(lì)磁已不能滿足要求，于是國(guó)外提出高頻方波勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁。高頻方波勵(lì)磁或雙頻矩形波勵(lì)磁雖能有效克服漿液噪聲、流動(dòng)噪聲等干擾并提高測(cè)量速度，但是有關(guān)高頻勵(lì)磁部分的核心技術(shù)并未披露’5一’6。國(guó)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(xiàn)也很少。雖然雙頻矩形波勵(lì)磁兼具高頻測(cè)量速度快和低頻穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)流動(dòng)噪聲不敏感，但是由于需要執(zhí)行復(fù)雜算法，會(huì)增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵(lì)磁研究的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并提出一種時(shí)分雙頻勵(lì)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(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)流量的高精度測(cè)量’7。
2. 2恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁   
相對(duì)于交變磁場(chǎng)勵(lì)磁方式來(lái)說(shuō)，恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁的方式實(shí)現(xiàn)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(lì)磁可以簡(jiǎn)化傳感器結(jié)構(gòu)’2。   
恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁*關(guān)鍵的問(wèn)題就是電化學(xué)及其他因素會(huì)在渠道排水流量計(jì)測(cè)量電*上產(chǎn)生嚴(yán)重的*化現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量電*兩端產(chǎn)生*化電壓。*化電壓過(guò)大，則會(huì)淹沒測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。而交變磁場(chǎng)勵(lì)磁可以通過(guò)不斷變換勵(lì)磁的方向來(lái)消除電*表面*化現(xiàn)象，因此，目前國(guó)內(nèi)外渠道排水流量計(jì)大多采用交變磁場(chǎng)勵(lì)磁。恒定磁場(chǎng)勵(lì)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(cè)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?gòu)?化電壓的原理出發(fā)，分析兩個(gè)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(duì)比消除*化電壓法。但是由于*化電壓影響因素多，且其隨機(jī)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反映流量信號(hào)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(hào)測(cè)量的情況下，將*化電壓控制在一個(gè)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(chǎng)來(lái)抑制*化電壓，且此交變電場(chǎng)只在非采樣時(shí)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(duì)測(cè)量電*進(jìn)行等電量動(dòng)態(tài)跟蹤反饋的方法來(lái)消除磁鋼勵(lì)磁渠道排水流量計(jì)的電**化問(wèn)題’8。目前，這種方法是當(dāng)前恒磁磁場(chǎng)勵(lì)磁方法研究的焦點(diǎn)。
3、信號(hào)處理方法的改良
渠道排水流量計(jì)通過(guò)采集一段時(shí)間內(nèi)的電信號(hào)來(lái)達(dá)到測(cè)量流量的目的，這樣在測(cè)量過(guò)程中不可避免地會(huì)摻雜各種干擾信號(hào)，因此對(duì)信號(hào)的檢測(cè)處理方式的改良就顯得尤為重要。
3.1普通渠道排水流量計(jì)信號(hào)處理   
信號(hào)的檢測(cè)處理實(shí)際上就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、采集與干擾抑制。信號(hào)方面的研究主要集中在干擾的抑制上。渠道排水流量計(jì)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(diǎn)漂移等。除此以外，部分研究發(fā)現(xiàn)流體的不對(duì)稱流動(dòng)’9。電*和勵(lì)磁線圈的不對(duì)稱也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量誤差zo。國(guó)內(nèi)許多機(jī)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(hào)放大處理方法’8，采用矩形波勵(lì)磁來(lái)克服*化電壓、工頻帶來(lái)的干擾2，，利用增加勵(lì)磁頻率或改變勵(lì)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(qiáng)等人通過(guò)對(duì)流量計(jì)*間信號(hào)進(jìn)行建模來(lái)分離干擾信號(hào)和流量信號(hào)23，采取提前確定闌值來(lái)進(jìn)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(duì)于恒磁勵(lì)磁方式來(lái)說(shuō)，干擾主要來(lái)源于*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(hào)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(xiàng)利用光電傳輸信號(hào)的渠道排水流量計(jì)，可以有效降低傳輸過(guò)程中的干擾。
3. 2電容式渠道排水流量計(jì)信號(hào)處理   
普通渠道排水流量計(jì)的電*部分是以金屬導(dǎo)體與被測(cè)液體接觸，而流體流動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電*產(chǎn)生碰撞噪聲。后來(lái)研發(fā)的電容式渠道排水流量計(jì)使電*部分不與被測(cè)流體直接接觸，而是透過(guò)管壁與流體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)，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渠道排水流量計(jì)的主要信號(hào)內(nèi)阻，其藕合電容值很小，而內(nèi)阻很大，測(cè)量得到的信號(hào)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(hào)的阻抗轉(zhuǎn)換和放大。   
目前，信號(hào)檢出方法有兩種:直接檢測(cè)感應(yīng)電壓與通過(guò)“虛地”來(lái)檢測(cè)電流法。電壓檢測(cè)法技術(shù)成熟，但是受流體因素影響大。檢測(cè)電流法通過(guò)“虛地”與合適的電阻值來(lái)獲得高電勢(shì)，通過(guò)口= CE來(lái)計(jì)算電容，*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(fù)雜，一般較少采用。   
盧國(guó)峰、王保良等人引人了互相關(guān)檢測(cè)方法?；ハ嚓P(guān)檢測(cè)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(guò)互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到濾出噪聲的效果。已知發(fā)送信號(hào)的頻率，就可在接收端發(fā)出相同頻率的參考信號(hào)，與混亂信號(hào)進(jìn)行相關(guān)即可提取出微弱的測(cè)量信號(hào)。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(cè)原理的旋轉(zhuǎn)電容濾波器。這種電路抗干擾能力很強(qiáng)，有很高的信噪比za。  
由于智能渠道排水流量計(jì)的出現(xiàn)，越來(lái)越多的信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行在線處理，以有效地降低干擾29 -30，或利用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以抑制干擾3等。
4、流量計(jì)的智能化   
隨著微處理器的發(fā)展，渠道排水流量計(jì)也在朝著智能化方向發(fā)展。其智能化方向可分為信號(hào)處理智能化和控制智能化，兩者共同作用構(gòu)成了智能渠道排水流量計(jì)。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(hào)處理智能化的標(biāo)志，即通過(guò)軟件來(lái)控制渠道排水流量計(jì)的整個(gè)工作過(guò)程。數(shù)字濾波、非線性擬合、零點(diǎn)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(hào)、漿液信號(hào)33和利用陷波濾波器組的信號(hào)處理方法等34。   
渠道排水流量計(jì)是無(wú)阻擾測(cè)量，其測(cè)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(huì)*大地影響渠道排水流量計(jì)的測(cè)量精度。為了便于拆卸維護(hù)，渠道排水流量計(jì)增加了自診斷功能。其功能越來(lái)越多，相繼添加了信號(hào)線性度、勵(lì)磁電路的完整性和準(zhǔn)確性(包括勵(lì)磁線圈電阻和勵(lì)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(wú)需改變渠道排水流量計(jì)結(jié)構(gòu)就能進(jìn)行勵(lì)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)渠道排水流量計(jì)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)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(hào)電勢(shì)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(dāng)渠道排水流量計(jì)引人智能系統(tǒng)后，來(lái)自微處理器的各種干擾同樣會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精度，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)跑飛或崩潰。目前，國(guó)內(nèi)外常常使用軟硬件結(jié)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“看門狗”技術(shù)等。純粹的軟件抗干擾會(huì)浪費(fèi)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(hù)技術(shù)等。
5、結(jié)束語(yǔ)   
近年來(lái)，渠道排水流量計(jì)隨著需求的增加不斷發(fā)展。在諸多的渠道排水流量計(jì)技術(shù)發(fā)展當(dāng)中，作者認(rèn)為未來(lái)的渠道排水流量計(jì)發(fā)展仍然以勵(lì)磁優(yōu)化、信號(hào)處理技術(shù)為主，同時(shí)渠道排水流量計(jì)將不斷添加各種智能化的功能以應(yīng)對(duì)更多、更復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境。