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未來軟(ruǎn)化水流量計測量技術的發展方向及趨勢

點擊次數:2084 發布(bù)時間:2021-09-08 01:44:30
流量計是利用物理原理實現對一段時(shí)間內流體(tǐ)流量(liàng)測量的儀器。 其有結構簡單、寬量程、耐腐蝕等優點,被廣泛應用於石油及城(chéng)市排汙等髒汙流體環境中,是當前*受歡迎的流量計品種之一。軟化水流(liú)量計的理論產生於20世紀(jì)20年(nián)代。當代電流量計大多以計算機技術為基礎,其功能隨著計算機的信息處(chù)理能力、存儲能力、運算能力和計(jì)算機的控製功能的增強而增強(qiáng)。軟化水(shuǐ)流量計技(jì)術革新的四個方向(xiàng)值得關注:軟化水流量(liàng)計的結構、軟化(huà)水流量計的勵磁(cí)方式、軟化水流量計的信(xìn)號處理技術以及軟(ruǎn)化水流(liú)量(liàng)計的智能化等。軟化水流量計的精度關係到計量的準確性。本文以軟化水流量計的發展曆史為線索,分析了軟化水流量(liàng)計的四個發展方向,即軟化水流量計的結構(gòu)、軟化水流量計的勵磁為一式、軟化水(shuǐ)流量計的信號處理為一(yī)式、軟化水流量計的(de)智能化為線索,總結軟化水流量計的(de)發(fā)展曆程並分析其發展趨勢。對軟化水(shuǐ)流量計的(de)技術進行了詳細說明,介(jiè)紹了每種技術的大致趨勢(shì)並列舉了近年來該方向所產生的*新技術,闡述了當前流量計(jì)技術發展的(de)現狀以及未來的發展方向。在分析新興技術的基礎上,總結出軟化水流量計未(wèi)來的發展趨勢。在智能化技術不斷(duàn)發展和完善的(de)新(xīn)時期,未來軟化水流量計仍以勵磁優化、信號處理技術為主(zhǔ),同時(shí)又不(bú)斷改(gǎi)變軟化水流量計(jì)的結構,以適應越來越複雜的測量環境和滿足測量要求個性化的趨勢。
1、軟化水流量計結構
軟化水流量(liàng)計是(shì)利用電*與流體構成一個回路來測量(liàng)回路中(zhōng)產生的電參數。傳統(tǒng)軟化水流量計測量原理如圖1所示。電磁線圈(quān)在直徑為d、橫截麵積為A的管道中(zhōng)產生一個磁場強度為B的(de)磁場。當有流體經過時會切(qiē)割磁感線而產生感應電動(dòng)勢U,測量電*接收中:口為流量;k為修(xiū)正係數。

由於傳統的軟化水流量計無法測量低電導率的流體,且對摩擦、粘附效應敏感,隻能測量流體滿管情況等,因此需要改變其結構,使其能夠適應更複雜的環境。改變軟化水流量計結構的主要方法是改變電*的數量和位置(zhì),從而形成電容軟化水流量計、非滿管軟化水(shuǐ)流量計等(děng)。
1.1電容軟化水流量(liàng)計 
電容式軟化水流量計從根本上解(jiě)決了(le)電*表麵附著、腐蝕、摩擦等問題4,其電*與被測流體間有(yǒu)絕緣襯裏隔(gé)離,或者直接采(cǎi)用絕緣測量管。電*置於測量管外麵或鑲嵌於測量管內部3。嵌人式(shì)軟化水流量計和外貼式軟化(huà)水流量計的結構如圖2所示。

電*與被測流體通(tōng)過(guò)絕緣管形成檢測電容,通過此電容來藕合(hé)流量信號。其主要的結構形式按(àn)照電*的安裝位置可(kě)以(yǐ)分為兩種:電*嵌人測量管的絕緣(yuán)襯裏內部(嵌人(rén)式)、電(diàn)*貼在測量管外部(外貼式)。嵌人式結構與普通軟(ruǎn)化水流量計(jì)結構相(xiàng)似,而外貼式大多是通過陶瓷(cí)表麵金屬化技術將電(diàn)*貼在測量(liàng)管外。
1. 2非滿管軟化水流量計
普通的軟化水流量計隻能測量滿管流的(de)流量,而很多情(qíng)況下由於流(liú)量流速很快,有時充不滿管道,普通的軟化水流量計不能(néng)適用(yòng),因此希望軟化(huà)水流量計能夠進行非滿管流量的測量。目前市麵上常見的非滿管軟化水流(liú)量(liàng)計有(yǒu)下麵(miàn)幾種。
①多電*式非滿管軟化水流量(liàng)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(guǎn)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麵積是固定的,此時(shí)計算流量值隻需要測量(liàng)流(liú)體的流(liú)速即可。當流體非滿管時,滿管電*檢測到管道非滿狀態,利用算法修正測量值,此時流量計的測量方式改(gǎi)成測(cè)量流體流速(sù)和液(yè)麵高度。信號注人電*與在不同位置的三對測量電*共同工作,用於(yú)測量液位麵的高度和流體的速度。多電*式非滿管軟化水流量計結構簡圖如圖3所示。

②電容式(shì)非滿管軟(ruǎn)化水流量計h。電容式非滿(mǎn)管軟(ruǎn)化水(shuǐ)流量計結構簡圖如圖4所(suǒ)示。、檢測信號電*  發送信號電
圖(tú)4電容式非(fēi)滿管軟化水流量計結構簡圖

電容式非滿(mǎn)管軟化水流量計就是利用液位的變化使得電容的*距發生變化,通過測量(liàng)發送電*和檢測(cè)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(shuāi)減研(yán)製的非滿(mǎn)管軟化水流量計。這種結構的非滿管軟化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(tiē)一對信號發(fā)射電*,在流(liú)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(shí)間越長,衰減越多,因此通過信(xìn)號接收電*接收到的信號衰減量即可得知(zhī)液麵高度(dù);同時該(gāi)電*還能測量流體切割磁感(gǎn)線產生的電動勢,以此達到測量非滿管流量的目的。阻(zǔ)抗式或信號衰(shuāi)減非滿管軟化水流量(liàng)計(jì)結構簡圖如圖5所示。   

④智能化非滿管(guǎn)軟化水流量計。這種流量計是軟化水流量計智能(néng)化發(fā)展的方向之(zhī)一。使用兩種接法不同的勵磁線圈,應用權重函數(shù)與幾何位置有關的原理,建立液位的函數(shù)關係(xì),*後通過在線計算求取液位。薑玉林、丁文(wén)斌改進了權重函數與感應電勢的計算方法夥(huǒ)對於非滿管流量計來說,由於(yú)其流體分布與(yǔ)普通的軟化水流量計(jì)不同,因(yīn)此其權重函數也不同,衛開夏、李斌在非滿管的情況下對其權(quán)重函數進行有(yǒu)限(xiàn)元數值(zhí)分析(xī),得到不(bú)同液麵(miàn)下的權重函數9。   
除(chú)此之外還有其他功能的軟化水流(liú)量計(jì),例如改變(biàn)信息傳輸通道將信號線與電源線串在一起的二進(jìn)製軟化水流量計、用於測量渠道的潛水軟化(huà)水流量計、為了降(jiàng)低功耗並提高勵磁效率和靈敏度(dù)而設計(jì)的異徑軟化水流量計’。、用於油水兩相流流(liú)量測(cè)量的分流式(shì)軟化水流量計”以及其他軟化水流量計
2、勵磁(cí)方式的優化   
勵磁方式的選擇影(yǐng)響(xiǎng)了整個流量計係統(tǒng)的精度、能(néng)耗等(děng)參數。因此在(zài)軟化水流(liú)量計的(de)結構確定(dìng)之後,勵磁方式的選(xuǎn)擇(zé)尤為重(chóng)要。勵磁方式可(kě)以(yǐ)分為兩種基本形式,即采用交變磁場的形(xíng)式(包括正弦波勵磁、矩形波勵磁、三值波(bō)勵磁和雙頻矩形波勵磁)和采用恒(héng)定磁場的形(xíng)式(包(bāo)括直(zhí)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(shì)*早應用於軟化水流(liú)量計(jì)中的勵(lì)磁方(fāng)式’3,其測(cè)量速度快,受(shòu)電(diàn)化學反應影響小,但是由於頻率(lǜ)高,容易因為渦流產生同(tóng)相(xiàng)噪聲(shēng)且微分噪聲補償困難,零(líng)點容易(yì)漂移。低頻矩形波勵磁具有(yǒu)實現簡(jiǎn)單、零點穩定、抗工頻幹擾等優點而成為流量計廠商主要采用的勵磁方式’4。
隨著實際生產應用(yòng)中對(duì)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(zú)要求,於是國外提出高頻方波勵(lì)磁和雙頻矩形波勵磁。高頻方波勵磁或雙頻矩(jǔ)形波勵磁雖能有效克服漿液噪聲、流動噪聲等幹(gàn)擾並提高測量速度,但(dàn)是有關高頻勵磁部分的核心技術並未披露(lù)’5一’6。國內還沒有廠家能夠提供擁有自主(zhǔ)產權(quán)的產品,相關的文(wén)獻也很少。雖然雙頻矩形波(bō)勵磁兼具高頻測量(liàng)速度快和低頻穩定性好(hǎo)的優點,且對(duì)流動噪聲不(bú)敏感,但(dàn)是由於需要執行複雜算法(fǎ),會增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵磁研究的基(jī)礎上對其進行了改進,並提出一種時分雙頻勵磁的(de)方法。該方法在兼顧了低頻高頻優點的同時,又能夠在很寬(kuān)的(de)測量範圍內實(shí)現流量的高精度測量’7。
2. 2恒定磁場勵磁   
相對於交變磁場勵(lì)磁方式來說,恒定磁場勵磁(cí)的(de)方(fāng)式實現起來更加簡單,受工頻幹擾影響小,而且使用恒定磁場勵磁可以簡化(huà)傳感器結構’2。   
恒定(dìng)磁場勵磁*關鍵的問題就是電化學及其他因素會在軟化水流(liú)量計測量電(diàn)*上(shàng)產生嚴重的*化現象,導致測量電*兩端產生(shēng)*化電壓。*化電壓過大,則會淹沒測量(liàng)信號產生的感應電動勢(shì)。而交變磁場勵磁可以通(tōng)過不斷變換勵磁的方向來消除電*表麵*化現象,因此,目前國內外軟化水流量計大多采用交變磁場勵(lì)磁。恒定磁場勵磁方式應用於導電率*高、流體內阻*小、而又不產生*化效應的液態金屬的流量測量中。   
為了(le)克服電(diàn)*表麵*化現象,目前采用的方法可分為(wéi)以(yǐ)下兩種。
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*化電壓的影響,如差分對比消除*化(huà)電壓法(fǎ)。但是由於*化電壓影響因素多,且其隨機性遠遠(yuǎn)大於反映流量信(xìn)號的感應電(diàn)動勢,所以其消除*化的(de)效果並不理想。
②另一(yī)種是避開*化電(diàn)壓的原理,設法在不影響流體感應信號測(cè)量的情(qíng)況下,將*化電壓控製在一個穩定的值,如繼電器電容反饋抑製*化法(fǎ)’2。浙江大學提出了一種新的方法,該方法是(shì)利用在電*上施加快速變化(huà)的交變電場來抑製*化電壓,且此交變電場隻在非采(cǎi)樣時間段內激發。上海大學提出了另外一種反(fǎn)饋的方法,即對測量電(diàn)*進行等電(diàn)量動態跟蹤反饋的方法來消除磁鋼勵磁軟化水(shuǐ)流量計的電**化問(wèn)題’8。目前,這種(zhǒng)方法是當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(tōng)過采集一段時間內的電信號來達到測量流量的(de)目的(de),這樣在測量(liàng)過程中不可避免地會摻雜各種幹擾信號,因此對(duì)信(xìn)號的檢測處理方式的改良(liáng)就顯得(dé)尤為重(chóng)要。
3.1普(pǔ)通軟化水(shuǐ)流(liú)量計信號處理   
信號的檢測處(chù)理實際上(shàng)就是對信號進行放大、采集與(yǔ)幹擾(rǎo)抑製。信號(hào)方麵的研究主要集中在幹擾的抑製上。軟(ruǎn)化水流(liú)量(liàng)計(jì)的幹擾主要包括*化電壓的(de)幹擾、工頻幹擾、電化學幹擾(rǎo)、流體碰撞幹擾、微分幹擾、零點漂移等。除此以外(wài),部分研究發現(xiàn)流(liú)體的(de)不對稱流動’9。電*和勵磁線(xiàn)圈(quān)的不對稱也會產生相應的測量誤差zo。國內許多機構在這些方麵(miàn)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(xíng)波勵磁來克服*化電壓、工頻帶來的幹(gàn)擾2,,利用增加勵磁頻率或改變勵磁方式,克服電化(huà)學幹擾和流體碰撞(zhuàng)管道時產(chǎn)生的(de)幹(gàn)擾zz。周真、王強等人通過對(duì)流量計*間信號進行(háng)建模來分離幹擾信號(hào)和(hé)流量信號23,采取提前確定闌值來進(jìn)行偏置(zhì)調整抑製(zhì)低頻漂移產生的(de)幹擾za,利用數模混(hún)合*優濾波法消除微分幹(gàn)擾25。對於恒磁勵磁方式來說,幹擾主要來(lái)源於(yú)*化電壓幹擾以及零點漂移幹擾,消除零點漂(piāo)移幹擾的方法有(yǒu)電(diàn)容隔離法、反(fǎn)饋式信號處理(lǐ)方法和三次采樣消除零點漂移法等。石冰鑫、李景雲公布了一項利用光電傳輸信號的軟化水流量計,可以有效(xiào)降低傳輸過(guò)程中的(de)幹擾(rǎo)。
3. 2電容式軟化水流量計信號處理   
普(pǔ)通(tōng)軟化水流(liú)量(liàng)計的(de)電*部分是以金屬導體與被測液體接觸,而流體流動時會(huì)對電*產生碰(pèng)撞噪聲。後來研發的(de)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(dòng)勢產生感應,從根本上(shàng)解決了雜散(sàn)噪聲的問題ze。但(dàn)是由於藕合電容的容抗是電容(róng)式軟化水流(liú)量計的主要信號內阻(zǔ),其藕合電容值很(hěn)小,而內阻(zǔ)很大,測量得到的信號信(xìn)噪比會很小。為了獲取(qǔ)較高的信噪比,必須使用高輸人阻(zǔ)抗的前置(zhì)放大器和高共模抑製比的差動放大器,進行信號的阻抗轉換(huàn)和(hé)放大。   
目前,信號檢出方(fāng)法(fǎ)有兩種:直(zhí)接檢測感應電壓與通(tōng)過“虛地”來檢測電流法。電壓檢測法技(jì)術(shù)成熟,但是(shì)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(suàn)電容,*後通過微分得出電流值。此方法(fǎ)可從根本(běn)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,而且電路複雜,一般較少采用。   
盧國峰、王保良等(děng)人引人(rén)了互相關檢測方法。互相關檢測方法是基於互相關函數同頻相關,不同頻不相關(guān)的性質,通過互相關運(yùn)算,達到濾出噪聲的效果。已知發送信號的頻率,就(jiù)可在接收(shōu)端發出相同頻率的參考信號,與混亂信(xìn)號進行相關即可提取出微弱的測量信號(hào)。在後續(xù)的數據處(chù)理當中,他們使用(yòng)了基(jī)於相(xiàng)關檢測原理的旋轉電容濾波器。這種電路抗幹擾能力很強,有很高的信噪比(bǐ)za。  
由於智能軟(ruǎn)化水流量計的出現,越來越多的信號處理技術不再是單純的電路式濾波(bō),而更多地使用軟件濾(lǜ)波,比如可以(yǐ)利用Matlab對信號進行在(zài)線處理(lǐ),以有效地(dì)降低(dī)幹擾29 -30,或利用小波變換對信(xìn)號進行處理以抑製幹(gàn)擾3等。
4、流量計的智能化   
隨著微(wēi)處理器的發展,軟化水流量計也在朝(cháo)著智能化方向(xiàng)發展。其智能化方向可分為信號處(chù)理智能化和控製智能化,兩者(zhě)共同作(zuò)用構成了(le)智能軟化水流量計。其主要技術包括軟件技術、自診斷功能、程控放大器技術、微處理器抗(kàng)幹擾技術等。   
軟件技術是信號處理智能化的標誌,即通過軟(ruǎn)件來控製(zhì)軟化水流量計的整個工作(zuò)過程。數字濾波、非線性擬(nǐ)合、零(líng)點自校正是較常見的(de)技術。數字濾波能夠(gòu)完成模擬濾波不能完(wán)成的濾波功能,例如:脈衝幹擾剔除、數字電路毛刺幹擾消(xiāo)除、A/D轉換器的抗工頻以及確(què)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(xiàng)之一,如利用小波變換分離漿液流體當中的流量信號(hào)、漿液信號33和(hé)利用陷波濾波器組的信號處理方法等34。   
軟化水流量計是(shì)無阻擾測量,其測量電*與流體接觸後容(róng)易發生磨損、腐蝕、結垢等現象,這些現象會*大地影響軟化水流量計的測量精度。為了便於拆卸維護,軟化水流量計增加了自診(zhěn)斷功能。其功(gōng)能越來越多,相繼添(tiān)加了信號線性度、勵磁電路的完整性(xìng)和準確性(包括勵磁線圈電阻(zǔ)和勵磁電流)、監控(kòng)和診斷流程和環境條件的變化(如液體電導率是否(fǒu)變化,流體中氣泡(pào)和固體顆粒含量等35)。隨後出現一種無需改變軟化水流量計結構就能進(jìn)行勵磁電流異(yì)常的自診斷(duàn)技術36   
程控放大器技術能夠實現軟化水流(liú)量計量程的自動轉換,同時利用增益(yì)控製方法能有(yǒu)效削弱微分(fèn)幹擾峰(fēng)值使放大器過載的問題(tí),便於流量信號電勢處(chù)理,提(tí)高抗(kàng)微分幹擾的能(néng)力。   
以(yǐ)往的抗幹(gàn)擾技術解決了輸(shū)人與輸出之間的各種幹擾問題,但是當軟化水流量計引(yǐn)人智能係統後,來自(zì)微處理器的各種幹擾同樣會影響測量(liàng)結果的(de)精度,甚至會導致整個流量測量係統跑飛或崩潰。目前,國內外常常使用軟硬件結合的方式來提高微處理器(qì)的(de)抗幹擾能力33,37。常用的軟件抗幹(gàn)擾(rǎo)方法有:軟(ruǎn)件指令冗餘措施、軟件(jiàn)陷阱抗(kàng)幹擾方法、軟件“看門狗”技術等。純粹的軟件抗幹擾(rǎo)會浪(làng)費大量的CPU功率,所以先使用硬件來消除大部分幹擾。常用的硬件抗幹擾有:光電隔離器、接地技術、掉電保護技術等。
5、結束語   
近年來,軟化水流量計隨著需求的增加不斷(duàn)發展。在諸多的軟化水流量計技術發展當中,作者認為未來的軟化水流量計發(fā)展仍然(rán)以勵(lì)磁優化、信號處理技(jì)術為主,同時(shí)軟化(huà)水流量計(jì)將不斷添加各種智(zhì)能(néng)化的功能以應對更多、更複雜的測量環境。

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