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未来生活污水流量计测量技术的发展方(fāng)向及趋势

点击次数:2243 发布时(shí)间:2021-08-17 07:19:55
流量计是利用物理(lǐ)原理实现对一段时间内流体流量(liàng)测量的仪器。 其有(yǒu)结构简(jiǎn)单(dān)、宽量程、耐腐蚀等优(yōu)点,被广泛应用于石油及城市排污等脏污流体环境中,是当前*受欢迎的流量计品种之一。生活污水流量(liàng)计的理论产生于20世(shì)纪20年代。当代电流量计大多以计算机技(jì)术为基础,其功能随(suí)着计算机的信息处(chù)理(lǐ)能(néng)力(lì)、存储能力、运算能力和计(jì)算机的控制功能的(de)增强(qiáng)而增强。生活污水(shuǐ)流量计技术革新的四个方向值得关注(zhù):生活(huó)污水流(liú)量计的结构(gòu)、生活污水流量计的励磁(cí)方式、生活污水流量计的信(xìn)号(hào)处(chù)理技术(shù)以及生活污水流量计的智能化等。生活污水流量计(jì)的精度(dù)关系到计量(liàng)的准确性。本文以生活污水流量(liàng)计(jì)的发展历史为线索,分析了生活污水流量计的四个发展方(fāng)向,即生活污水流量计的结构、生活污水流(liú)量计的励(lì)磁为一式、生活污水流量(liàng)计的信号处(chù)理为一式、生活污水流量计的智能化为线索,总结生活(huó)污水流量计的发展历程并分析其发展趋势。对生活污水流量计的技术进行(háng)了详细说明,介绍了每种技(jì)术的(de)大致趋(qū)势并列举(jǔ)了近年(nián)来该方向(xiàng)所产生的*新(xīn)技术,阐述了当前流量计技术(shù)发展(zhǎn)的现状以及未来的(de)发展方向。在分(fèn)析新(xīn)兴技术(shù)的基础上,总结出生活污水流量计未来的发展趋势。在(zài)智能化技术不断发展和完善的(de)新时(shí)期,未来生活污水流量计仍以励磁优化、信号处理技术为主,同时又(yòu)不断改变生(shēng)活污水流量计的结构,以适应越来越复杂的测量环境和满足测量要求个性化(huà)的趋势(shì)。
1、生活污水流量(liàng)计结构
生活污水流量计是利用电*与流体构成一个(gè)回(huí)路来测量回路中产生的电参数。传统生活(huó)污水流量计测量原理如图1所示。电磁线(xiàn)圈在直径为d、横截面积为A的管道中产生(shēng)一个(gè)磁场强度为B的(de)磁场。当有流(liú)体经过时会切割(gē)磁感线而产生(shēng)感应电动势U,测量电*接收中:口为流量;k为修正(zhèng)系数。

由于传统的生活污(wū)水流(liú)量计无法测量低电导(dǎo)率的流体,且(qiě)对摩擦、粘附(fù)效应敏感,只能测量流(liú)体满管情况等,因此需(xū)要改变其结构,使(shǐ)其能够适应更复(fù)杂的环境。改变生活污水流量(liàng)计结构的主(zhǔ)要(yào)方法是改(gǎi)变电*的数量和位置,从而形成电容生活污水流量计、非满管生活污水流量计等。
1.1电容(róng)生活污水流量计(jì)
电容式生活污水流量计从根本上解(jiě)决了电*表面附着、腐蚀、摩擦等(děng)问题4,其电*与被(bèi)测流体间(jiān)有绝缘衬里隔离,或者直接采用绝缘测量管。电*置于测(cè)量(liàng)管外面或镶嵌于测(cè)量管(guǎn)内部3。嵌人式生活污水流量(liàng)计和外贴式生活污水流量计的结构如图2所(suǒ)示(shì)。

电(diàn)*与被测(cè)流体通过绝缘管形成检测(cè)电(diàn)容,通过此电容来藕合流量信号。其主要的结构(gòu)形式按照电*的(de)安装位置可以分为两种:电*嵌人测量管的绝缘衬里内部(嵌人式(shì))、电*贴在测量管外部(外贴式)。嵌人式结构与普(pǔ)通生(shēng)活污水流(liú)量计结构相似,而外贴式大多是通过陶瓷表面金属化技术将电*贴(tiē)在测量管外。
1. 2非满管生活污水流量计
普通的生活污水流(liú)量计只能测量满(mǎn)管流的流量,而很多情况下由于流量流速很快,有时充不满管道,普(pǔ)通的生活污水流量计不能适用(yòng),因此(cǐ)希望生活污水流(liú)量计能够进行非满管流量的(de)测量。目前市面(miàn)上常见(jiàn)的(de)非满管生活污水(shuǐ)流量计有下面几(jǐ)种。
①多电*式非满管生活污水(shuǐ)流量计5。其底部是一对信号注人电*,中间有多对测量电*,顶(dǐng)端有一个满管(guǎn)电*。在满管情况下,该流量计与普通的生活污水流量计的功能相同,满管情况下流体(tǐ)的横截面积是固定的,此时计(jì)算流量值只需要测量流体的(de)流速即可。当流(liú)体非满管时,满管电*检测到(dào)管道(dào)非满状态,利(lì)用算法修正测量(liàng)值,此时流(liú)量计的测量方式(shì)改成测量流体流速和液面高度。信号注人电*与在不同位置(zhì)的三对测量电*共(gòng)同(tóng)工作,用于测量液位面(miàn)的高度和流体的速度。多电*式非满管生活污水流量计结构简图如图3所示。

②电容式非满管(guǎn)生活污水流量计h。电容(róng)式非满管生活污水流量计结构简(jiǎn)图如图4所示。、检测(cè)信号电*  发送信号电
图4电容式非满管生活污水流(liú)量计结构简图

电容式非满管生活污(wū)水流(liú)量计(jì)就是利用液位(wèi)的变化使得电容的*距发(fā)生变化,通过测量发送电*和检测电*之间的电容藕合值即可测量流(liú)量值。  
③利用阻抗或信号衰减研制的(de)非满管生活污水流量计(jì)。这种结构的(de)非满(mǎn)管生活污水流量计是当前(qián)国内研究(jiū)的方(fāng)向之一7。其结构是流量管底部贴一对信号发射电*,在流量管中间贴信号接收电*。由于(yú)信号在流体中传播会产生衰(shuāi)减,且传播时间越长,衰减越多,因此通过信号接收电*接收到的信(xìn)号衰减量即可得知液面高度;同时该电(diàn)*还能测量流体切割磁感(gǎn)线产生的电动势,以此达到测量非满管流量的目的。阻抗(kàng)式或信(xìn)号(hào)衰减(jiǎn)非(fēi)满管生活污水流量计结(jié)构简图如图5所示。  

④智能化非满管生活污水(shuǐ)流量(liàng)计。这种流量计是生活污水流量计智能化发展的方向之一。使用两种接法不同的励磁线圈,应用权重函数与几何位置有关的原(yuán)理,建立液位(wèi)的函数关系(xì),*后通过在线计算求(qiú)取液位。姜玉林、丁文斌改进了权(quán)重函数与(yǔ)感应电(diàn)势的计算方法伙(huǒ)对于非满管流量计来说,由于其流体分布与普通的生活污水流量计不(bú)同,因此其权重函数也不同,卫开夏(xià)、李斌在非满管的情况下对其权重函数进行有限元数值分析,得到不同液面下的权重函数9。  
除此之外还有其他功能的生活污(wū)水流量计,例如改变信息传输通道将信号线(xiàn)与电源线串在一起(qǐ)的二进制生活污水流量计、用于测量渠道(dào)的潜水生活污水流量计、为了降低功耗并提高励磁效率和灵敏度(dù)而设计的异径生活污水流量(liàng)计(jì)’。、用(yòng)于油水两相(xiàng)流流量测量的分流式生(shēng)活污水流量计”以及其他生活污水流(liú)量计
2、励磁方(fāng)式(shì)的优化  
励(lì)磁(cí)方式的选(xuǎn)择影响了(le)整(zhěng)个流(liú)量计系统的精度、能耗等参数。因此在生活污水(shuǐ)流量计(jì)的结构确定之后,励磁方式的选择尤为重要。励磁方式可以分为两种基本形(xíng)式,即采用交变磁场的形式(包括正弦波励磁、矩形波励磁(cí)、三(sān)值波励磁和双频矩形波励磁)和采用恒定磁(cí)场的形式(包(bāo)括直流(liú)电(diàn)源励磁和永(yǒng)磁(cí)体励磁)’2。
2.1交变磁场励(lì)磁  
工频正弦波是*早应(yīng)用于生活污水流(liú)量计中的励磁方式’3,其测量速度快,受电化学反应影响小,但是(shì)由于频率高,容易因为(wéi)涡流产生同相噪声且微分噪声补偿困难(nán),零点容易漂移。低频矩形波励磁具有实现简单、零点稳定、抗工(gōng)频干扰等优点而成为流量计厂商主要(yào)采用(yòng)的励磁方式’4。
随着实际生产应(yīng)用中(zhōng)对流体(tǐ)测量速度和对浆(jiāng)液测量精度要求的提高,低频励(lì)磁已不能满足要求,于是国(guó)外提出(chū)高频(pín)方波励磁和双频(pín)矩形波励磁(cí)。高频方波励磁或双频矩形波励磁虽能有效克服浆液噪声、流动噪声等干扰并提高(gāo)测量速度,但是有关高频励磁(cí)部分的核心技术并未披露’5一(yī)’6。国内还没有厂家能够提供拥有自(zì)主产权(quán)的产品,相关的文(wén)献也很少。虽然双频(pín)矩形波励磁兼具高频测量速度(dù)快和低频稳定(dìng)性好的(de)优(yōu)点,且对流动噪声不敏感,但是由于需要执行复杂算法,会(huì)增(zēng)加功耗。刘铁军、宫通胜在(zài)双(shuāng)频励磁研究的基础上对其进行了改进,并(bìng)提出一(yī)种时分双频励磁的方法。该方法(fǎ)在兼顾了低频高频优点的同时,又能够在很宽的测量范围内实现流量的高精度(dù)测量’7。
2. 2恒(héng)定磁场励磁  
相对于交变磁(cí)场励磁方式来说,恒定磁场励磁的方式实现起来更加简单,受工频干扰影响小,而且使用恒(héng)定(dìng)磁场(chǎng)励磁可以(yǐ)简化传感器结构’2。  
恒定磁(cí)场(chǎng)励磁*关键的问题就是电化学及其他因素(sù)会在生活污水(shuǐ)流量计(jì)测量电*上产生(shēng)严(yán)重的(de)*化现象,导致测量电*两端产生*化电压。*化电压过大(dà),则会淹没(méi)测(cè)量信号产生的感(gǎn)应电动势。而交变磁场励磁可以通过不断变换励(lì)磁的方向来消除电*表面*化现象,因此,目前国内外(wài)生活污水流量计大多采用交变磁(cí)场励磁。恒定磁场励(lì)磁方式应用于导电率*高、流体(tǐ)内阻*小、而又不产生*化效应的液态金属(shǔ)的流量测量中。  
为了克服电*表面*化现象,目前采用的方法可分为以下两种。
①从*化电压的原(yuán)理出发,分析两个电*上*化电压(yā)的(de)相(xiàng)关性,从根本上消除*化电压的影响,如差分对比消(xiāo)除(chú)*化电(diàn)压法。但是由(yóu)于*化电压影响(xiǎng)因素多(duō),且其随(suí)机性远远大于反映流量信(xìn)号的感应电动势(shì),所以其消除*化的效果并不理想。
②另一种是避开*化电压的原理,设法在不影响流体感(gǎn)应信号测量的情况(kuàng)下,将*化电压控制在(zài)一个稳定的值,如继电器电容反(fǎn)馈(kuì)抑制*化法’2。浙江(jiāng)大学提出了一种(zhǒng)新的方法,该方法是利用在电(diàn)*上施加快速变化的交变电场来抑制*化电压,且此(cǐ)交变(biàn)电场只在非采样时间段内激发。上海大学提出了另外一种反馈的方法,即对测量电*进行等电量动态跟踪反馈的方法来(lái)消除磁钢励磁生活污水流量(liàng)计的电**化问(wèn)题’8。目前,这种方(fāng)法(fǎ)是当前恒磁磁场励磁方法(fǎ)研究(jiū)的焦点。
3、信号处理方法的改良
生活污水(shuǐ)流量计通过采集一段时(shí)间内(nèi)的电信号来达到测量(liàng)流量的目的,这样在测量过程中不可避免地会掺杂各种干扰信号,因此对信号的检测处理方(fāng)式的改(gǎi)良(liáng)就显得尤(yóu)为重要。
3.1普通生活污水流量计信号处理  
信号的检测(cè)处理实际上就是对信号进行放大、采集与干扰抑(yì)制。信号方面的研究主(zhǔ)要集中在干扰的抑制上。生活污(wū)水流量计的干扰主要(yào)包括(kuò)*化电压的干扰、工频干扰(rǎo)、电化学干扰、流(liú)体碰撞(zhuàng)干扰(rǎo)、微分干扰、零点(diǎn)漂移等。除此以外,部分研究发现流体的(de)不(bú)对称(chēng)流动’9。电*和励磁线(xiàn)圈的不对称也会产生相应的测量误差(chà)zo。国(guó)内许(xǔ)多(duō)机构在这些方(fāng)面作了(le)很多(duō)的研究,如上海大学提出的(de)一种反馈式信号(hào)放大处理方法’8,采用矩形波励磁来克服*化电压、工频(pín)带来的干(gàn)扰2,,利用增加励磁频率(lǜ)或(huò)改变励(lì)磁方式,克服电化学干扰和(hé)流体(tǐ)碰撞管道时产生的干扰zz。周真、王强等人通过(guò)对流量计*间信号(hào)进行建模来分离干扰信号和流量信号23,采取提前确定阑值来进行偏置调整抑制低频漂移产生的干扰za,利用数模混合*优滤波法消除微分干扰25。对于恒磁励磁方(fāng)式来说,干扰主(zhǔ)要来源于*化电压干扰以及(jí)零点漂移干扰,消(xiāo)除零点漂移干扰的方(fāng)法有(yǒu)电容隔离法、反馈式信号处理方法和三次采样消除(chú)零点漂移法等。石冰鑫、李景(jǐng)云公布(bù)了一(yī)项利用光电传输(shū)信号的生活污水(shuǐ)流(liú)量计,可以有效降低传输过程中(zhōng)的干扰。
3. 2电容式生活污水流量计信号处理  
普通生活污水流量计的电*部分是以金属导体与被测液体接触,而流体流(liú)动时会对电*产生碰撞噪声。后来研(yán)发的(de)电容式(shì)生活污水流量计使电*部(bù)分不与被测流体直接接触,而是透过管壁与流体的感应电动(dòng)势产(chǎn)生(shēng)感应,从根本上解决了杂散噪声的(de)问题ze。但是由于藕合电容的容抗是电容式生活污水流量计的主要信号内阻,其藕合电容值很小,而内阻很(hěn)大,测量得到的信(xìn)号信噪比(bǐ)会很(hěn)小。为了获取较高的信噪比,必须使用高输人阻抗的前置放大器和高共模(mó)抑(yì)制比(bǐ)的差动放大器,进行(háng)信号的阻抗转换和放大。  
目前(qián),信号检出方(fāng)法有两种(zhǒng):直接检(jiǎn)测感应电(diàn)压与通过“虚地”来检测电流法。电压检测法(fǎ)技术成熟,但(dàn)是(shì)受流体因素影响大。检测电流法通过“虚(xū)地”与合适的电阻值来获(huò)得高电势,通过(guò)口= CE来计(jì)算电容,*后通过微分得(dé)出(chū)电流值(zhí)。此方法可从根本上消除(chú)电容泄漏(lòu)电流的影响,但是这种方(fāng)法受藕合电容值变化的影响较大(dà),而且电路复杂,一般较少采用。  
卢国(guó)峰、王保良(liáng)等人引人了互相关检测方法。互相关检测方法是(shì)基于互相关函数同频相关,不同频不(bú)相关(guān)的性质,通过(guò)互相关运算,达到滤出(chū)噪声的效果。已知发送(sòng)信(xìn)号的频率,就可在(zài)接收端发出相同频率的参考(kǎo)信号,与混(hún)乱信号进行相关即可(kě)提取出微弱(ruò)的测量信号。在后续的数据处理当中,他们使用了基于相关检测原理的旋转电容滤波器。这种电路抗干扰能力很强,有很高的信噪比(bǐ)za。 
由于智能生活污水流量计的出现,越来越多的信号处理技术不再是单纯的电(diàn)路式滤波,而更多地使用软件滤波,比如可以利用Matlab对信号进行在线处(chù)理,以有效地降低干(gàn)扰(rǎo)29 -30,或利(lì)用小波变换对信号进(jìn)行处理以(yǐ)抑制(zhì)干扰3等。
4、流量计的智能(néng)化  
随着微处理器的发展,生活污水流量计也在朝着智能化(huà)方向发展。其智能化方向可分为信(xìn)号处理智能化和控(kòng)制智能化,两者共同作用构成了智能生活污水流量计。其主要技术包括软(ruǎn)件技术、自诊断功(gōng)能、程控放大器技术、微处理器抗干扰技术等。  
软件技术(shù)是信(xìn)号处(chù)理智能化的标志,即通过软件来控制生活污水流量计的整个工作过程。数字滤波(bō)、非线性拟(nǐ)合、零点(diǎn)自(zì)校正(zhèng)是较常见的技术。数字滤波(bō)能够完成(chéng)模拟滤波不能完成的滤波功能,例(lì)如:脉冲干(gàn)扰剔除、数字电路毛刺干扰消除、A/D转换器的抗工频以及确保输(shū)人微处理器(qì)数字的可(kě)靠(kào)性32。另外(wài),数(shù)据在线分析与数据重构也是其(qí)研(yán)究方向之一(yī),如利用(yòng)小波变换分离浆液流体当中的流量信号、浆液信(xìn)号33和(hé)利用陷波滤波器组的信号处理方法等(děng)34。  
生(shēng)活污水(shuǐ)流量计是无阻扰测量,其(qí)测(cè)量电*与流体接触后容易发生(shēng)磨损、腐蚀、结(jié)垢等现象,这些现象会*大地影响生活污(wū)水流量计的测量精度(dù)。为了便于拆卸维护,生活污水流量计增加了自诊断功(gōng)能。其功能越来(lái)越(yuè)多,相继添加了信号线性度、励磁(cí)电路的(de)完整性和准确性(包括励(lì)磁线圈(quān)电阻和励磁电流)、监控和诊(zhěn)断流程(chéng)和环境条件的(de)变(biàn)化(如液体电(diàn)导率是否变化,流体中气(qì)泡(pào)和固体颗粒含量等(děng)35)。随后出现一种无需改(gǎi)变生活污水流量计结(jié)构就能进行励磁电流异常的自诊断技术36  
程(chéng)控放大器技术能够实现生活污水流量计量程的自动转换,同时利用增益控制方法能有效削弱微分干扰峰值使放(fàng)大器过载的问题,便于流量信(xìn)号电势处理,提高抗微(wēi)分干扰的能力。  
以往的抗干扰技(jì)术解决了输人与输出之间的各种干扰问题,但是当生活(huó)污水流量计引人智能系统后,来自微(wēi)处理器的各种干扰同样会影响测(cè)量结果的(de)精度,甚至会导致整(zhěng)个流量测量(liàng)系统跑飞或崩溃。目前,国内外常常使用软硬件结合的方式来提高微处(chù)理器的抗干扰能力33,37。常用(yòng)的软件抗干扰方法有:软件指令冗余措施、软件陷阱抗干扰方法、软件“看门狗(gǒu)”技术等。纯粹的软件(jiàn)抗干扰会浪费大量的CPU功率,所以先使用硬件来消除(chú)大(dà)部分干扰。常用的硬件(jiàn)抗干扰有:光电隔离器、接地技术、掉电保护技术等。
5、结束语  
近年来,生活污水流量计随着(zhe)需求的增(zēng)加不断发展。在诸多的生活污水流量计技术发展当中,作者认为未来的生活(huó)污水流量计发展(zhǎn)仍然以励磁优(yōu)化、信号处理技术为主,同时生活污水流量计将不断(duàn)添(tiān)加各种智能化(huà)的功能以(yǐ)应对更多、更复杂(zá)的测量环(huán)境。

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