電子水表傳感與信號處理技術

發布時間：2016-12-19??文章來源：姚 靈
0 引言 ISO 4064∶2005中的飲用冷水水表和熱水水表標 準在結構與技術上將水表產品分成機械水表、帶電子 裝置水表和電子水表三大類。電子水表是采用新穎傳 感原理及現代流量計相關技術的全新水表 ,目前主要 有速度式的電磁水表、超聲水表、射流水表、渦街水表 等類型 [ 1 ]。 電子水表采用了新穎傳感技術、微弱信號處理技 術、計算機技術、通信技術等現代科學技術 [ 2 - 3 ]。因 此 ,它具有較寬的測量范圍、較高的計量等級、較低的 壓力損失以及方便的數據運算、傳輸功能。其主要性 能指標優于機械水表和帶電子裝置的機械水表。隨著 產品可靠性和使用壽命 (含電池壽命 )的不斷提高以 及產品成本的不斷下降 ,電子水表將日益顯示出優越 的性價比和豐富多樣的使用功能 ,并且有著很好的發 展前景和空間 [ 4 ]。 1 技術特征 由于電子水表的傳感部分無機械運動部件而直接 將流體平均速度轉換成電信號 ,因此 ,儀表結構簡單、 壓力損失小、使用壽命長。在水質不好條件下的計量、 測控 ,電子水表有著傳統機械水表不可替代的優越 性 [ 5 - 6 ]。但電子水表要全面進入并逐步替代傳統水表 對水流量的計量 ,特別是在中小口徑封閉管道的直飲 水、飲用水計量等方面 ,還有不少問題需要解決。經過 多年來的不斷完善 ,中小口徑電子水表經過全面技術 提升、簡化表體結構 ,使其特性有了較大改觀 ,產品成 本也有大幅下降 ,部分產品的應用已經達到較為滿意 的效果。下面就當前電子水表采用的主要傳感與信號 處理技術作簡要介紹和評述 [ 7 - 11 ]。 1. 1 流量傳感技術 當前電子水表普遍采用速度式測量的原理 ,即通 過檢測水流體在測量管截面上的平均流速求得體積流 量或質量流量。 1. 1. 1 電磁流量傳感技術 電磁流量傳感技術一般用于體積流量測量 ,其主 要特點是 : ①傳感器結構簡單 ,測量管內無運動和阻流 部件 ,流體壓力損失很小 ; ②不受被測介質溫度、黏度、 密度和水質狀況等的影響 ; ③傳感信號只與被測流體 的平均流速成正比 ,而與流動狀態基本無關。因此 ,傳 感器的量程范圍寬、測量精度高、無機械慣性、動態特性 好。其關鍵技術包括電極與測量管內襯材料的選擇、勵 磁方式與抗干擾設計以及微弱信號檢測等方面 [ 5 ]。 1. 1. 2 超聲流量傳感技術 超聲流量傳感技術也用于體積流量測量。傳感部 1 電子水表傳感與信號處理技術 分由超聲波換能器和前級信號處理電路組成。換能器 將電能轉換成超聲波 ,并將其發射穿過被測流體 ,接收 器收到超聲波信號并經前級電路處理轉換成代表流量 的電信號。其主要特點是 : ①可在不干擾流體自身運 動的情況下測量流速 ; ②測量管內無運動和阻流部件 , 無壓力損失和磨損 ; ③對被測介質幾乎無要求 ,并且測 量準確度不受被測流體溫度、壓力、密度、黏度等參數 的影響 ; ④測量范圍寬、標定方便。 超聲流量傳感技術按其測量原理可以分為傳播速 度差法、多普勒法、波束偏移法、相關法等。從測量精 度看 ,傳播速度差法效果較好。其關鍵點在于正確處 理超聲方法測得的流速線平均值與實際流量測量所需 的流速面平均值的關系、聲道的合理設置、控制聲速在 流體測量過程中的變化量、超聲換能技術與信號處理 技術等。 1. 1. 3 渦街流量傳感技術 渦街流量傳感技術是流體振動傳感技術的一種主 要形式。它具有以下特點 : ①測量管內無運動部件 ,工 作可靠、壽命長 ; ②在一定的雷諾數范圍內 ,被測流體 振動頻率只與流體工作狀態下的體積流量成正比 ,而 對流體的物理性質不敏感 ; ③輸出信號是頻率值 ,處理 比較容易 ; ④量程范圍相對較寬 ; ⑤在符合幾何與動力 相似條件下 ,用典型介質標定即可在其他介質中使用。 渦街流量信號檢測常用的方法有檢測流體旋渦壓 力變化的應力式或應變式測量 ,以及檢測流速變化的 熱敏式或電磁式測量。其關鍵點在于合理設計旋渦發 生體、穩定測量管內卡曼渦街、信號檢測與抗干擾 (管 道振動與外界電磁場干擾 )技術、特性修正技術等。 1. 1. 4 射流流量傳感技術 射流流量傳感技術是伴隨射流技術的發展而出現 的一種新穎流量傳感技術。其中利用附壁效應制成的 反饋式流量傳感器已在民用氣表和水表中得到很好的 應用。該技術的特點是 : ①主要用于低雷諾數流體測 量 (目前雷諾數測量下限已達 10 2量級 ) ,在微小流量 檢測中具有明顯優勢 ,而且測量范圍寬、超量程能力 強 ; ②由于輸出信號是與流體流速成正比的射流振蕩 頻率量 ,因此 ,流量信號獲取方便、檢測靈敏度高 ; ③應 用新穎電磁檢測原理的射流流量傳感器 ,可以消除被 測液體中空氣、氣泡和泥沙對測量結果的影響 ; ④傳感 器內無運動部件 ,結構牢固 ,不受振動和撞擊影響 ,便 于集成化制造。 1. 2 信號處理與抗干擾技術 信號處理與抗干擾是密不可分的關聯技術。任何 信號在處理和傳輸過程中都會受到檢測電路元器件內 部產生的固有噪聲和外部產生的電磁噪聲、機械振動 等的影響和干擾 ,致使信號 (尤其是微弱信號 )不能有 效測量和利用。實際環境中的噪聲和振動是客觀存在 的 ,很難完全消除 ,但可設法識別其特征、降低其強度、 從而進行有效抑制。 電子水表在對微小流量檢測時 ,必然會碰到微弱信 號處理問題 ,水表工作現場條件復雜 ,甚至非常惡劣 ,各 種電磁干擾和外界影響不可避免 ,這就需要運用各種現 代技術來削弱和抑制噪聲 ,識別和提取有用信號。 1. 2. 1 噪聲抑制及抗干擾 抑制電磁干擾主要從以下三個方面著手 : ①削弱 噪聲信號 ; ②切斷耦合通道 ; ③提高信號處理電路本身 的抗干擾能力。削弱噪聲和切斷耦合通道的常用方法 有屏蔽、接地、隔離、去耦等。 1. 2. 2 微弱信號檢測與處理 通常將信號幅度很小且被噪聲淹沒的信號稱作微 弱信號 ,一般來說 ,微弱是相對于噪聲而言的。微弱信 號檢測技術注重的是如何抑制噪聲和提高信噪比。 電子水表與帶電子裝置機械水表的最大區別是后 者基表部分輸出的是脈沖恒定幅值信號或編碼信號 , 雖然其中也有干擾存在 ,但由于是數字 (頻率 )量 ,分 離出有用信號要容易得多 ,且信噪比很高 ;電子水表檢 測到的常常是模擬低頻小信號 ,特別在小流量檢測中 獲取的信號一般在毫伏或微伏級 ,甚至是納伏級的電 壓水平 ,常被噪聲電平所淹沒。因此 ,必須用到微弱信 號或小信號處理技術。常用的微弱信號或小信號處理 技術有濾波、調制與解調、鎖定放大、數字式平均、相關 檢測以及自適應噪聲抵消。其他微弱信號檢測方法有 小波分析、數字濾波及儀用放大技術等。 渦街水表在檢測管道流量時 ,由水泵引起的管道 振動可能對流量信號形成干擾 ,使其波形發生畸變而 導致頻率測量誤差。這種干擾噪聲與管道振動相關 , 而與渦街信號不相關 ,可以利用自適應噪聲抵消和相 關檢測方法將其濾除 ,如圖 1所示。 圖 1 自適應噪聲抵消法 Fig. 1 Self2adap tive counteraction of noise 1. 3 曲線擬合和修正技術 曲線擬合是通過一定量的測試數據尋求相應函數 2 電子水表傳感與信號處理技術《自動化儀表 》第 30卷第 3期 2009年 3月 關系或數學模型的過程。在實際測量過程中被測信號 雖然經過處理 ,但總會殘留部分噪聲 ,采用擬合技術可 以將被測信號的變化規律從干擾中分離出來 ,恢復信 號曲線本來面貌。曲線修正主要包含非線性校正、自 校準與自補償、誤差修正等技術。 當被測系統特性呈非線性性質時可用曲線進行描 述。如某種流體的黏度隨溫度升高而降低 ,在不同溫 度下得到如表 1所示的黏度測試數據 ,相應的流體黏 度 - 溫度曲線如圖 2所示。 表 1 黏度測試數據 Tab. 1 Test da ta of v iscosity 序號 溫度 xi 黏度 yi 序號 溫度 xi 黏度 yi 1 10 4. 24 9 50 1. 60 2 15 3. 55 10 55 1. 50 3 20 2. 92 11 60 1. 43 4 25 2. 52 12 65 1. 37 5 30 2. 20 13 70 1. 32 6 35 2. 00 14 75 1. 29 7 40 1. 81 15 80 1. 25 8 45 1. 70 圖 2 流體黏度 - 溫度曲線 Fig. 2 Fluid viscosity vs. temperature curve 可將它按 y = a0 ·xa1 函數曲線進行擬合。首先 將曲線化為直線 : lny = lna0 + a1 lnx (1) 令 y′= lny, x′= lnx, a0 ′= lna0 ,則有 : y′=a0 ′+ a1 x′ (2) 用最小二乘法擬合并計算得 : a0 ′= 21886 8, a1 = - 01614 8 所以 lny = 21886 8 - 01164 8 lnx, 即 y = e 21886 8 x - 01614 8 = 171936x - 01614 8。 測量系統的線性度是影響準確度的重要指標。為 使測量儀表的輸出與輸入具有線性關系 ,必須采取相 應的線性化措施 ,即曲線修正技術。如熱量表中經常 使用的測溫元件鉑電阻 ,在 0 ℃～500 ℃溫度范圍內 , 其阻值與溫度間的關系可近似表示為 : RT = R0 [ 1 + aT + bT 2 ] (3) 式中 : RT 為溫度 T時的電阻值 ; R0 為 0 ℃時電阻值 ; a、 b為常數。 圖 3為鉑電阻的溫度特性曲線。由圖 3可知 ,溫 度特性呈非線性 ,且當溫度為 250 ℃時 ,最大非線性誤 差可達 2%。因此 ,必須采用曲線修正技術來解決非 線性影響。 圖 3 溫度特性曲線 Fig. 3 Temperature characteristic curve 常用非線性校正方法有硬件法和軟件法兩種。硬 件法主要有函數放大器或多功能轉換器組成的線性化 電路 ;軟件法則有校正函數法、查表法、神經網絡法等。 2 相關技術 今后 ,電子水表的應用主要將集中在中小口徑封 閉管道水流量的檢測與控制等方面 ,并在電磁水表、超 聲水表、射流水表等產品以及在傳感與信號處理技術 等領域發展較快。以下新技術的運用 ,為電子水表性 能的改善和提高 ,以及成本下降起到積極的推進作用。 2. 1 勵磁技術 勵磁技術主要有恒磁勵磁、尖脈沖勵磁、管內勵磁 等 3種。恒磁勵磁 ,即永磁材料直接用于勵磁技術 ,使 電磁水表、射流水表、渦街水表等的功耗大為下降 (須 同時采用消除極化干擾電勢等措施 )。尖脈沖勵磁 , 即使用尖脈沖電流去激磁矩形磁滯回線的磁性材料以 產生勵磁磁場 ,并將磁感應強度變換為矩形波磁場。 以很低的勵磁電能消耗 (小于 2 mW )換取高的磁感應 強度。管內勵磁 ,即將勵磁線圈放置在測量管內勵磁 , 增強磁感應強度 ,提高小流量測量靈敏度 ,降低電源消 耗。 2. 2 消噪技術 消噪技術主要有電極電解拋光和極化與干擾電勢 抵償 2種方式。 當被測流體與電磁水表測量管內表面摩擦時會產 生“流動噪聲 ”。通過對電極的電解拋光處理 ,使電極 表面在 5 nm內的深度里具有鉻密度高于鐵密度特性 , 能大幅度減小“流動噪聲 ”的影響。 極化與干擾電勢抵償有 2種形式。一種是在非采 3 電子水表傳感與信號處理技術 姚 靈 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net PROCESS AUTOM ATIO N INSTRUM ENTATIO N Vol130 No13 M arch 2009 樣期內 ,用交變電場接通電磁水表兩電極 ,以消除直流 勵磁時產生的嚴重極化現象。采樣期內 ,電極自動切 換到測量放大器的輸入端 ,對流量信號進行檢測。另 一種是使用開關電路周期性地使 2個電極接地或采集 測量信號 ,以消除形成在電極上的摩擦與雜散電荷。 2. 3 傳感技術 傳感技術主要使用電磁差動檢測和流場調整 2種 方法。 新穎射流水表采用恒磁勵磁及差動檢測流速方法 , 使水表功耗大大下降 ,小流量測量靈敏度明顯提高。 采用流場調整裝置對被測流體流動分布狀態進行 控制 ,提高流體雷諾數 ,使射流水表或渦街水表測量限 下移 ,測量穩定性提高。 2. 4 仿真技術 電子水表流場的計算機仿真技術正在研究中 ,并 已取得一定實效。如射流水表經仿真模型計算 ,能準 確地觀測到測量管內流速分布狀況和最大流速點位 置 ,為傳感器放置指明方位。 3 相關產品 下面就當今國外水表企業在此方面所做的某些工 作和取得的成果作簡要描述。 3. 1 電磁水表 英國某公司近年來開發的 Sterling型水表是一種 低成本、高計量等級、微功耗供電、采用塑料表殼的新 型電磁水表。其主要性能有 : DN15, Q3 = 215 m 3 /h, Q3 /Q1 = 250;溫度影響量為 ±012% ;電池使用壽命大 于 15年。其技術特點是采用新型勵磁技術 ;應用特殊 電極材料和形狀延長產品使用壽命、降低噪聲 ;測量管 采用矩形流管設計 ,加快被測流體流動速度 ;微功耗電 源設計等。 另一家英國公司開發的 Q100戶式電磁水表在流量 傳感器設計方面與 Sterling產品具有相同之處。其特點 是:測量精度高于 D級計量等級;流量為 310 m 3 /h時 , 水表壓力損失小于 0104MPa;可輸出連續信號或脈沖信 號;電池使用壽命大于 10年。 日本某公司開發的 SY系列電池供電電磁水表適 合測量口徑為 DN50～DN150的封閉管道使用。由于 在勵磁方式上有所創新 (測量管中央設有一錐體 ,勵 磁裝置安放在錐體內 ,利用這種結構增強傳感器的感 應電勢 )。因此 ,提高了小流量測量靈敏度 ,使產品的 最大流量與最小精確流量之比達到 1 000。 德國的一家公司推出的 MAG 8000電磁水表主要 用于準確計費結算和泄漏檢測等場合。產品特點有 : 電池供電可連續使用 6年 ;防護等級達到 IP68,可在深 井下正常工作 ;能對超高、超低流量進行報警 ;兩組獨 立的數字量輸出 ;具有智能診斷、流量分析、電源管理、 密碼保護、紅外輸出和多種通信接口等功能。當流速 在 015～10 m /s時 ,測量精度可達 ±014% ( ±012%可 選 )。由于測量管內腔采用特殊錐形設計 ,因此在小 流量測量時靈敏度高 ,可用于泄漏檢測。產品性能指 標可達 C級以上計量等級。常用口徑范圍為 DN50～ DN300; Q2 /Q1 = 116時 , Q3 /Q1 = 400。 3. 2 射流水表 英國產的 Smart Meter系列新型射流水表由于測 量反饋腔設計合理 ,因此 ,在低雷諾數 ( 10 2量級 )條件 下可以穩定工作。在傳感技術上采用新型永磁勵磁的 差動檢測方式獲取流量信號 ,使射流水表能穩定工作在 C級計量等級特性水平上 ,電池供電壽命大于 10年。 3. 3 超聲水表 歐洲某公司的 Echodis超聲水表是新一代的 C級 水表。具有 :M2Bus通信接口 ,與 AMR兼容 ;內置鋰電 池工作 ,壽命為 12年;寬量程范圍 (認證計量范圍 1∶ 200,動態測量范圍 1∶1 000) ;水表口徑范圍為 DN15～ DN50;符合 O IML R49、ISO 4064、EN 14154、EN 6087025 等規程和標準要求等特點。 以色列一家公司的 FL 1024 /1025超聲水表也是 一種電池供電的新型電子水表。 4 發展趨勢 電子水表技術的發展是建立在傳感技術和信號處 理技術的快速發展基礎之上的 ,因此 ,傳感和信號處理 技術是電子水表的核心技術。電子水表技術的發展會 在以下 4個方面受到關注。 ① 提高小流量測量靈敏度和穩定性 要提高電子水表在小流量測量時的靈敏度、擴展 流量測量下限值 ,重點在于現有傳感與信號處理技術 的改良和采用新穎傳感技術 ,同時應結合微弱信號 (或 小信號 )處理技術的運用 ,提高測量準確度和穩定性。 在現有傳感與信號處理技術改良方面 ,增大測量 管內小流量測量時的流速 ,調整流體分布狀態 ;消除或 降低電極上的極化電勢、流動噪聲等產生的干擾信號 和傳感器內外部產生的噪聲電平等影響 ;采用調制解 調或鎖定放大、相關檢測、自適應抵償、修正和校準等 技術來校正電子水表在小流量時的非線性特性 ,減少 隨機誤差影響 ,提高電子水表靈敏閾 ,保證小流量測量 時靈敏、準確和可靠。 在新穎傳感技術應用方面 ,研究和探索性能優良 4 電子水表傳感與信號處理技術
《自動化儀表 》第 30卷第 3期 2009年 3月 的新穎傳感技術是提高小流量測量靈敏度和穩定性的 另一出路。除了常用傳感技術外 ,新穎流量傳感技術 包括了科里奧利質量流量、相關流量、激光 (或超聲 波 )多普勒流速、聲表面波流量、核磁共振流量等傳感 技術。某些傳感技術對小流量測量特性的改善有著較 好的發展前景 ,值得關注。 ② 確保產品在惡劣使用環境中的可靠性 通常 ,水表工作環境比較復雜和惡劣 ,特別是在野 外工作的電子水表 ,除了潮濕和溫度波動外 ,各種外界 電磁干擾和機械振動影響都十分嚴重。提高在惡劣環 境中產品使用的可靠性 ,確保其在壽命期內正常運行 , 對電子水表是個嚴峻的考驗和挑戰。 因此 ,首先應保證產品結構牢固 ,密封性能好 ;其 次 ,產品在抗干擾設計方面要有獨到之處 ;再運用差動 檢測和補償、降噪等技術抑制內外部噪聲 ,減少溫度和 振動對測量結果的影響。另外 ,還應開展產品可靠性 試驗與研究工作 ,重視元器件、零部件、整機等的老化 試驗和篩選處理 ,將產品內部缺陷在出廠前給予剔除。 ③ 優化設計、提煉工藝、降低產品制造成本 掌握現代設計理念、方法和工具 ,應用價值工程技 術對電子水表產品設計進行優化 ,采用新工藝、新技 術、新材料 ,簡化壓縮表體結構 ,同時運用規?；?、專業 化、自動化生產方式組織生產 ,在保證產品可靠性和使 用壽命前提下 ,努力降低制造成本。當今電子元器件 制造技術的快速發展 ,已為電子水表成本的大幅下降 打好了扎實的物質基礎。 ④ 增加功能、擴大應用領域 電子水表在現有測量和數據運算、統計、傳輸等功 能基礎上 ,還可進一步擴展其功能及使用范圍 ,如將無 線傳感網絡技術 (如 ZigBee、ULP2Bluetooth等 )應用于 自動抄表系統、管道泄漏檢測和精確用水量的閉環控 制、污水或水質不好條件下的流量測量和分析以及作 為熱量表基表使用 (特別適合我國熱水管道水質差的 國情 )等。 5 結束語 電子水表在大口徑封閉管道水流量測量與控制方 面的優勢日益突出 ,顯示了強大的生命力 ;中小口徑電 子水表的應用正在快速推進 ,受到了用戶的普遍關注 和歡迎 ;小口徑戶用電子水表的應用也已初露頭角。 推進電子水表技術發展 ,加快其技術成熟度 ,是從事水 表研究、開發、制造等領域的相關組織和人員義不容辭 的使命和任務。 傳感和信號處理技術是推進電子水表發展的關鍵 技術 ,國內企業要在該領域有所作為 ,必須搶占這一制 高點。要在借鑒國外現有成功技術基礎上進行自主研 究、創新和開發 ,使我國真正擁有一批具有自主知識產 權而且性能優越的電子水表新產品。