電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2016-12-19??文章來(lái)源：姚 靈
0 引言 ISO 4064∶2005中的飲用冷水水表和熱水水表標(biāo) 準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)與技術(shù)上將水表產(chǎn)品分成機(jī)械水表、帶電子 裝置水表和電子水表三大類(lèi)。電子水表是采用新穎傳 感原理及現(xiàn)代流量計(jì)相關(guān)技術(shù)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(lèi)型 [ 1 ]。 電子水表采用了新穎傳感技術(shù)、微弱信號(hào)處理技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù) [ 2 - 3 ]。因 此 ,它具有較寬的測(cè)量范圍、較高的計(jì)量等級(jí)、較低的 壓力損失以及方便的數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸功能。其主要性 能指標(biāo)優(yōu)于機(jī)械水表和帶電子裝置的機(jī)械水表。隨著 產(chǎn)品可靠性和使用壽命 (含電池壽命 )的不斷提高以 及產(chǎn)品成本的不斷下降 ,電子水表將日益顯示出優(yōu)越 的性?xún)r(jià)比和豐富多樣的使用功能 ,并且有著很好的發(fā) 展前景和空間 [ 4 ]。 1 技術(shù)特征 由于電子水表的傳感部分無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件而直接 將流體平均速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ,因此 ,儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 壓力損失小、使用壽命長(zhǎng)。在水質(zhì)不好條件下的計(jì)量、 測(cè)控 ,電子水表有著傳統(tǒng)機(jī)械水表不可替代的優(yōu)越 性 [ 5 - 6 ]。但電子水表要全面進(jìn)入并逐步替代傳統(tǒng)水表 對(duì)水流量的計(jì)量 ,特別是在中小口徑封閉管道的直飲 水、飲用水計(jì)量等方面 ,還有不少問(wèn)題需要解決。經(jīng)過(guò) 多年來(lái)的不斷完善 ,中小口徑電子水表經(jīng)過(guò)全面技術(shù) 提升、簡(jiǎn)化表體結(jié)構(gòu) ,使其特性有了較大改觀(guān) ,產(chǎn)品成 本也有大幅下降 ,部分產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到較為滿(mǎn)意 的效果。下面就當(dāng)前電子水表采用的主要傳感與信號(hào) 處理技術(shù)作簡(jiǎn)要介紹和評(píng)述 [ 7 - 11 ]。 1. 1 流量傳感技術(shù) 當(dāng)前電子水表普遍采用速度式測(cè)量的原理 ,即通 過(guò)檢測(cè)水流體在測(cè)量管截面上的平均流速求得體積流 量或質(zhì)量流量。 1. 1. 1 電磁流量傳感技術(shù) 電磁流量傳感技術(shù)一般用于體積流量測(cè)量 ,其主 要特點(diǎn)是 : ①傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,測(cè)量管內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)和阻流 部件 ,流體壓力損失很小 ; ②不受被測(cè)介質(zhì)溫度、黏度、 密度和水質(zhì)狀況等的影響 ; ③傳感信號(hào)只與被測(cè)流體 的平均流速成正比 ,而與流動(dòng)狀態(tài)基本無(wú)關(guān)。因此 ,傳 感器的量程范圍寬、測(cè)量精度高、無(wú)機(jī)械慣性、動(dòng)態(tài)特性 好。其關(guān)鍵技術(shù)包括電極與測(cè)量管內(nèi)襯材料的選擇、勵(lì) 磁方式與抗干擾設(shè)計(jì)以及微弱信號(hào)檢測(cè)等方面 [ 5 ]。 1. 1. 2 超聲流量傳感技術(shù) 超聲流量傳感技術(shù)也用于體積流量測(cè)量。傳感部 1 電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù) 分由超聲波換能器和前級(jí)信號(hào)處理電路組成。換能器 將電能轉(zhuǎn)換成超聲波 ,并將其發(fā)射穿過(guò)被測(cè)流體 ,接收 器收到超聲波信號(hào)并經(jīng)前級(jí)電路處理轉(zhuǎn)換成代表流量 的電信號(hào)。其主要特點(diǎn)是 : ①可在不干擾流體自身運(yùn) 動(dòng)的情況下測(cè)量流速 ; ②測(cè)量管內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)和阻流部件 , 無(wú)壓力損失和磨損 ; ③對(duì)被測(cè)介質(zhì)幾乎無(wú)要求 ,并且測(cè) 量準(zhǔn)確度不受被測(cè)流體溫度、壓力、密度、黏度等參數(shù) 的影響 ; ④測(cè)量范圍寬、標(biāo)定方便。 超聲流量傳感技術(shù)按其測(cè)量原理可以分為傳播速 度差法、多普勒法、波束偏移法、相關(guān)法等。從測(cè)量精 度看 ,傳播速度差法效果較好。其關(guān)鍵點(diǎn)在于正確處 理超聲方法測(cè)得的流速線(xiàn)平均值與實(shí)際流量測(cè)量所需 的流速面平均值的關(guān)系、聲道的合理設(shè)置、控制聲速在 流體測(cè)量過(guò)程中的變化量、超聲換能技術(shù)與信號(hào)處理 技術(shù)等。 1. 1. 3 渦街流量傳感技術(shù) 渦街流量傳感技術(shù)是流體振動(dòng)傳感技術(shù)的一種主 要形式。它具有以下特點(diǎn) : ①測(cè)量管內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件 ,工 作可靠、壽命長(zhǎng) ; ②在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi) ,被測(cè)流體 振動(dòng)頻率只與流體工作狀態(tài)下的體積流量成正比 ,而 對(duì)流體的物理性質(zhì)不敏感 ; ③輸出信號(hào)是頻率值 ,處理 比較容易 ; ④量程范圍相對(duì)較寬 ; ⑤在符合幾何與動(dòng)力 相似條件下 ,用典型介質(zhì)標(biāo)定即可在其他介質(zhì)中使用。 渦街流量信號(hào)檢測(cè)常用的方法有檢測(cè)流體旋渦壓 力變化的應(yīng)力式或應(yīng)變式測(cè)量 ,以及檢測(cè)流速變化的 熱敏式或電磁式測(cè)量。其關(guān)鍵點(diǎn)在于合理設(shè)計(jì)旋渦發(fā) 生體、穩(wěn)定測(cè)量管內(nèi)卡曼渦街、信號(hào)檢測(cè)與抗干擾 (管 道振動(dòng)與外界電磁場(chǎng)干擾 )技術(shù)、特性修正技術(shù)等。 1. 1. 4 射流流量傳感技術(shù) 射流流量傳感技術(shù)是伴隨射流技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn) 的一種新穎流量傳感技術(shù)。其中利用附壁效應(yīng)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(yīng)用。該技術(shù)的特點(diǎn)是 : ①主要用于低雷諾數(shù)流體測(cè) 量 (目前雷諾數(shù)測(cè)量下限已達(dá) 10 2量級(jí) ) ,在微小流量 檢測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì) ,而且測(cè)量范圍寬、超量程能力 強(qiáng) ; ②由于輸出信號(hào)是與流體流速成正比的射流振蕩 頻率量 ,因此 ,流量信號(hào)獲取方便、檢測(cè)靈敏度高 ; ③應(yīng) 用新穎電磁檢測(cè)原理的射流流量傳感器 ,可以消除被 測(cè)液體中空氣、氣泡和泥沙對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 ; ④傳感 器內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件 ,結(jié)構(gòu)牢固 ,不受振動(dòng)和撞擊影響 ,便 于集成化制造。 1. 2 信號(hào)處理與抗干擾技術(shù) 信號(hào)處理與抗干擾是密不可分的關(guān)聯(lián)技術(shù)。任何 信號(hào)在處理和傳輸過(guò)程中都會(huì)受到檢測(cè)電路元器件內(nèi) 部產(chǎn)生的固有噪聲和外部產(chǎn)生的電磁噪聲、機(jī)械振動(dòng) 等的影響和干擾 ,致使信號(hào) (尤其是微弱信號(hào) )不能有 效測(cè)量和利用。實(shí)際環(huán)境中的噪聲和振動(dòng)是客觀(guān)存在 的 ,很難完全消除 ,但可設(shè)法識(shí)別其特征、降低其強(qiáng)度、 從而進(jìn)行有效抑制。 電子水表在對(duì)微小流量檢測(cè)時(shí) ,必然會(huì)碰到微弱信 號(hào)處理問(wèn)題 ,水表工作現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)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(yùn)用各種現(xiàn) 代技術(shù)來(lái)削弱和抑制噪聲 ,識(shí)別和提取有用信號(hào)。 1. 2. 1 噪聲抑制及抗干擾 抑制電磁干擾主要從以下三個(gè)方面著手 : ①削弱 噪聲信號(hào) ; ②切斷耦合通道 ; ③提高信號(hào)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(hào)檢測(cè)與處理 通常將信號(hào)幅度很小且被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)稱(chēng)作微 弱信號(hào) ,一般來(lái)說(shuō) ,微弱是相對(duì)于噪聲而言的。微弱信 號(hào)檢測(cè)技術(shù)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(jī)械水表的最大區(qū)別是后 者基表部分輸出的是脈沖恒定幅值信號(hào)或編碼信號(hào) , 雖然其中也有干擾存在 ,但由于是數(shù)字 (頻率 )量 ,分 離出有用信號(hào)要容易得多 ,且信噪比很高 ;電子水表檢 測(cè)到的常常是模擬低頻小信號(hào) ,特別在小流量檢測(cè)中 獲取的信號(hào)一般在毫伏或微伏級(jí) ,甚至是納伏級(jí)的電 壓水平 ,常被噪聲電平所淹沒(méi)。因此 ,必須用到微弱信 號(hào)或小信號(hào)處理技術(shù)。常用的微弱信號(hào)或小信號(hào)處理 技術(shù)有濾波、調(diào)制與解調(diào)、鎖定放大、數(shù)字式平均、相關(guān) 檢測(cè)以及自適應(yīng)噪聲抵消。其他微弱信號(hào)檢測(cè)方法有 小波分析、數(shù)字濾波及儀用放大技術(shù)等。 渦街水表在檢測(cè)管道流量時(shí) ,由水泵引起的管道 振動(dòng)可能對(duì)流量信號(hào)形成干擾 ,使其波形發(fā)生畸變而 導(dǎo)致頻率測(cè)量誤差。這種干擾噪聲與管道振動(dòng)相關(guān) , 而與渦街信號(hào)不相關(guān) ,可以利用自適應(yīng)噪聲抵消和相 關(guān)檢測(cè)方法將其濾除 ,如圖 1所示。 圖 1 自適應(yīng)噪聲抵消法 Fig. 1 Self2adap tive counteraction of noise 1. 3 曲線(xiàn)擬合和修正技術(shù) 曲線(xiàn)擬合是通過(guò)一定量的測(cè)試數(shù)據(jù)尋求相應(yīng)函數(shù) 2 電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù)《自動(dòng)化儀表 》第 30卷第 3期 2009年 3月 關(guān)系或數(shù)學(xué)模型的過(guò)程。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中被測(cè)信號(hào) 雖然經(jīng)過(guò)處理 ,但總會(huì)殘留部分噪聲 ,采用擬合技術(shù)可 以將被測(cè)信號(hào)的變化規(guī)律從干擾中分離出來(lái) ,恢復(fù)信 號(hào)曲線(xiàn)本來(lái)面貌。曲線(xiàn)修正主要包含非線(xiàn)性校正、自 校準(zhǔn)與自補(bǔ)償、誤差修正等技術(shù)。 當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)特性呈非線(xiàn)性性質(zhì)時(shí)可用曲線(xiàn)進(jìn)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(cè)試數(shù)據(jù) ,相應(yīng)的流體黏 度 - 溫度曲線(xiàn)如圖 2所示。 表 1 黏度測(cè)試數(shù)據(jù) Tab. 1 Test da ta of v iscosity 序號(hào) 溫度 xi 黏度 yi 序號(hào) 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(xiàn) Fig. 2 Fluid viscosity vs. temperature curve 可將它按 y = a0 ·xa1 函數(shù)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。首先 將曲線(xiàn)化為直線(xiàn) : 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(jì)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(cè)量系統(tǒng)的線(xiàn)性度是影響準(zhǔn)確度的重要指標(biāo)。為 使測(cè)量?jī)x表的輸出與輸入具有線(xiàn)性關(guān)系 ,必須采取相 應(yīng)的線(xiàn)性化措施 ,即曲線(xiàn)修正技術(shù)。如熱量表中經(jīng)常 使用的測(cè)溫元件鉑電阻 ,在 0 ℃～500 ℃溫度范圍內(nèi) , 其阻值與溫度間的關(guān)系可近似表示為 : RT = R0 [ 1 + aT + bT 2 ] (3) 式中 : RT 為溫度 T時(shí)的電阻值 ; R0 為 0 ℃時(shí)電阻值 ; a、 b為常數(shù)。 圖 3為鉑電阻的溫度特性曲線(xiàn)。由圖 3可知 ,溫 度特性呈非線(xiàn)性 ,且當(dāng)溫度為 250 ℃時(shí) ,最大非線(xiàn)性誤 差可達(dá) 2%。因此 ,必須采用曲線(xiàn)修正技術(shù)來(lái)解決非 線(xiàn)性影響。 圖 3 溫度特性曲線(xiàn) Fig. 3 Temperature characteristic curve 常用非線(xiàn)性校正方法有硬件法和軟件法兩種。硬 件法主要有函數(shù)放大器或多功能轉(zhuǎn)換器組成的線(xiàn)性化 電路 ;軟件法則有校正函數(shù)法、查表法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。 2 相關(guān)技術(shù) 今后 ,電子水表的應(yīng)用主要將集中在中小口徑封 閉管道水流量的檢測(cè)與控制等方面 ,并在電磁水表、超 聲水表、射流水表等產(chǎn)品以及在傳感與信號(hào)處理技術(shù) 等領(lǐng)域發(fā)展較快。以下新技術(shù)的運(yùn)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(jìn)作用。 2. 1 勵(lì)磁技術(shù) 勵(lì)磁技術(shù)主要有恒磁勵(lì)磁、尖脈沖勵(lì)磁、管內(nèi)勵(lì)磁 等 3種。恒磁勵(lì)磁 ,即永磁材料直接用于勵(lì)磁技術(shù) ,使 電磁水表、射流水表、渦街水表等的功耗大為下降 (須 同時(shí)采用消除極化干擾電勢(shì)等措施 )。尖脈沖勵(lì)磁 , 即使用尖脈沖電流去激磁矩形磁滯回線(xiàn)的磁性材料以 產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng) ,并將磁感應(yīng)強(qiáng)度變換為矩形波磁場(chǎng)。 以很低的勵(lì)磁電能消耗 (小于 2 mW )換取高的磁感應(yīng) 強(qiáng)度。管內(nèi)勵(lì)磁 ,即將勵(lì)磁線(xiàn)圈放置在測(cè)量管內(nèi)勵(lì)磁 , 增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 ,提高小流量測(cè)量靈敏度 ,降低電源消 耗。 2. 2 消噪技術(shù) 消噪技術(shù)主要有電極電解拋光和極化與干擾電勢(shì) 抵償 2種方式。 當(dāng)被測(cè)流體與電磁水表測(cè)量管內(nèi)表面摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn) 生“流動(dòng)噪聲 ”。通過(guò)對(duì)電極的電解拋光處理 ,使電極 表面在 5 nm內(nèi)的深度里具有鉻密度高于鐵密度特性 , 能大幅度減小“流動(dòng)噪聲 ”的影響。 極化與干擾電勢(shì)抵償有 2種形式。一種是在非采 3 電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù) 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(nèi) ,用交變電場(chǎng)接通電磁水表兩電極 ,以消除直流 勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重極化現(xiàn)象。采樣期內(nèi) ,電極自動(dòng)切 換到測(cè)量放大器的輸入端 ,對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。另 一種是使用開(kāi)關(guān)電路周期性地使 2個(gè)電極接地或采集 測(cè)量信號(hào) ,以消除形成在電極上的摩擦與雜散電荷。 2. 3 傳感技術(shù) 傳感技術(shù)主要使用電磁差動(dòng)檢測(cè)和流場(chǎng)調(diào)整 2種 方法。 新穎射流水表采用恒磁勵(lì)磁及差動(dòng)檢測(cè)流速方法 , 使水表功耗大大下降 ,小流量測(cè)量靈敏度明顯提高。 采用流場(chǎng)調(diào)整裝置對(duì)被測(cè)流體流動(dòng)分布狀態(tài)進(jìn)行 控制 ,提高流體雷諾數(shù) ,使射流水表或渦街水表測(cè)量限 下移 ,測(cè)量穩(wěn)定性提高。 2. 4 仿真技術(shù) 電子水表流場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)正在研究中 ,并 已取得一定實(shí)效。如射流水表經(jīng)仿真模型計(jì)算 ,能準(zhǔn) 確地觀(guān)測(cè)到測(cè)量管內(nèi)流速分布狀況和最大流速點(diǎn)位 置 ,為傳感器放置指明方位。 3 相關(guān)產(chǎn)品 下面就當(dāng)今國(guó)外水表企業(yè)在此方面所做的某些工 作和取得的成果作簡(jiǎn)要描述。 3. 1 電磁水表 英國(guó)某公司近年來(lái)開(kāi)發(fā)的 Sterling型水表是一種 低成本、高計(jì)量等級(jí)、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(shù)特點(diǎn)是采用新型勵(lì)磁技術(shù) ;應(yīng)用特殊 電極材料和形狀延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命、降低噪聲 ;測(cè)量管 采用矩形流管設(shè)計(jì) ,加快被測(cè)流體流動(dòng)速度 ;微功耗電 源設(shè)計(jì)等。 另一家英國(guó)公司開(kāi)發(fā)的 Q100戶(hù)式電磁水表在流量 傳感器設(shè)計(jì)方面與 Sterling產(chǎn)品具有相同之處。其特點(diǎn) 是:測(cè)量精度高于 D級(jí)計(jì)量等級(jí);流量為 310 m 3 /h時(shí) , 水表壓力損失小于 0104MPa;可輸出連續(xù)信號(hào)或脈沖信 號(hào);電池使用壽命大于 10年。 日本某公司開(kāi)發(fā)的 SY系列電池供電電磁水表適 合測(cè)量口徑為 DN50～DN150的封閉管道使用。由于 在勵(lì)磁方式上有所創(chuàng)新 (測(cè)量管中央設(shè)有一錐體 ,勵(lì) 磁裝置安放在錐體內(nèi) ,利用這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)傳感器的感 應(yīng)電勢(shì) )。因此 ,提高了小流量測(cè)量靈敏度 ,使產(chǎn)品的 最大流量與最小精確流量之比達(dá)到 1 000。 德國(guó)的一家公司推出的 MAG 8000電磁水表主要 用于準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)結(jié)算和泄漏檢測(cè)等場(chǎng)合。產(chǎn)品特點(diǎn)有 : 電池供電可連續(xù)使用 6年 ;防護(hù)等級(jí)達(dá)到 IP68,可在深 井下正常工作 ;能對(duì)超高、超低流量進(jìn)行報(bào)警 ;兩組獨(dú) 立的數(shù)字量輸出 ;具有智能診斷、流量分析、電源管理、 密碼保護(hù)、紅外輸出和多種通信接口等功能。當(dāng)流速 在 015～10 m /s時(shí) ,測(cè)量精度可達(dá) ±014% ( ±012%可 選 )。由于測(cè)量管內(nèi)腔采用特殊錐形設(shè)計(jì) ,因此在小 流量測(cè)量時(shí)靈敏度高 ,可用于泄漏檢測(cè)。產(chǎn)品性能指 標(biāo)可達(dá) C級(jí)以上計(jì)量等級(jí)。常用口徑范圍為 DN50～ DN300; Q2 /Q1 = 116時(shí) , Q3 /Q1 = 400。 3. 2 射流水表 英國(guó)產(chǎn)的 Smart Meter系列新型射流水表由于測(cè) 量反饋腔設(shè)計(jì)合理 ,因此 ,在低雷諾數(shù) ( 10 2量級(jí) )條件 下可以穩(wěn)定工作。在傳感技術(shù)上采用新型永磁勵(lì)磁的 差動(dòng)檢測(cè)方式獲取流量信號(hào) ,使射流水表能穩(wěn)定工作在 C級(jí)計(jì)量等級(jí)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(jí) 水表。具有 :M2Bus通信接口 ,與 AMR兼容 ;內(nèi)置鋰電 池工作 ,壽命為 12年;寬量程范圍 (認(rèn)證計(jì)量范圍 1∶ 200,動(dòng)態(tài)測(cè)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(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)要求等特點(diǎn)。 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(fā)展趨勢(shì) 電子水表技術(shù)的發(fā)展是建立在傳感技術(shù)和信號(hào)處 理技術(shù)的快速發(fā)展基礎(chǔ)之上的 ,因此 ,傳感和信號(hào)處理 技術(shù)是電子水表的核心技術(shù)。電子水表技術(shù)的發(fā)展會(huì) 在以下 4個(gè)方面受到關(guān)注。 ① 提高小流量測(cè)量靈敏度和穩(wěn)定性 要提高電子水表在小流量測(cè)量時(shí)的靈敏度、擴(kuò)展 流量測(cè)量下限值 ,重點(diǎn)在于現(xiàn)有傳感與信號(hào)處理技術(shù) 的改良和采用新穎傳感技術(shù) ,同時(shí)應(yīng)結(jié)合微弱信號(hào) (或 小信號(hào) )處理技術(shù)的運(yùn)用 ,提高測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。 在現(xiàn)有傳感與信號(hào)處理技術(shù)改良方面 ,增大測(cè)量 管內(nèi)小流量測(cè)量時(shí)的流速 ,調(diào)整流體分布狀態(tài) ;消除或 降低電極上的極化電勢(shì)、流動(dòng)噪聲等產(chǎn)生的干擾信號(hào) 和傳感器內(nèi)外部產(chǎn)生的噪聲電平等影響 ;采用調(diào)制解 調(diào)或鎖定放大、相關(guān)檢測(cè)、自適應(yīng)抵償、修正和校準(zhǔn)等 技術(shù)來(lái)校正電子水表在小流量時(shí)的非線(xiàn)性特性 ,減少 隨機(jī)誤差影響 ,提高電子水表靈敏閾 ,保證小流量測(cè)量 時(shí)靈敏、準(zhǔn)確和可靠。 在新穎傳感技術(shù)應(yīng)用方面 ,研究和探索性能優(yōu)良 4 電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù)
《自動(dòng)化儀表 》第 30卷第 3期 2009年 3月 的新穎傳感技術(shù)是提高小流量測(cè)量靈敏度和穩(wěn)定性的 另一出路。除了常用傳感技術(shù)外 ,新穎流量傳感技術(shù) 包括了科里奧利質(zhì)量流量、相關(guān)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(shù)。某些傳感技術(shù)對(duì)小流量測(cè)量特性的改善有著較 好的發(fā)展前景 ,值得關(guān)注。 ② 確保產(chǎn)品在惡劣使用環(huán)境中的可靠性 通常 ,水表工作環(huán)境比較復(fù)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(dòng)外 ,各種外界 電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)影響都十分嚴(yán)重。提高在惡劣環(huán) 境中產(chǎn)品使用的可靠性 ,確保其在壽命期內(nèi)正常運(yùn)行 , 對(duì)電子水表是個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。 因此 ,首先應(yīng)保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)牢固 ,密封性能好 ;其 次 ,產(chǎn)品在抗干擾設(shè)計(jì)方面要有獨(dú)到之處 ;再運(yùn)用差動(dòng) 檢測(cè)和補(bǔ)償、降噪等技術(shù)抑制內(nèi)外部噪聲 ,減少溫度和 振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。另外 ,還應(yīng)開(kāi)展產(chǎn)品可靠性 試驗(yàn)與研究工作 ,重視元器件、零部件、整機(jī)等的老化 試驗(yàn)和篩選處理 ,將產(chǎn)品內(nèi)部缺陷在出廠(chǎng)前給予剔除。 ③ 優(yōu)化設(shè)計(jì)、提煉工藝、降低產(chǎn)品制造成本 掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念、方法和工具 ,應(yīng)用價(jià)值工程技 術(shù)對(duì)電子水表產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化 ,采用新工藝、新技 術(shù)、新材料 ,簡(jiǎn)化壓縮表體結(jié)構(gòu) ,同時(shí)運(yùn)用規(guī)?；?、專(zhuān)業(yè) 化、自動(dòng)化生產(chǎn)方式組織生產(chǎn) ,在保證產(chǎn)品可靠性和使 用壽命前提下 ,努力降低制造成本。當(dāng)今電子元器件 制造技術(shù)的快速發(fā)展 ,已為電子水表成本的大幅下降 打好了扎實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 ④ 增加功能、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域 電子水表在現(xiàn)有測(cè)量和數(shù)據(jù)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、傳輸?shù)裙?能基礎(chǔ)上 ,還可進(jìn)一步擴(kuò)展其功能及使用范圍 ,如將無(wú) 線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù) (如 ZigBee、ULP2Bluetooth等 )應(yīng)用于 自動(dòng)抄表系統(tǒng)、管道泄漏檢測(cè)和精確用水量的閉環(huán)控 制、污水或水質(zhì)不好條件下的流量測(cè)量和分析以及作 為熱量表基表使用 (特別適合我國(guó)熱水管道水質(zhì)差的 國(guó)情 )等。 5 結(jié)束語(yǔ) 電子水表在大口徑封閉管道水流量測(cè)量與控制方 面的優(yōu)勢(shì)日益突出 ,顯示了強(qiáng)大的生命力 ;中小口徑電 子水表的應(yīng)用正在快速推進(jìn) ,受到了用戶(hù)的普遍關(guān)注 和歡迎 ;小口徑戶(hù)用電子水表的應(yīng)用也已初露頭角。 推進(jìn)電子水表技術(shù)發(fā)展 ,加快其技術(shù)成熟度 ,是從事水 表研究、開(kāi)發(fā)、制造等領(lǐng)域的相關(guān)組織和人員義不容辭 的使命和任務(wù)。 傳感和信號(hào)處理技術(shù)是推進(jìn)電子水表發(fā)展的關(guān)鍵 技術(shù) ,國(guó)內(nèi)企業(yè)要在該領(lǐng)域有所作為 ,必須搶占這一制 高點(diǎn)。要在借鑒國(guó)外現(xiàn)有成功技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研 究、創(chuàng)新和開(kāi)發(fā) ,使我國(guó)真正擁有一批具有自主知識(shí)產(chǎn) 權(quán)而且性能優(yōu)越的電子水表新產(chǎn)品。