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一寸管汙水流量計的產品特點及未來四個方面的發展趨勢

點選次數₪☁₪◕•:994 釋出時間₪☁₪◕•:2020-12-24 05:54:33
近來年╃☁✘✘☁,隨著現代資訊和數字化技術的迅猛發展╃☁✘✘☁,以及人類在電子製造技術方面的升級╃☁✘✘☁,各類電子儀器儀表的產品品質和可靠性以及功能性都得到了非常大的提升╃☁✘✘☁,本文所述的一寸管汙水流量計產品的升級換代也同樣見證著這樣一個過程✘✘·。一寸管汙水流量計是一種被廣泛應用在各類石化企業及城市供水•₪•·、汙水處理等工程中╃☁✘✘☁,具有結構簡單•₪•·、寬量程•₪•·、耐腐蝕等優點✘✘·。一寸管汙水流量計的精度是體現一寸管汙水流量計產品品質的一個關鍵性的指標╃☁✘✘☁,與測量結果的準確性密切相關✘✘·。本文從一寸管汙水流量計的發展歷史出發╃☁✘✘☁,對其四個發展方向作了一個較為深入的分析╃☁✘✘☁,這四個方向表現在₪☁₪◕•:一寸管汙水流量計的結構•₪•·、一寸管汙水流量計的勵磁方式•₪•·、一寸管汙水流量計的訊號處理方式•₪•·、一寸管汙水流量計的智慧化技術✘✘·。這四個方面當前的技術發展現狀以及未來的發展方向如何╃☁✘✘☁,一寸管汙水流量計的未來的發趨勢怎樣╃☁✘✘☁,本文都有涉及✘✘·。在智慧化技術不斷髮展和完善的今天╃☁✘✘☁,未來一寸管汙水流量計仍以勵磁最佳化•₪•·、訊號處理技術為主╃☁✘✘☁,同時又不斷改變一寸管汙水流量計的結構╃☁✘✘☁,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✘✘·。
一•₪•·、引言
流量計是利用物理原理實現對一段時間內流體流量測量的儀器✘✘·。一寸管汙水流量計具有寬量程•₪•·、耐腐蝕•₪•·、結構簡單等優點川╃☁✘✘☁,是當前最受歡迎的流量計品種之一✘✘·。一寸管汙水流量計的理論產生於20世紀20年代[[21O當代一寸管汙水流量計大多以計算機技術為基礎╃☁✘✘☁,其功能隨著計算機的資訊處理能力•₪•·、儲存能力•₪•·、運算能力和計算機的控制功能的增強而增強✘✘·。一寸管汙水流量計技術革新的四個方向值得關注:一寸管汙水流量計的結構•₪•·、一寸管汙水流量計的勵磁方式•₪•·、一寸管汙水流量計的訊號處理技術以及一寸管汙水流量計的智慧化等✘✘·。本文以此為線索╃☁✘✘☁,總結一寸管汙水流量計的發展歷程並分析其發展趨勢✘✘·。
二•₪•·、一寸管汙水流量計結構
一寸管汙水流量計是利用電極與流體構成一個迴路來測量回路中產生的電引數✘✘·。傳統一寸管汙水流量計測量原理如圖1所示✘✘·。電磁線圈在直徑為d•₪•·、橫截面積為A的管道中產生一個磁場強度為B的磁場✘✘·。當有流體經過時會切割磁感線而產生感應電動勢U╃☁✘✘☁,測量電極接收電動勢訊號✘✘·。由公式Q=(1/k)*(UA/Bd)可計算其流量✘✘·。式中:Q為流量;k為修正係數✘✘·。

由於傳統的一寸管汙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╃☁✘✘☁,只能測量流體滿管情況等╃☁✘✘☁,因此需要改變其結構╃☁✘✘☁,使其能夠適應更復雜的環境✘✘·。改變一寸管汙水流量計結構的主要方法是改變電極的數量和位置╃☁✘✘☁,從而形成電容一寸管汙水流量計•₪•·、非滿管一寸管汙水流量計等✘✘·。
1.1•₪•·、電容一寸管汙水流量計
電容式一寸管汙水流量計從根本上解決了電極表面附著•₪•·、腐蝕•₪•·、摩擦等問題╃☁✘✘☁,其電極與被測流體間有絕緣襯裡隔離╃☁✘✘☁,或者直接採用絕緣測量管✘✘·。電極置於測量管外面或鑲嵌於測量管內部✘✘·。嵌人式一寸管汙水流量計和外貼式一寸管汙水流量計的結構如圖2所示✘✘·。

電極與被測流體透過絕緣管形成檢測電容╃☁✘✘☁,透過此電容來藕合流量訊號✘✘·。其主要的結構形式按照電極的安裝位置可以分為兩種:電極嵌人測量管的絕緣襯裡內部(嵌人式)•₪•·、電極貼在測量管外部(外貼式)✘✘·。嵌入式結構與普通一寸管汙水流量計結構相似╃☁✘✘☁,而外貼式大多是透過陶瓷表面金屬化技術將電極貼在測量管外✘✘·。
1.2非滿管一寸管汙水流量計
普通的一寸管汙水流量計只能測量滿管流的流量╃☁✘✘☁,而很多情況下由於流量流速很快╃☁✘✘☁,有時充不滿管道╃☁✘✘☁,普通的一寸管汙水流量計不能適用╃☁✘✘☁,因此希望一寸管汙水流量計能夠進行非滿管流量的測量✘✘·。目前市面上常見的非滿管一寸管汙水流量計有下面幾種✘✘·。
①多電極式非滿管一寸管汙水流量計✘✘·。其底部是一對訊號注人電極╃☁✘✘☁,中間有多對測量電極╃☁✘✘☁,頂端有一個滿管電極✘✘·。在滿管情況下╃☁✘✘☁,該流量計與普通的一寸管汙水流量計的功能相同╃☁✘✘☁,滿管情況下流體的橫截面積是固定的╃☁✘✘☁,此時計算流量值只需要測量流體的流速即可✘✘·。當流體非滿管時╃☁✘✘☁,滿管電極檢測到管道非滿狀態╃☁✘✘☁,利用演算法修正測量值╃☁✘✘☁,此時流量計的測量方式改成測量流體流速和液麵高度✘✘·。訊號注人電極與在不同位置的三對測量電極共同工作╃☁✘✘☁,用於測量液位面的高度和流體的速度✘✘·。多電極式非滿管一寸管汙水流量計結構簡圖如圖3所示✘✘·。

②電容式非滿管一寸管汙水流量計✘✘·。電容式非滿管一寸管汙水流量計結構簡圖如圖4所示✘✘·。

電容式非滿管一寸管汙水流量計就是利用液位的變化使得電容的極距發生變化╃☁✘✘☁,透過測量傳送電極和檢測電極之間的電容藕合值即可測量流量值✘✘·。
③利用阻抗或訊號衰減研製的非滿管一寸管汙水流量計✘✘·。這種結構的非滿管一寸管汙水流量計是當前國內研究的方向之一✘✘·。其結構是流量管底部貼一對訊號發射電極╃☁✘✘☁,在流量管中間貼訊號接收電極✘✘·。由於訊號在流體中傳播會產生衰減╃☁✘✘☁,且傳播時間越長╃☁✘✘☁,衰減越多╃☁✘✘☁,因此透過訊號接收電極接收到的訊號衰減量即可得知液麵高度;同時該電極還能測量流體切割磁感線產生的電動勢╃☁✘✘☁,以此達到測量非滿管流量的目的✘✘·。阻抗式或訊號衰減非滿管一寸管汙水流量計結構簡圖如圖5所示✘✘·。

④智慧化非滿管一寸管汙水流量計✘✘·。這種流量計是一寸管汙水流量計智慧化發展的方向之一✘✘·。使用兩種接法不同的勵磁線圈╃☁✘✘☁,應用權重函式與幾何位置有關的原理╃☁✘✘☁,建立液位的函式關係╃☁✘✘☁,最後透過線上計算求取液位✘✘·。姜玉林•₪•·、丁文斌改進了權重函式與感應電勢的計算方法✘✘·。對於非滿管流量計來說╃☁✘✘☁,由於其流體分佈與普通的一寸管汙水流量計不同╃☁✘✘☁,因此其權重函式也不同╃☁✘✘☁,衛開夏•₪•·、李斌在非滿管的情況下對其權重函式進行有限元數值分析╃☁✘✘☁,得到不同液麵下的權重函式✘✘·。
除此之外還有其他功能的一寸管汙水流量計╃☁✘✘☁,例如改變資訊傳輸通道將訊號線與電源線串在一起的二進位制電
磁流量計•₪•·、用於測量渠道的潛水一寸管汙水流量計•₪•·、為了降低功耗並提高勵磁效率和靈敏度而設計的異徑一寸管汙水流量計•₪•·、用於油水兩相流流量測量的分流式一寸管汙水流量計以及其他一寸管汙水流量計✘✘·。
三•₪•·、勵磁方式的最佳化
勵磁方式的選擇影響了整個流量計系統的精度•₪•·、能耗等引數✘✘·。因此在一寸管汙水流量計的結構確定之後╃☁✘✘☁,勵磁方式的選擇尤為重要✘✘·。勵磁方式可以分為兩種基本形式╃☁✘✘☁,即採用交變磁場的形式(包括正弦波勵磁•₪•·、矩形波勵磁•₪•·、三值波勵磁和雙頻矩形波勵磁)和採用恆定磁場的形式(包括直流電源勵磁和永磁體勵磁✘✘·。
2.1 交變磁場勵磁
工頻正弦波是最早應用於一寸管汙水流量計中的勵磁方式╃☁✘✘☁,其測量速度快╃☁✘✘☁,受電化學反應影響小╃☁✘✘☁,但是由於頻率高╃☁✘✘☁,容易因為渦流產生同相噪聲且微分噪聲補償困難╃☁✘✘☁,零點容易漂移✘✘·。低頻矩形波勵磁具有實現簡單•₪•·、零點穩定•₪•·、抗工頻干擾等優點而成為流量計廠商主要採用的勵磁方式✘✘·。
隨著實際生產應用中對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要求╃☁✘✘☁,於是國外提出高頻方波勵磁和雙頻矩形波勵磁✘✘·。高頻方波勵磁或雙頻矩形波勵磁雖能有效克服漿液噪聲•₪•·、流動噪聲等干擾並提高測量速度╃☁✘✘☁,但是有關高頻勵磁部分的核心技術並未披露✘✘·。國內還沒有廠家能夠提供擁有自主產權的產品╃☁✘✘☁,相關的文獻也很少✘✘·。雖然雙頻矩形波勵磁兼具高頻測量速度快和低頻穩定性好的優點╃☁✘✘☁,且對流動噪聲不敏感╃☁✘✘☁,但是由於需要執行復雜演算法╃☁✘✘☁,會增加功耗✘✘·。劉鐵軍•₪•·、宮通勝在雙頻勵磁研究的基礎上對其進行了改進╃☁✘✘☁,並提出一種時分雙頻勵磁的方法✘✘·。該方法在兼顧了低頻高頻優點的同時╃☁✘✘☁,又能夠在很寬的測量範圍內實現流量的高精度測量✘✘·。
2.2恆定磁場勵磁
相對於交變磁場勵磁方式來說╃☁✘✘☁,恆定磁場勵磁的方式實現起來更加簡單╃☁✘✘☁,受工頻干擾影響小╃☁✘✘☁,而且使用恆定磁場勵磁可以簡化感測器結構✘✘·。
恆定磁場勵磁最關鍵的問題就是電化學及其他因素會在一寸管汙水流量計測量電極上產生嚴重的極化現象╃☁✘✘☁,導致測量電極兩端產生極化電壓✘✘·。極化電壓過大╃☁✘✘☁,則會淹沒測量訊號產生的感應電動勢✘✘·。而交變磁場勵磁可以透過不斷變換勵磁的方向來消除電極表面極化現象╃☁✘✘☁,因此╃☁✘✘☁,目前國內外一寸管汙水流量計大多采用交變磁場勵磁✘✘·。恆定磁場勵磁方式應用於導電率極高•₪•·、流體內阻極小•₪•·、而又不產生極化效應的液態金屬的流量測量中✘✘·。
為了克服電極表面極化現象╃☁✘✘☁,目前採用的方法可分為以下兩種✘✘·。①從極化電壓的原理出發╃☁✘✘☁,分析兩個電極上極化電壓的相關性╃☁✘✘☁,從根本上消除極化電壓的影響╃☁✘✘☁,如差分對比消除極化電壓法✘✘·。但是由於極化電壓影響因素多╃☁✘✘☁,且其隨機性遠遠大於反映流量訊號的感應電動勢╃☁✘✘☁,所以其消除極化的效果並不理想✘✘·。②另一種是避開極化電壓的原理╃☁✘✘☁,設法在不影響流體感應訊號測量的情況下╃☁✘✘☁,將極化電壓控制在一個穩定的值╃☁✘✘☁,如繼電器電容反饋抑制極化法✘✘·。浙江大學提出了一種新的方法╃☁✘✘☁,該方法是利用在電極上施加快速變化的交變電場來抑制極化電壓╃☁✘✘☁,且此交變電場只在非取樣時間段內激發✘✘·。上海大學提出了另外一種反饋的方法╃☁✘✘☁,即對測量電極進行等電量動態跟蹤反饋的方法來消除磁鋼勵磁一寸管汙水流量計的電極極化問題✘✘·。目前╃☁✘✘☁,這種方法是當前恆磁磁場勵磁方法研究的焦點✘✘·。
四•₪•·、訊號處理方法的改良
一寸管汙水流量計透過採集一段時間內的電訊號來達到測量流量的目的╃☁✘✘☁,這樣在測量過程中不可避免地會摻雜各種干擾訊號╃☁✘✘☁,因此對訊號的檢測處理方式的改良就顯得尤為重要✘✘·。
3.1普通一寸管汙水流量計訊號處理
訊號的檢測處理實際上就是對訊號進行放大•₪•·、採集與干擾抑制✘✘·。訊號方面的研究主要集中在干擾的抑制上✘✘·。一寸管汙水流量計的干擾主要包括極化電壓的干擾•₪•·、工頻干擾•₪•·、電化學干擾•₪•·、流體碰撞干擾•₪•·、微分干擾•₪•·、零點漂移等✘✘·。除此以外╃☁✘✘☁,部分研究發現流體的不對稱流動✘✘·。電極和勵磁線圈的不對稱也會產生相應的測量誤差✘✘·。國內許多機構在這些方面作了很多的研究╃☁✘✘☁,如上海大學提出的一種反饋式訊號放大處理方法╃☁✘✘☁,採用矩形波勵磁來克服極化電壓•₪•·、工頻帶來的干擾╃☁✘✘☁,利用增加勵磁頻率或改變勵磁方式╃☁✘✘☁,克服電化學干擾和流體碰撞管道時產生的干擾✘✘·。周真•₪•·、王強等人透過對流量計極間訊號進行建模來分離干擾訊號和流量訊號╃☁✘✘☁,採取提前確定IA值來進行偏置調整抑制低頻漂移產生的干擾╃☁✘✘☁,利用數模混合最優濾波法消除微分干擾✘✘·。對於恆磁勵磁方式來說╃☁✘✘☁,干擾主要來源於極化電壓干擾以及零點漂移干擾╃☁✘✘☁,消除零點漂移干擾的方法有電容隔離法•₪•·、反饋式訊號處理方法一和三次取樣消除零點漂移法等✘✘·。石冰鑫•₪•·、李景雲公佈╃☁✘✘☁,了一項利用光電傳輸訊號的一寸管汙水流量計╃☁✘✘☁,可以有效降低傳輸過程中的干擾✘✘·。
3.2電容式一寸管汙水流量計訊號處理
普通一寸管汙水流量計的電極部分是以金屬導體與被測液體接觸╃☁✘✘☁,而流體流動時會對電極產生碰撞噪聲✘✘·。後來研發的電容式一寸管汙水流量計使電極部分不與被測流體直接接觸╃☁✘✘☁,而是透過管壁與流體的感應電動勢產生感應╃☁✘✘☁,從根本上解決了雜散噪聲的問題✘✘·。但是由於耦合電容的容抗是電容式一寸管汙水流量計的主要訊號內阻╃☁✘✘☁,其藕合電容值很小╃☁✘✘☁,而內阻很大╃☁✘✘☁,測量得到的訊號信噪比會很小✘✘·。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放大器╃☁✘✘☁,進行訊號的阻抗轉換和放大✘✘·。
目前╃☁✘✘☁,訊號檢出方法有兩種:直接檢測感應電壓與透過“虛地”來檢測電流法✘✘·。電壓檢測法技術成熟╃☁✘✘☁,但是受流體因素影響大✘✘·。檢測電流法透過“虛地”與合適的電阻值來獲得高電勢╃☁✘✘☁,透過口= CE來計算電容╃☁✘✘☁,最後透過微分得出電流值✘✘·。此方法可從根本上消除電容洩漏電流的影響╃☁✘✘☁,但是這種方法受耦合電容值變化的影響較大╃☁✘✘☁,而且電路複雜╃☁✘✘☁,一般較少採用✘✘·。
盧國峰•₪•·、王保良等人引人了互相關檢測方法✘✘·。互相關檢測方法是墓於互相關函式同頻相關╃☁✘✘☁,不同頻不相關的性質╃☁✘✘☁,透過互相關運算╃☁✘✘☁,達到濾出噪聲的效果✘✘·。已知傳送訊號的頻率╃☁✘✘☁,就可在接收端發出相同頻率的參考訊號╃☁✘✘☁,與混亂訊號進行相關即可提取出微弱的測量訊號✘✘·。在後續的資料處理當中╃☁✘✘☁,他們使用了基於相關檢測原理的旋轉電容濾波器✘✘·。這種電路抗干擾能力很強╃☁✘✘☁,有很高的信噪比✘✘·。
由於智慧一寸管汙水流量計的出現╃☁✘✘☁,越來越多的訊號處理技術不再是單純的電路式濾波╃☁✘✘☁,而更多地使用軟體濾波╃☁✘✘☁,比如可以利用Matlab對訊號進行線上處理╃☁✘✘☁,以有效地降低干擾╃☁✘✘☁,或利用小波變換對訊號進行處理以抑制干擾等✘✘·。
五•₪•·、流量計的智慧化
隨著微處理器的發展╃☁✘✘☁,一寸管汙水流量計也在朝著智慧化方向發展✘✘·。其智慧化方向可分為訊號處理智慧化和控制智慧化╃☁✘✘☁,兩者共同作用構成了智慧一寸管汙水流量計✘✘·。其主要技術包括軟體技術•₪•·、自診斷功能•₪•·、程控放大器技術•₪•·、微處理器抗干擾技術等✘✘·。
軟體技術是訊號處理智慧化的標誌╃☁✘✘☁,即透過軟體來控制一寸管汙水流量計的整個工作過程✘✘·。數字濾波•₪•·、非線性擬合•₪•·、零點自校正是較常見的技術✘✘·。數字濾波能夠完成模擬濾波不能完成的濾波功能╃☁✘✘☁,例如:脈衝干擾剔除•₪•·、數位電路毛刺干擾消除•₪•·、A/D轉換器的抗工頻以及確保輸人微處理器數字的可靠性✘✘·。另外╃☁✘✘☁,資料線上分析與資料重構也是其研究方向之一╃☁✘✘☁,如利用小波變換分離漿液流體當中的流量訊號•₪•·、漿液訊號和利用陷波濾波器組的訊號處理方法等✘✘·。
一寸管汙水流量計是無阻擾測量╃☁✘✘☁,其測量電極與流體接觸後容易發生磨損•₪•·、腐蝕•₪•·、結垢等現象╃☁✘✘☁,這些現象會極大地影響一寸管汙水流量計的測量精度✘✘·。為了便於拆卸維護╃☁✘✘☁,一寸管汙水流量計增加了自診斷功能✘✘·。其功能越來越多╃☁✘✘☁,相繼添加了訊號線性度•₪•·、勵磁電路的完整性和準確性(包括勵磁線圈電阻和勵磁電流)•₪•·、監控和診斷流程和環境條件的變化(如液體電導率是否變化╃☁✘✘☁,流體中氣泡和固體顆粒含量等✘✘·。隨後出現一種無需改變一寸管汙水流量計結構就能進行勵磁電流異常的自診斷技術✘✘·。
程控放大器技術能夠實現一寸管汙水流量計量程的自動轉換╃☁✘✘☁,同時利用增益控制方法能有效削弱微分干擾峰值使放大器過載的問題╃☁✘✘☁,便於流量訊號電勢處理╃☁✘✘☁,提高抗微分干擾的能力✘✘·。
以往的抗干擾技術解決了輸入與輸出之間的各種干擾問題╃☁✘✘☁,但是當一寸管汙水流量計引入智慧系統後╃☁✘✘☁,來自微處理器的各種干擾同樣會影響測量結果的精度╃☁✘✘☁,甚至會導致整個流量測量系統跑飛或崩潰✘✘·。目前╃☁✘✘☁,國內外常常使用軟硬體結合的方式來提高微處理器的抗干擾能力✘✘·。常用的軟體抗干擾方法有:軟體指令冗餘措施•₪•·、軟體陷阱抗干擾方法•₪•·、軟體“看門狗”技術等✘✘·。純粹的軟體抗干擾會浪費大量的CPU功率╃☁✘✘☁,所以先使用硬體來消除大部分干擾✘✘·。常用的硬體抗干擾有:光電隔離器•₪•·、接地技術•₪•·、掉電保護技術等✘✘·。
六•₪•·、結束語
近年來╃☁✘✘☁,一寸管汙水流量計隨著需求的增加不斷髮展✘✘·。在諸多的一寸管汙水流量計技術發展當中╃☁✘✘☁,作者認為未來的一寸管汙水流量計發展仍然以勵磁最佳化•₪•·、訊號處理技術為主╃☁✘✘☁,同時一寸管汙水流量計將不斷新增各種智慧化的功能以應對更多•₪•·、更復雜的測量環境✘✘·。

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