电子水表传感与信号处理技术

发布时间：2016-12-19  文章来源：姚 灵
0 引言 ISO 4064∶2005中的饮用冷水水表和热水水表标 准在结构与技术上将水表产品分成机械水表、带电子 装置水表和电子水表三大类。电子水表是采用新颖传 感原理及现代流量计相关技术的全新水表 ,目前主要 有速度式的电磁水表、超声水表、射流水表、涡街水表 等类型 [ 1 ]。 电子水表采用了新颖传感技术、微弱信号处理技 术、计算机技术、通信技术等现代科学技术 [ 2 - 3 ]。因 此 ,它具有较宽的测量范围、较高的计量等级、较低的 压力损失以及方便的数据运算、传输功能。其主要性 能指标优于机械水表和带电子装置的机械水表。随着 产品可靠性和使用寿命 (含电池寿命 )的不断提高以 及产品成本的不断下降 ,电子水表将日益显示出优越 的性价比和丰富多样的使用功能 ,并且有着很好的发 展前景和空间 [ 4 ]。 1 技术特征 由于电子水表的传感部分无机械运动部件而直接 将流体平均速度转换成电信号 ,因此 ,仪表结构简单、 压力损失小、使用寿命长。在水质不好条件下的计量、 测控 ,电子水表有着传统机械水表不可替代的优越 性 [ 5 - 6 ]。但电子水表要全面进入并逐步替代传统水表 对水流量的计量 ,特别是在中小口径封闭管道的直饮 水、饮用水计量等方面 ,还有不少问题需要解决。经过 多年来的不断完善 ,中小口径电子水表经过全面技术 提升、简化表体结构 ,使其特性有了较大改观 ,产品成 本也有大幅下降 ,部分产品的应用已经达到较为满意 的效果。下面就当前电子水表采用的主要传感与信号 处理技术作简要介绍和评述 [ 7 - 11 ]。 1. 1 流量传感技术 当前电子水表普遍采用速度式测量的原理 ,即通 过检测水流体在测量管截面上的平均流速求得体积流 量或质量流量。 1. 1. 1 电磁流量传感技术 电磁流量传感技术一般用于体积流量测量 ,其主 要特点是 : ①传感器结构简单 ,测量管内无运动和阻流 部件 ,流体压力损失很小 ; ②不受被测介质温度、黏度、 密度和水质状况等的影响 ; ③传感信号只与被测流体 的平均流速成正比 ,而与流动状态基本无关。因此 ,传 感器的量程范围宽、测量精度高、无机械惯性、动态特性 好。其关键技术包括电极与测量管内衬材料的选择、励 磁方式与抗干扰设计以及微弱信号检测等方面 [ 5 ]。 1. 1. 2 超声流量传感技术 超声流量传感技术也用于体积流量测量。传感部 1 电子水表传感与信号处理技术 分由超声波换能器和前级信号处理电路组成。换能器 将电能转换成超声波 ,并将其发射穿过被测流体 ,接收 器收到超声波信号并经前级电路处理转换成代表流量 的电信号。其主要特点是 : ①可在不干扰流体自身运 动的情况下测量流速 ; ②测量管内无运动和阻流部件 , 无压力损失和磨损 ; ③对被测介质几乎无要求 ,并且测 量准确度不受被测流体温度、压力、密度、黏度等参数 的影响 ; ④测量范围宽、标定方便。 超声流量传感技术按其测量原理可以分为传播速 度差法、多普勒法、波束偏移法、相关法等。从测量精 度看 ,传播速度差法效果较好。其关键点在于正确处 理超声方法测得的流速线平均值与实际流量测量所需 的流速面平均值的关系、声道的合理设置、控制声速在 流体测量过程中的变化量、超声换能技术与信号处理 技术等。 1. 1. 3 涡街流量传感技术 涡街流量传感技术是流体振动传感技术的一种主 要形式。它具有以下特点 : ①测量管内无运动部件 ,工 作可靠、寿命长 ; ②在一定的雷诺数范围内 ,被测流体 振动频率只与流体工作状态下的体积流量成正比 ,而 对流体的物理性质不敏感 ; ③输出信号是频率值 ,处理 比较容易 ; ④量程范围相对较宽 ; ⑤在符合几何与动力 相似条件下 ,用典型介质标定即可在其他介质中使用。 涡街流量信号检测常用的方法有检测流体旋涡压 力变化的应力式或应变式测量 ,以及检测流速变化的 热敏式或电磁式测量。其关键点在于合理设计旋涡发 生体、稳定测量管内卡曼涡街、信号检测与抗干扰 (管 道振动与外界电磁场干扰 )技术、特性修正技术等。 1. 1. 4 射流流量传感技术 射流流量传感技术是伴随射流技术的发展而出现 的一种新颖流量传感技术。其中利用附壁效应制成的 反馈式流量传感器已在民用气表和水表中得到很好的 应用。该技术的特点是 : ①主要用于低雷诺数流体测 量 (目前雷诺数测量下限已达 10 2量级 ) ,在微小流量 检测中具有明显优势 ,而且测量范围宽、超量程能力 强 ; ②由于输出信号是与流体流速成正比的射流振荡 频率量 ,因此 ,流量信号获取方便、检测灵敏度高 ; ③应 用新颖电磁检测原理的射流流量传感器 ,可以消除被 测液体中空气、气泡和泥沙对测量结果的影响 ; ④传感 器内无运动部件 ,结构牢固 ,不受振动和撞击影响 ,便 于集成化制造。 1. 2 信号处理与抗干扰技术 信号处理与抗干扰是密不可分的关联技术。任何 信号在处理和传输过程中都会受到检测电路元器件内 部产生的固有噪声和外部产生的电磁噪声、机械振动 等的影响和干扰 ,致使信号 (尤其是微弱信号 )不能有 效测量和利用。实际环境中的噪声和振动是客观存在 的 ,很难完全消除 ,但可设法识别其特征、降低其强度、 从而进行有效抑制。 电子水表在对微小流量检测时 ,必然会碰到微弱信 号处理问题 ,水表工作现场条件复杂 ,甚至非常恶劣 ,各 种电磁干扰和外界影响不可避免 ,这就需要运用各种现 代技术来削弱和抑制噪声 ,识别和提取有用信号。 1. 2. 1 噪声抑制及抗干扰 抑制电磁干扰主要从以下三个方面着手 : ①削弱 噪声信号 ; ②切断耦合通道 ; ③提高信号处理电路本身 的抗干扰能力。削弱噪声和切断耦合通道的常用方法 有屏蔽、接地、隔离、去耦等。 1. 2. 2 微弱信号检测与处理 通常将信号幅度很小且被噪声淹没的信号称作微 弱信号 ,一般来说 ,微弱是相对于噪声而言的。微弱信 号检测技术注重的是如何抑制噪声和提高信噪比。 电子水表与带电子装置机械水表的最大区别是后 者基表部分输出的是脉冲恒定幅值信号或编码信号 , 虽然其中也有干扰存在 ,但由于是数字 (频率 )量 ,分 离出有用信号要容易得多 ,且信噪比很高 ;电子水表检 测到的常常是模拟低频小信号 ,特别在小流量检测中 获取的信号一般在毫伏或微伏级 ,甚至是纳伏级的电 压水平 ,常被噪声电平所淹没。因此 ,必须用到微弱信 号或小信号处理技术。常用的微弱信号或小信号处理 技术有滤波、调制与解调、锁定放大、数字式平均、相关 检测以及自适应噪声抵消。其他微弱信号检测方法有 小波分析、数字滤波及仪用放大技术等。 涡街水表在检测管道流量时 ,由水泵引起的管道 振动可能对流量信号形成干扰 ,使其波形发生畸变而 导致频率测量误差。这种干扰噪声与管道振动相关 , 而与涡街信号不相关 ,可以利用自适应噪声抵消和相 关检测方法将其滤除 ,如图 1所示。 图 1 自适应噪声抵消法 Fig. 1 Self2adap tive counteraction of noise 1. 3 曲线拟合和修正技术 曲线拟合是通过一定量的测试数据寻求相应函数 2 电子水表传感与信号处理技术《自动化仪表 》第 30卷第 3期 2009年 3月 关系或数学模型的过程。在实际测量过程中被测信号 虽然经过处理 ,但总会残留部分噪声 ,采用拟合技术可 以将被测信号的变化规律从干扰中分离出来 ,恢复信 号曲线本来面貌。曲线修正主要包含非线性校正、自 校准与自补偿、误差修正等技术。 当被测系统特性呈非线性性质时可用曲线进行描 述。如某种流体的黏度随温度升高而降低 ,在不同温 度下得到如表 1所示的黏度测试数据 ,相应的流体黏 度 - 温度曲线如图 2所示。 表 1 黏度测试数据 Tab. 1 Test da ta of v iscosity 序号 温度 xi 黏度 yi 序号 温度 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 图 2 流体黏度 - 温度曲线 Fig. 2 Fluid viscosity vs. temperature curve 可将它按 y = a0 ·xa1 函数曲线进行拟合。首先 将曲线化为直线 : lny = lna0 + a1 lnx (1) 令 y′= lny, x′= lnx, a0 ′= lna0 ,则有 : y′=a0 ′+ a1 x′ (2) 用最小二乘法拟合并计算得 : 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。 测量系统的线性度是影响准确度的重要指标。为 使测量仪表的输出与输入具有线性关系 ,必须采取相 应的线性化措施 ,即曲线修正技术。如热量表中经常 使用的测温元件铂电阻 ,在 0 ℃～500 ℃温度范围内 , 其阻值与温度间的关系可近似表示为 : RT = R0 [ 1 + aT + bT 2 ] (3) 式中 : RT 为温度 T时的电阻值 ; R0 为 0 ℃时电阻值 ; a、 b为常数。 图 3为铂电阻的温度特性曲线。由图 3可知 ,温 度特性呈非线性 ,且当温度为 250 ℃时 ,最大非线性误 差可达 2%。因此 ,必须采用曲线修正技术来解决非 线性影响。 图 3 温度特性曲线 Fig. 3 Temperature characteristic curve 常用非线性校正方法有硬件法和软件法两种。硬 件法主要有函数放大器或多功能转换器组成的线性化 电路 ;软件法则有校正函数法、查表法、神经网络法等。 2 相关技术 今后 ,电子水表的应用主要将集中在中小口径封 闭管道水流量的检测与控制等方面 ,并在电磁水表、超 声水表、射流水表等产品以及在传感与信号处理技术 等领域发展较快。以下新技术的运用 ,为电子水表性 能的改善和提高 ,以及成本下降起到积极的推进作用。 2. 1 励磁技术 励磁技术主要有恒磁励磁、尖脉冲励磁、管内励磁 等 3种。恒磁励磁 ,即永磁材料直接用于励磁技术 ,使 电磁水表、射流水表、涡街水表等的功耗大为下降 (须 同时采用消除极化干扰电势等措施 )。尖脉冲励磁 , 即使用尖脉冲电流去激磁矩形磁滞回线的磁性材料以 产生励磁磁场 ,并将磁感应强度变换为矩形波磁场。 以很低的励磁电能消耗 (小于 2 mW )换取高的磁感应 强度。管内励磁 ,即将励磁线圈放置在测量管内励磁 , 增强磁感应强度 ,提高小流量测量灵敏度 ,降低电源消 耗。 2. 2 消噪技术 消噪技术主要有电极电解抛光和极化与干扰电势 抵偿 2种方式。 当被测流体与电磁水表测量管内表面摩擦时会产 生“流动噪声 ”。通过对电极的电解抛光处理 ,使电极 表面在 5 nm内的深度里具有铬密度高于铁密度特性 , 能大幅度减小“流动噪声 ”的影响。 极化与干扰电势抵偿有 2种形式。一种是在非采 3 电子水表传感与信号处理技术 姚 灵 © 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 样期内 ,用交变电场接通电磁水表两电极 ,以消除直流 励磁时产生的严重极化现象。采样期内 ,电极自动切 换到测量放大器的输入端 ,对流量信号进行检测。另 一种是使用开关电路周期性地使 2个电极接地或采集 测量信号 ,以消除形成在电极上的摩擦与杂散电荷。 2. 3 传感技术 传感技术主要使用电磁差动检测和流场调整 2种 方法。 新颖射流水表采用恒磁励磁及差动检测流速方法 , 使水表功耗大大下降 ,小流量测量灵敏度明显提高。 采用流场调整装置对被测流体流动分布状态进行 控制 ,提高流体雷诺数 ,使射流水表或涡街水表测量限 下移 ,测量稳定性提高。 2. 4 仿真技术 电子水表流场的计算机仿真技术正在研究中 ,并 已取得一定实效。如射流水表经仿真模型计算 ,能准 确地观测到测量管内流速分布状况和最大流速点位 置 ,为传感器放置指明方位。 3 相关产品 下面就当今国外水表企业在此方面所做的某些工 作和取得的成果作简要描述。 3. 1 电磁水表 英国某公司近年来开发的 Sterling型水表是一种 低成本、高计量等级、微功耗供电、采用塑料表壳的新 型电磁水表。其主要性能有 : DN15, Q3 = 215 m 3 /h, Q3 /Q1 = 250;温度影响量为 ±012% ;电池使用寿命大 于 15年。其技术特点是采用新型励磁技术 ;应用特殊 电极材料和形状延长产品使用寿命、降低噪声 ;测量管 采用矩形流管设计 ,加快被测流体流动速度 ;微功耗电 源设计等。 另一家英国公司开发的 Q100户式电磁水表在流量 传感器设计方面与 Sterling产品具有相同之处。其特点 是:测量精度高于 D级计量等级;流量为 310 m 3 /h时 , 水表压力损失小于 0104MPa;可输出连续信号或脉冲信 号;电池使用寿命大于 10年。 日本某公司开发的 SY系列电池供电电磁水表适 合测量口径为 DN50～DN150的封闭管道使用。由于 在励磁方式上有所创新 (测量管中央设有一锥体 ,励 磁装置安放在锥体内 ,利用这种结构增强传感器的感 应电势 )。因此 ,提高了小流量测量灵敏度 ,使产品的 最大流量与最小精确流量之比达到 1 000。 德国的一家公司推出的 MAG 8000电磁水表主要 用于准确计费结算和泄漏检测等场合。产品特点有 : 电池供电可连续使用 6年 ;防护等级达到 IP68,可在深 井下正常工作 ;能对超高、超低流量进行报警 ;两组独 立的数字量输出 ;具有智能诊断、流量分析、电源管理、 密码保护、红外输出和多种通信接口等功能。当流速 在 015～10 m /s时 ,测量精度可达 ±014% ( ±012%可 选 )。由于测量管内腔采用特殊锥形设计 ,因此在小 流量测量时灵敏度高 ,可用于泄漏检测。产品性能指 标可达 C级以上计量等级。常用口径范围为 DN50～ DN300; Q2 /Q1 = 116时 , Q3 /Q1 = 400。 3. 2 射流水表 英国产的 Smart Meter系列新型射流水表由于测 量反馈腔设计合理 ,因此 ,在低雷诺数 ( 10 2量级 )条件 下可以稳定工作。在传感技术上采用新型永磁励磁的 差动检测方式获取流量信号 ,使射流水表能稳定工作在 C级计量等级特性水平上 ,电池供电寿命大于 10年。 3. 3 超声水表 欧洲某公司的 Echodis超声水表是新一代的 C级 水表。具有 :M2Bus通信接口 ,与 AMR兼容 ;内置锂电 池工作 ,寿命为 12年;宽量程范围 (认证计量范围 1∶ 200,动态测量范围 1∶1 000) ;水表口径范围为 DN15～ DN50;符合 O IML R49、ISO 4064、EN 14154、EN 6087025 等规程和标准要求等特点。 以色列一家公司的 FL 1024 /1025超声水表也是 一种电池供电的新型电子水表。 4 发展趋势 电子水表技术的发展是建立在传感技术和信号处 理技术的快速发展基础之上的 ,因此 ,传感和信号处理 技术是电子水表的核心技术。电子水表技术的发展会 在以下 4个方面受到关注。 ① 提高小流量测量灵敏度和稳定性 要提高电子水表在小流量测量时的灵敏度、扩展 流量测量下限值 ,重点在于现有传感与信号处理技术 的改良和采用新颖传感技术 ,同时应结合微弱信号 (或 小信号 )处理技术的运用 ,提高测量准确度和稳定性。 在现有传感与信号处理技术改良方面 ,增大测量 管内小流量测量时的流速 ,调整流体分布状态 ;消除或 降低电极上的极化电势、流动噪声等产生的干扰信号 和传感器内外部产生的噪声电平等影响 ;采用调制解 调或锁定放大、相关检测、自适应抵偿、修正和校准等 技术来校正电子水表在小流量时的非线性特性 ,减少 随机误差影响 ,提高电子水表灵敏阈 ,保证小流量测量 时灵敏、准确和可靠。 在新颖传感技术应用方面 ,研究和探索性能优良 4 电子水表传感与信号处理技术
《自动化仪表 》第 30卷第 3期 2009年 3月 的新颖传感技术是提高小流量测量灵敏度和稳定性的 另一出路。除了常用传感技术外 ,新颖流量传感技术 包括了科里奥利质量流量、相关流量、激光 (或超声 波 )多普勒流速、声表面波流量、核磁共振流量等传感 技术。某些传感技术对小流量测量特性的改善有着较 好的发展前景 ,值得关注。 ② 确保产品在恶劣使用环境中的可靠性 通常 ,水表工作环境比较复杂和恶劣 ,特别是在野 外工作的电子水表 ,除了潮湿和温度波动外 ,各种外界 电磁干扰和机械振动影响都十分严重。提高在恶劣环 境中产品使用的可靠性 ,确保其在寿命期内正常运行 , 对电子水表是个严峻的考验和挑战。 因此 ,首先应保证产品结构牢固 ,密封性能好 ;其 次 ,产品在抗干扰设计方面要有独到之处 ;再运用差动 检测和补偿、降噪等技术抑制内外部噪声 ,减少温度和 振动对测量结果的影响。另外 ,还应开展产品可靠性 试验与研究工作 ,重视元器件、零部件、整机等的老化 试验和筛选处理 ,将产品内部缺陷在出厂前给予剔除。 ③ 优化设计、提炼工艺、降低产品制造成本 掌握现代设计理念、方法和工具 ,应用价值工程技 术对电子水表产品设计进行优化 ,采用新工艺、新技 术、新材料 ,简化压缩表体结构 ,同时运用规模化、专业 化、自动化生产方式组织生产 ,在保证产品可靠性和使 用寿命前提下 ,努力降低制造成本。当今电子元器件 制造技术的快速发展 ,已为电子水表成本的大幅下降 打好了扎实的物质基础。 ④ 增加功能、扩大应用领域 电子水表在现有测量和数据运算、统计、传输等功 能基础上 ,还可进一步扩展其功能及使用范围 ,如将无 线传感网络技术 (如 ZigBee、ULP2Bluetooth等 )应用于 自动抄表系统、管道泄漏检测和精确用水量的闭环控 制、污水或水质不好条件下的流量测量和分析以及作 为热量表基表使用 (特别适合我国热水管道水质差的 国情 )等。 5 结束语 电子水表在大口径封闭管道水流量测量与控制方 面的优势日益突出 ,显示了强大的生命力 ;中小口径电 子水表的应用正在快速推进 ,受到了用户的普遍关注 和欢迎 ;小口径户用电子水表的应用也已初露头角。 推进电子水表技术发展 ,加快其技术成熟度 ,是从事水 表研究、开发、制造等领域的相关组织和人员义不容辞 的使命和任务。 传感和信号处理技术是推进电子水表发展的关键 技术 ,国内企业要在该领域有所作为 ,必须抢占这一制 高点。要在借鉴国外现有成功技术基础上进行自主研 究、创新和开发 ,使我国真正拥有一批具有自主知识产 权而且性能优越的电子水表新产品。