（傳感與信號(hào)處理技術(shù)專題）
寧波水表股份有限公司 姚 靈
摘要：電子水表是水表產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，而傳感與信號(hào)處理技術(shù)又是電子水表的關(guān)鍵核心技術(shù)。文章對(duì)當(dāng)今電子水表的傳感技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)作了概述性描述，同時(shí)結(jié)合國外在該方面的最新產(chǎn)品資料和專利文獻(xiàn)對(duì)電子水表相關(guān)技術(shù)作了有選擇的專題介紹，并對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢提出了看法與意見。
關(guān)鍵詞：水表 電子水表 傳感技術(shù) 信號(hào)處理技術(shù) 發(fā)展趨勢
三．產(chǎn)品與技術(shù)
電子水表除了在大口徑封閉管道水流量的測控應(yīng)用外，今后的發(fā)展方向會(huì)比較集中在中小口徑管道水流量的計(jì)量與檢測等方面，并在電磁水表、超聲水表、射流水表等產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展較為快速。以下新技術(shù)的運(yùn)用，為電子水表性能的改善和提高，以及成本下降起到一定的推進(jìn)作用。
1.勵(lì)磁技術(shù)：
（1）恒磁勵(lì)磁：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等措施）。
（2）尖脈沖勵(lì)磁：使用尖脈沖電流去激磁矩形磁滯回線的磁性材料以產(chǎn)生勵(lì)磁磁場，并將磁感應(yīng)強(qiáng)度變換為矩形波磁場。使很低的勵(lì)磁電能消耗（小于2mW）換取高的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
（3）管內(nèi)勵(lì)磁：將勵(lì)磁線圈放置在測量管內(nèi)勵(lì)磁，增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高小流量測量靈敏度，降低電源消耗。
2.消噪技術(shù)：
（1）電極電解拋光：當(dāng)被測流體與電磁水表測量管內(nèi)表面摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生所謂的“流動(dòng)噪聲”。通過對(duì)電極的電解拋光處理，使電極表面在50埃內(nèi)的深度里具有鉻密度高于鐵密度特性，能大幅度降低“流動(dòng)噪聲”的影響。
（2）極化與干擾電勢抵償：方法一，在非采樣期內(nèi)，用交變電場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)切換到測量放大器的輸入端，對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行檢測。方法二，使用開關(guān)電路周期性地使兩個(gè)電極接地或采集測量信號(hào)，以消除形成在電極上的摩擦與雜散電荷。
3.傳感技術(shù)：
（1）電磁差動(dòng)檢測：新型射流水表采用恒磁勵(lì)磁及差動(dòng)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。
（2）流場調(diào)整：采用流場調(diào)整裝置對(duì)被測流體流動(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量限下移，測量穩(wěn)定性提高。
4.仿真技術(shù)：
射流水表流場的計(jì)算機(jī)仿真已在應(yīng)用之中。經(jīng)仿真模型計(jì)算，能準(zhǔn)確觀測到測量管內(nèi)流速分布狀況和最大流速點(diǎn)位置，為放置傳感器指明方位，見圖11。
圖11
下面就當(dāng)今國外水表企業(yè)在此方面所做的某些工作和取得的成果作出簡要描述。
電磁水表
SENTEC公司產(chǎn)品：
英國SENTEC公司近年來開發(fā)的“Sterling” 型水表是一種超低成本、高計(jì)量等級(jí)、寬測量范圍、性能優(yōu)越、微功耗供電、采用塑料表殼的新型電磁水表（目前水表規(guī)格為DN15）。
水表內(nèi)帶有TI公司的MSP430系列微處理器，具有AMR/AMM功能；表內(nèi)電磁器件和電極總成本低于2美元，傳感器部分加工與裝配非常方便，組裝成本很低。與帶AMR功能的傳統(tǒng)機(jī)械水表相比價(jià)格上極具競爭力。
主要性能特點(diǎn)：符合ISO 4064標(biāo)準(zhǔn)；DN15，Q3=2.5m3/h，Q3/Q1=250 ; 額定工作溫度在0-45 0C范圍時(shí)，水表具有優(yōu)良的工作穩(wěn)定性，總的溫度影響量為±0.2% ; 環(huán)境溫度如在300C,電池使用壽命大于15年; 壓力損失小于0.04MPａ;產(chǎn)品安裝和使用環(huán)境要求低;電磁流量傳感器使用壽命大于20年。
主要技術(shù)特點(diǎn)：采用新穎勵(lì)磁技術(shù)；應(yīng)用特殊電極材料和形狀延長產(chǎn)品使用壽命、降低噪聲；測量管采用矩形流管設(shè)計(jì)，加快被測流體流動(dòng)速度；管道內(nèi)無阻流體和運(yùn)動(dòng)部件；微功耗電源設(shè)計(jì)。產(chǎn)品外形、結(jié)構(gòu)、特性等見圖12～14。
（a） （b）
圖12 Sterling電磁水表
a:產(chǎn)品外形 b：測量管形狀
圖13 傳感器工作示意圖
(a)
(b)
圖14 Sterling電磁水表計(jì)量特性
(a)示值特性曲線 (b)壓力損失曲線
該產(chǎn)品已在北美生產(chǎn)銷售，其測量口徑最大可達(dá)100㎜。產(chǎn)品除了應(yīng)用于戶式水表外，還用于商用和工業(yè)用水表以及熱量表等。
ELSTER公司產(chǎn)品：
英國ELSTER公司開發(fā)的Q100戶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；水表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用三層形式，在流量傳感器上層設(shè)置封閉的信號(hào)處理模塊，電池模塊放置在中間層，最上層是微處理器及顯示模塊。該結(jié)構(gòu)可確保水表產(chǎn)品的可靠工作，不受外部干擾影響，見圖15～16。其主要特點(diǎn)：
* 工作壽命期內(nèi)，計(jì)量等級(jí)高于D級(jí)水平；
* 運(yùn)行和使用成本很低；
* 水中顆粒雜質(zhì)不影響水表正常測量；
* 工作溫度上限:550C，工作壓力:1.6MPａ;
* 流量為3.0 m3/h時(shí)，水表壓力損失小于0.04MPａ；
* 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，有低電壓告警功能；
* 測量時(shí)不受水中空氣和逆流影響。
圖15 Q100電磁水表外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖16 Q100電磁水表性能數(shù)據(jù)和特性曲線
ELSTER公司的另一款電子水表產(chǎn)品為Q4000電磁水表。該表具無凸緣測量管設(shè)計(jì)，雙向脈沖輸出，10年電池供電，免維護(hù)等特性，見圖17。
圖17 Q4000電磁水表外形及安裝圖
愛知公司產(chǎn)品：
日本愛知時(shí)計(jì)電機(jī)株式會(huì)社開發(fā)的SY系列電池供電電磁水表（流量計(jì)）適合測量口徑為DN50～DN150的封閉管道使用。由于電磁流量傳感技術(shù)采用了特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的最大流量與最小精確流量之比達(dá)到1000倍。該產(chǎn)品堅(jiān)固耐用，無運(yùn)動(dòng)部件；適合城市供水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉等用水控制；內(nèi)置電池供電，可提供8年不間斷服務(wù)；對(duì)安裝位置要求不嚴(yán)；具有報(bào)文信號(hào)輸出功能，可與傳輸單元連接以滿足各種使用要求；該產(chǎn)品可顯示“累積流量值”、“瞬時(shí)流量值”、“無水預(yù)警信號(hào)”、“測量停止報(bào)警信號(hào)”等信息。
SY電磁水表在勵(lì)磁方式上有所創(chuàng)新，測量管中央設(shè)有一錐體，勵(lì)磁裝置按放在錐體內(nèi)，利用這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)傳感器的感應(yīng)電勢，提高測量小流量的靈敏度，見圖18～19。
圖18 SY系列電磁水表內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖19 SY系列電磁水表技術(shù)參數(shù)
SIEMENS公司產(chǎn)品：
德國西門子公司推出的MAG 8000電磁水表主要用于準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)結(jié)算和泄漏檢測等場合。產(chǎn)品特點(diǎn)：無須外部電源，D-CELL電池供電可連續(xù)使用6年時(shí)間（內(nèi)部電池：3.6V/33Ah，外部電池：3.6V/66Ah）；對(duì)直管段要求很低；防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68，可在深井下正常工作；能紀(jì)錄26個(gè)月測量數(shù)據(jù)，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；并具有智能診斷、流量分析、電源管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與自動(dòng)備份、密碼保護(hù)、雙向測量、紅外輸出和多種通信接口等功能。
產(chǎn)品通過ISO4064、OIML49、EN14154認(rèn)證；測量精度在流速為0.5～10m/s時(shí)，可達(dá)±0.4%（±0.2%可選）；由于測量管內(nèi)腔采用特殊錐形設(shè)計(jì)，因此在小流量測量時(shí)靈敏度高，可用于泄漏檢測。其外形和特性見圖20。
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：DN50～DN300 ；在Q2/Q1=1.6時(shí)，Q3/Q1=400 ；工作水溫：0～70 0C，環(huán)境工作溫度：-20 0C～+60 0C；最大勵(lì)磁頻率6.25Hz；電極和接地電極材料：AISI 316 Ti（1.4571）；內(nèi)襯材料：硬橡膠/合成橡膠。
圖20 MAG 8000外形和特性圖
除此之外，還有ARAD公司的FLOMAG-Electromagnetic電磁水表（型號(hào)：FM20XX；DN10～DN1200）、SENSUS公司的Electromagnetic Flowmeter電磁水表（型號(hào)：MAG5100W；DN25～DN1200）等新型電磁水表（電磁流量計(jì)）產(chǎn)品值得關(guān)注。
射流水表
英國SEVERN TRENT SERVICES研究開發(fā)的新型射流水表（SmartMeter系列）是利用被測流體形成的射流束在無運(yùn)動(dòng)部件測量腔中產(chǎn)生反饋振蕩，使其頻率與流體流速成正比的原理工作的。由于測量反饋腔設(shè)計(jì)合理，因此在低雷諾數(shù)（102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。
該產(chǎn)品采用聚甲醛共聚物制作射流腔，傳感信號(hào)的采集與處理均由電子部件完成，因此可靠、耐用，并在成本上與機(jī)械水表有較大的競爭力。該公司至今已有超過五拾萬只射流水表投放市場使用。見圖21～23。
產(chǎn)品主要特性：測量時(shí)不受沙粒和雜質(zhì)影響，對(duì)水中的空氣或氣泡不計(jì)量；在常用流量Q3時(shí)的壓力損失小于0.03MPａ；工作溫度范圍：-100C～850C ，最高水溫：600C ；編碼或脈沖信號(hào)輸出；電池供電壽命大于10年（可選擇：可更換電池或不可更換電池兩種方案）。
圖21 射流水表產(chǎn)品圖
圖22 射流水表特性曲線
圖23 射流水表內(nèi)部結(jié)構(gòu)
超聲水表
Actaris公司的Echodis超聲水表是新一代的C級(jí)水表。具有低的壓力損失；對(duì)空氣不計(jì)量，對(duì)水中的砂粒和其他粒子不敏感；M-Bus通信接口，與AMR兼容；工作溫度范圍：50C～700C ；內(nèi)置鋰電池工作壽命為12年；寬的量程范圍（認(rèn)證計(jì)量范圍：1：200；動(dòng)態(tài)測量范圍：1：1000）；測量響應(yīng)快；水表口徑范圍：DN15～DN50；符合OIML R49、ISO4064、EN14154、EN60870-5等規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)要求。見圖24～25。
圖24 Echodis超聲水表外形圖
圖25 Echodis超聲水表計(jì)量范圍
ARAD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。水表口徑為：DN32～DN200；工作溫度：0～500C；使用3.6V/16Ah鋰電池供電，電池使用為6～8年；可用不同超聲速度進(jìn)行測量；計(jì)量等級(jí)為：ISO 4064 B級(jí)。見圖26。
圖26 FL1024/1025超聲水
四．發(fā)展趨勢
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，因此傳感和信號(hào)處理技術(shù)是電子水表的關(guān)鍵核心技術(shù)。電子水表要在大口徑水表領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)起領(lǐng)導(dǎo)地位，全面進(jìn)入中、小口徑水表領(lǐng)域，與傳統(tǒng)機(jī)械水表及帶電子裝置水表展開競爭，其關(guān)鍵也是要在上述兩方面有所突破。除了在性能上繼續(xù)保持領(lǐng)先外，重點(diǎn)應(yīng)在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性以及制造成本上進(jìn)行研究和攻關(guān)，將穩(wěn)定性和可靠性搞上去，將制造成本降下來，這樣電子水表的發(fā)展前景一定非常光明。電子水表技術(shù)的發(fā)展會(huì)在以下幾方面受到關(guān)注：
1．繼續(xù)提高小流量測量靈敏度和穩(wěn)定性
要提高電子水表在小流量測量時(shí)的靈敏度、擴(kuò)展流量測量下限值，重點(diǎn)應(yīng)在現(xiàn)有傳感技術(shù)的改良和采用新穎傳感技術(shù)上下功夫，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，提高測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。
現(xiàn)有傳感技術(shù)改良方面：增加測量管內(nèi)小流量測量時(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、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、自適應(yīng)抵償、修正和校準(zhǔn)等技術(shù)來校正電子水表在小流量時(shí)的非線性特性，減少隨機(jī)誤差影響，提高電子水表靈敏閾，保證小流量測量時(shí)的靈敏、準(zhǔn)確和可靠。
新穎傳感技術(shù)應(yīng)用方面：研究和探索性能優(yōu)良的新穎傳感技術(shù)是提高小流量測量靈敏度和穩(wěn)定性的另一出路。除了常用的傳感技術(shù)（如：電磁流量傳感、超聲流量傳感、流體振動(dòng)流量傳感技術(shù)等）外，新穎流量傳感技術(shù)包括了：科里奧利質(zhì)量流量傳感技術(shù)、相關(guān)流量傳感技術(shù)、激光（或超聲波）多普勒流速傳感技術(shù)、聲表面波流量傳感技術(shù)、核磁共振流量傳感技術(shù)等等。某些傳感技術(shù)對(duì)小流量測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
水表工作環(huán)境通常比較復(fù)雜，有的很惡劣，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；再要運(yùn)用差動(dòng)檢測和補(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)測量結(jié)果的影響。另外，還應(yīng)開展產(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)部缺陷在出廠前給于充分剔除。
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，簡化與壓縮表體結(jié)構(gòu)，同時(shí)運(yùn)用規(guī)模化、專業(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)有測量和數(shù)據(jù)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、傳輸?shù)裙δ芑A(chǔ)上，還可進(jìn)一步擴(kuò)展其功能及使用范圍，如：無線傳感網(wǎng)絡(luò)抄表技術(shù)（如Zigbee、ULP-Bluetooth等）的應(yīng)用、管道泄漏檢測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量和分析、作為熱量表基表使用（特別適合我國熱水管道水質(zhì)差的國情）等等。
五．結(jié) 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(yōu)勢日益突出，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)，受到了使用各方的普遍關(guān)注和歡迎；小口徑戶用電子水表的應(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、開發(fā)、制造、使用等領(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)新和開發(fā)，使我國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。
文章中的大多數(shù)觀點(diǎn)以及數(shù)據(jù)資料來源于各類相關(guān)書籍、研究文章、專利文獻(xiàn)以及產(chǎn)品樣本，本人的工作只是根據(jù)自己對(duì)電子水表技術(shù)領(lǐng)域的初步研究和理解加以提煉和整合（同時(shí)也融合了一部分個(gè)人觀點(diǎn)）編寫成文。由于進(jìn)入水表行業(yè)時(shí)間不長，水表知識(shí)膚淺，閱讀和資料收集面窄，更無經(jīng)驗(yàn)可言，憑的是原來相關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，因此謬誤之處在所難免，敬請批評(píng)指正。
（全文完）
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