《自动化仪表》第30卷第3期　2009年3月
修改稿收到日期:2008-06-11。
作者姚灵，男,1953年生,1992年毕业于浙江大学测试计量技术与仪器专业，获硕士学位，教授级高级工程师；主要从事水流量仪器仪表和几何量测量仪器的研究与开发。
电子水表传感与信号处理技术
Ele c tr o n i c W a te r M e te r Sen s ing and S i gna l P r o ce s s i ng Te chno l o g ie s
姚　灵
(宁波水表股份有限公司，浙江宁波　315032)
摘　要：电子水表是水表产品发展的重要方向之一，而传感与信号处理技术又是电子水表的核心技术。概述性地描述了当今电子水表的传感技术与信号处理技术，同时结合国外在该方面的最新产品资料和专利文献，选择性地介绍了电子水表相关技术，并对该领域的技术发展趋势提出了看法与意见。
关键词：水表　电子水表　传感技术　信号处理技术　发展趋势中图分类号:TH814    文献标志码:A
Abstract:W ater meter based on electrical or electronic p rincip le is one of the i m portant direction to water meter p r oducts development,the sensing and signal p r ocessing is al ways its core technique .The sensing and signal p r ocessing technique about water meter based on electrical or electr onic p rincip le is described concisely .It also intr oduces the newest p r oduct datum and patent documents about it at p resent,meanwhile the viewpoints and ideas f or development tendency of its technique area are p r oposed .
Keywords:W ater meter  Electr onic water meter  Sensing technique  Signal p r ocessing technique  Devel op ing tendency
0　引言
I S O 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
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102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 counteracti on 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
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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 t a of v iscosity
序号
温度x i
黏度y i
序号
温度x i
黏度y i
110  4.24950  1.60215  3.551055  1.50320  2.921160  1.43425  2.521265  1.37530  2.201370  1.32635  2.001475  1.29740  1.8115
80
1.25
8
45
1.70
图2　流体黏度-温度曲线
Fig .2　Fluid viscosity vs .te mperature curve
可将它按y =a 0・xa 1函数曲线进行拟合。首先将曲线化为直线:
ln y =ln a 0+a 1ln x
(1)
令　y ′=ln y,x ′=ln x,a 0′=ln a 0，则有:
y ′=a 0′+a 1x ′
(2)
用最小二乘法拟合并计算得:
a 0′=218868,a 1=-0
16148
所以　ln y =218868-011648ln x ，即　y =e
218868
x
-016148
=171936x
-016148
。
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:
R T =R 0[1+aT +bT 2
]
(3)
式中:R T 为温度T 时的电阻值;R 0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　Te mperature 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2mW )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5nm 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
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,Q
3
=215m3/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310m3/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1000。
德国的一家公司推出的MAG8000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I P68，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015～10m/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;Q
2
/Q
1
=116时,Q3/Q1=400。
3.2　射流水表
英国产的S mart 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(102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∶1000)；水表口径范围为DN15～DN50；符合O I M L R49、I S O4064、EN14154、EN6087025等规程和标准要求等特点。
以列一家公司的FL1024/1025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
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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electronic去掉ic是什么
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Zig Bee、ULP2B luetooth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。
参考文献
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行业信息
交通巨头庞巴迪再续与贝加莱的技术伙伴关系
近期，庞巴迪(Bombardier)波兰有限公司CEO Slavom ir Nalewajka先生专程访问了贝加莱(B&R)奥地利总部，与自动化专家Wolfgang Perschl先生进行磋商，决定将彼此的技术伙伴关系再续5年。
庞巴迪公司是一家国际性的交通运输设备制造商，生产范围覆盖支线飞机、公务喷气飞机以及铁路和轨道交通运输等设备。该公司已成功地为北美、拉丁美洲、欧洲、中东和亚洲等地客户提供了多种多样的运输解决方案。
自1995年开始至今，庞巴迪与贝加莱在自动化技术方面已经合作了13余年,B&R的技术方案能保证铁路系统和火车站点信号领域最高等级的操作安全。目前，在先进的铁路系统市场中已经有2000多个领域是利用B&R的技术安装的。
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