（传感与信号处理技术专题）
宁波水表股份有限公司 姚 灵
摘要：电子水表是水表产品技术发展的重要领域之一，而传感与信号处理技术又是电子水表的关键核心技术。文章对当今电子水表的传感技术与信号处理技术作了概述性描述，同时结合国外在该方面的最新产品资料和专利文献对电子水表相关技术作了有选择的专题介绍，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
三．产品与技术
电子水表除了在大口径封闭管道水流量的测控应用外，今后的发展方向会比较集中在中小口径管道水流量的计量与检测等方面，并在电磁水表、超声水表、射流水表等产品及相关技术领域发展较为快速。以下新技术的运用，为电子水表性能的改善和提高，以及成本下降起到一定的推进作用。
1.励磁技术：
（1）恒磁励磁：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）。
（2）尖脉冲励磁：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。使很低的励磁电能消耗（小于2mW）换取高的磁感应强度。
（3）管内励磁：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.消噪技术：
（1）电极电解抛光：当被测流体与电磁水表测量管内表面摩擦时会产生所谓的“流动噪声”。通过对电极的电解抛光处理，使电极表面在50埃内的深度里具有铬密度高于铁密度特性，能大幅度降低“流动噪声”的影响。
（2）极化与干扰电势抵偿：方法一，在非采样期内，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。方法二，使用开关电路周期性地使两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。
3.传感技术：
（1）电磁差动检测：新型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。
（2）流场调整：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。
4.仿真技术：
射流水表流场的计算机仿真已在应用之中。经仿真模型计算，能准确观测到测量管内流速分布状况和最大流速点位置，为放置传感器指明方位，见图11。
图11
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出简要描述。
电磁水表
SENTEC公司产品：
英国SENTEC公司近年来开发的“Sterling” 型水表是一种超低成本、高计量等级、宽测量范围、性能优越、微功耗供电、采用塑料表壳的新型电磁水表（目前水表规格为DN15）。
水表内带有TI公司的MSP430系列微处理器，具有AMR/AMM功能；表内电磁器件和电极总成本低于2美元，传感器部分加工与装配非常方便，组装成本很低。与带AMR功能的传统机械水表相比价格上极具竞争力。
主要性能特点：符合ISO 4064标准；DN15，Q3=2.5m3/h，Q3/Q1=250 ; 额定工作温度在0-45 0C范围时，水表具有优良的工作稳定性，总的温度影响量为±0.2% ; 环境温度如在300C,电池使用寿命大于15年; 压力损失小于0.04MPａ;产品安装和使用环境要求低;电磁流量传感器使用寿命大于20年。
主要技术特点：采用新颖励磁技术；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；管道内无阻流体和运动部件；微功耗电源设计。产品外形、结构、特性等见图12～14。
（a） （b）
图12 Sterling电磁水表
a:产品外形 b：测量管形状
图13 传感器工作示意图
(a)
(b)
图14 Sterling电磁水表计量特性
(a)示值特性曲线 (b)压力损失曲线
该产品已在北美生产销售，其测量口径最大可达100㎜。产品除了应用于户式水表外，还用于商用和工业用水表以及热量表等。
ELSTER公司产品：
英国ELSTER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；水表结构设计采用三层形式，在流量传感器上层设置封闭的信号处理模块，电池模块放置在中间层，最上层是微处理器及显示模块。该结构可确保水表产品的可靠工作，不受外部干扰影响，见图15～16。其主要特点：
* 工作寿命期内，计量等级高于D级水平；
* 运行和使用成本很低；
* 水中颗粒杂质不影响水表正常测量；
* 工作温度上限:550C，工作压力:1.6MPａ;
* 流量为3.0 m3/h时，水表压力损失小于0.04MPａ；
* 可输出连续信号或脉冲信号；
* 电池使用寿命大于10年，有低电压告警功能；
* 测量时不受水中空气和逆流影响。
图15 Q100电磁水表外形和内部结构
图16 Q100电磁水表性能数据和特性曲线
ELSTER公司的另一款电子水表产品为Q4000电磁水表。该表具无凸缘测量管设计，双向脉冲输出，10年电池供电，免维护等特性，见图17。
图17 Q4000电磁水表外形及安装图
爱知公司产品：
日本爱知时计电机株式会社开发的SY系列电池供电电磁水表（流量计）适合测量口径为DN50～DN150的封闭管道使用。由于电磁流量传感技术采用了特殊设计结构，使产品的最大流量与最小精确流量之比达到1000倍。该产品坚固耐用，无运动部件；适合城市供水、工业用水和农业灌溉等用水控制；内置电池供电，可提供8年不间断服务；对安装位置要求不严；具有报文信号输出功能，可与传输单元连接以满足各种使用要求；该产品可显示“累积流量值”、“瞬时流量值”、“无水预警信号”、“测量停止报警信号”等信息。
SY电磁水表在励磁方式上有所创新，测量管中央设有一锥体，励磁装置按放在锥体内，利用这种结构增强传感器的感应电势，提高测量小流量的灵敏度，见图18～19。
图18 SY系列电磁水表内部结构
图19 SY系列电磁水表技术参数
SIEMENS公司产品：
德国西门子公司推出的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：无须外部电源，D-CELL电池供电可连续使用6年时间（内部电池：3.6V/33Ah，外部电池：3.6V/66Ah）；对直管段要求很低；防护等级达到IP68，可在深井下正常工作；能纪录26个月测量数据，对超高、超低流量进行报警；两组独立的数字量输出；并具有智能诊断、流量分析、电源管理、数据统计与自动备份、密码保护、双向测量、红外输出和多种通信接口等功能。
产品通过ISO4064、OIML49、EN14154认证；测量精度在流速为0.5～10m/s时，可达±0.4%（±0.2%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。其外形和特性见图20。
产品性能指标可达C级以上计量等级。常用口径范围：DN50～DN300 ；在Q2/Q1=1.6时，Q3/Q1=400 ；工作水温：0～70 0C，环境工作温度：-20 0C～+60 0C；最大励磁频率6.25Hz；电极和接地电极材料：AISI 316 Ti（1.4571）；内衬材料：硬橡胶/合成橡胶。
图20 MAG 8000外形和特性图
除此之外，还有ARAD公司的FLOMAG-Electromagnetic电磁水表（型号：FM20XX；DN10～DN1200）、SENSUS公司的Electromagnetic Flowmeter电磁水表（型号：MAG5100W；DN25～DN1200）等新型电磁水表（电磁流量计）产品值得关注。
射流水表
英国SEVERN TRENT SERVICES研究开发的新型射流水表（SmartMeter系列）是利用被测流体形成的射流束在无运动部件测量腔中产生反馈振荡，使其频率与流体流速成正比的原理工作的。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。
该产品采用聚甲醛共聚物制作射流腔，传感信号的采集与处理均由电子部件完成，因此可靠、耐用，并在成本上与机械水表有较大的竞争力。该公司至今已有超过五拾万只射流水表投放市场使用。见图21～23。
产品主要特性：测量时不受沙粒和杂质影响，对水中的空气或气泡不计量；在常用流量Q3时的压力损失小于0.03MPａ；工作温度范围：-100C～850C ，最高水温：600C ；编码或脉冲信号输出；电池供电寿命大于10年（可选择：可更换电池或不可更换电池两种方案）。
图21 射流水表产品图
图22 射流水表特性曲线
图23 射流水表内部结构
超声水表
Actaris公司的Echodis超声水表是新一代的C级水表。具有低的压力损失；对空气不计量，对水中的砂粒和其他粒子不敏感；M-Bus通信接口，与AMR兼容；工作温度范围：50C～700C ；内置锂电池工作寿命为12年；宽的量程范围（认证计量范围：1：200；动态测量范围：1：1000）；测量响应快；水表口径范围：DN15～DN50；符合OIML R49、ISO4064、EN14154、EN60870-5等规程和标准要求。见图24～25。
图24 Echodis超声水表外形图
图25 Echodis超声水表计量范围
ARAD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。水表口径为：DN32～DN200；工作温度：0～500C；使用3.6V/16Ah锂电池供电，电池使用为6～8年；可用不同超声速度进行测量；计量等级为：ISO 4064 B级。见图26。
图26 FL1024/1025超声水
四．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，因此传感和信号处理技术是电子水表的关键核心技术。电子水表要在大口径水表领域担当起领导地位，全面进入中、小口径水表领域，与传统机械水表及带电子装置水表展开竞争，其关键也是要在上述两方面有所突破。除了在性能上继续保持领先外，重点应在产品的稳定性、可靠性以及制造成本上进行研究和攻关，将稳定性和可靠性搞上去，将制造成本降下来，这样电子水表的发展前景一定非常光明。电子水表技术的发展会在以下几方面受到关注：
1．继续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，重点应在现有传感技术的改良和采用新颖传感技术上下功夫，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。
现有传感技术改良方面：增加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，保证小流量测量时的灵敏、准确和可靠。
新颖传感技术应用方面：研究和探索性能优良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。除了常用的传感技术（如：电磁流量传感、超声流量传感、流体振动流量传感技术等）外，新颖流量传感技术包括了：科里奥利质量流量传感技术、相关流量传感技术、激光（或超声波）多普勒流速传感技术、声表面波流量传感技术、核磁共振流量传感技术等等。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
水表工作环境通常比较复杂，有的很恶劣，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；再要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于充分剔除。
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，简化与压缩表体结构，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：无线传感网络抄表技术（如Zigbee、ULP-Bluetooth等）的应用、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、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）等等。
五．结 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，受到了使用各方的普遍关注和欢迎；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、使用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。
文章中的大多数观点以及数据资料来源于各类相关书籍、研究文章、专利文献以及产品样本，本人的工作只是根据自己对电子水表技术领域的初步研究和理解加以提炼和整合（同时也融合了一部分个人观点）编写成文。由于进入水表行业时间不长，水表知识肤浅，阅读和资料收集面窄，更无经验可言，凭的是原来相关学科的专业知识和经验，因此谬误之处在所难免，敬请批评指正。
（全文完）
主要参考文献：
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2. 吴兴惠等.传感器与信号处理.北京：电子工业出版社， 1998.8
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6. 高晋占.微弱信号检测.北京：清华大学出版社，2004.11
7. 蔡武昌等.新型流量检测仪表.北京：化学工业出版社，2006.1
8. 阎石.数字电子技术基础(下册).北京：高等教育出版社，1983.4
9. 梁国伟.流量测量技术及仪表.北京：机械工业出版社，2005.1
10.相关公司产品样本和技术资料，以及相关专利文献资料等
