流量計量儀表的當(dāng)代概況及趨勢展望

倪德成 鄭大勇 段修全

濟(jì)寧市計量測試所 山東 濟(jì)寧 272000

流量計量儀表是現(xiàn)代國防建設(shè)以及工業(yè)發(fā)展中不可或缺的工具，其發(fā)展質(zhì)量以及發(fā)展水平關(guān)系到國家的基礎(chǔ)建設(shè)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，雖然現(xiàn)階段工廠企業(yè)及用戶已普遍認(rèn)識到流量計量儀表的重要性，但隨著社會發(fā)展水平的提升，對流量計量儀表也提出了更高的要求，流量儀表當(dāng)前功能與發(fā)展已暴露出明顯不足。因此，探究流量計量儀表發(fā)展概況以及未來發(fā)展趨勢，做出科學(xué)的技術(shù)性優(yōu)化，對于我國未來發(fā)展有著重要意義。

一、流量計量儀表當(dāng)代概況

流量計量儀表有多種類型，其中超聲波流量計和科氏質(zhì)量流量計是兩種使用頻率較高的儀表。使用過程中通過多普勒頻移感受聲波頻率產(chǎn)生的變化，進(jìn)行流體流速計算的是超聲波流量計；而科氏質(zhì)量流量計是通過振動傳感器輸出信號頻率以及相位差進(jìn)行流體質(zhì)量測量。目前，從現(xiàn)有研究文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，關(guān)于流量計量儀表的研究主要內(nèi)容涉及以下方面：流量計量儀表信號處理技術(shù)、流量計量儀表硬件系統(tǒng)設(shè)計、芯片設(shè)計、超聲換能器技術(shù)[1]。其中仍以信號處理技術(shù)研究為重點，優(yōu)化與研究信號處理技術(shù)成果頗豐，具體情況如下：

一是DFT頻譜分析法?；趥鹘y(tǒng)Zoom FFT 方法提高信號流速分辨率，無需增加采樣點，利用多普勒法進(jìn)行頻差處理，搜索信號處理峰值，結(jié)合卡爾曼濾波器抑制偏差，既能夠提升信號處理精度，也能提升信號處理效率，但該方法在實際操作中需要進(jìn)行大量計算。因此，美國公司對該信號處理方法進(jìn)行了調(diào)整，通過DFT 頻譜分析法優(yōu)化流量計信號處理方式，使用先粗側(cè)、后細(xì)測的方式，根據(jù)頻率與時間變化情況，確定合理的頻率變化范圍。與傳統(tǒng)方法相比，精度有了顯著提升[2]。同時，考慮到保障非整周期采樣與信號處理精度，利用DFT差值判定截斷誤差，調(diào)整信號截取長度，實現(xiàn)采樣條件修正，進(jìn)行高精度信號頻率預(yù)估。同樣，經(jīng)過優(yōu)化后的方法仍然存在計算量較大的問題。

二是Hibert變換分析發(fā)。該方法能夠改變被測信號性質(zhì)，獲得90°相移信號，對變化前后信號進(jìn)行計算獲得相位角函數(shù)以及相位差。該方法雖然對信號性質(zhì)做出了改變，但因其瞬態(tài)特性特征，信號改變后幅值以及頻率不會發(fā)生任何變化，因此，信號變化后相位的差異變化情況可以完整的反饋出來，實現(xiàn)對相位差動態(tài)變化的實時掌握。

三是相關(guān)分析法。該信號處理方法，基于信號噪聲之間不相關(guān)或相關(guān)性較小的特點，在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上，減少了噪聲對信號的干擾，從而提升了流量計相位差精度。該方法的突出優(yōu)勢則是抗噪性，但如果信號之間的相關(guān)性較強，使其無法有效排除噪聲的干擾，也將導(dǎo)致信號處理誤差過大[3]。而且該方法只適用于整周期采樣中，非整周期情況下無法保障其處理結(jié)果精度。近年來的研究中，雖然在此方法基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)，比如通過插值法提升方法的適用范圍，但效果甚微。

二、流量計量儀表未來趨勢展望

信號處理是流量計量儀表發(fā)揮功能與作用的核心，傳統(tǒng)的FFT 信號處理算法，改變了信號處理的傳統(tǒng)路徑，實現(xiàn)了從時域到頻域的轉(zhuǎn)變，通過最大譜線位置預(yù)估信號頻率值，再通過頻率值相位的計算求得相位差。但由于信號實際處理中會被截斷，造成能量泄漏，計算后的相位差以及頻率值都存在嚴(yán)重誤差。因此還需要配合插值法對計算結(jié)果進(jìn)行校正，這就導(dǎo)致計算量大大增加，從而影響流量計量儀表的工作效率與頻率分辨率。

目前的研究中主要通過分析能量泄漏原因?qū)π盘柼幚矸椒ㄟM(jìn)行優(yōu)化。如導(dǎo)致能量泄漏出現(xiàn)的根本原因是信號長度是否為整周期。改進(jìn)后的信號處理方法通過函數(shù)描述信號的相關(guān)性，再利用函數(shù)進(jìn)行相位差計算，減少了計算過程中噪聲以及其它因素對信號的干擾，但在非整周期信號中的應(yīng)用仍然存在誤差較大問題，也就說明當(dāng)前并未從根本上克服采樣非整周期對信號處理結(jié)果有極大負(fù)面影響的問題。

通過流量計量儀表的應(yīng)用范圍以及功能可以看出，流量計量儀表的應(yīng)用主要在國防、工業(yè)等國家重點與關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域。因此，對其精度將有越來越高的要求，而我國關(guān)于流量計量儀表的研究起步較晚，目前多數(shù)研究成果也多為借鑒國外，諸多方法對于我國實際應(yīng)用借鑒意義不大[4]。但受信號處理方法計算量過大、計算內(nèi)容過于復(fù)雜、計算精度有待提高等因素的影響，無法保障流量計量儀表在實際應(yīng)用中的效果，并且還需對其在雷達(dá)、電力、故障診斷等更多領(lǐng)域的應(yīng)用可行性進(jìn)行詳細(xì)分析?？傊髁坑嬃績x表的研究任務(wù)仍然艱巨。

基于此，在未來對流量計量儀表進(jìn)行研究以及相關(guān)技術(shù)優(yōu)化時，應(yīng)以以下幾點為主：一是頻譜分析法優(yōu)勢極為明顯，但應(yīng)克服采樣非整周期的影響，并且通過方法的優(yōu)化減少計算量，提高頻率以及相位差計算的精準(zhǔn)度；二是Hilbert變換分析法，其信號處理結(jié)果受整周期信號長度的影響，未來研究中在克服該問題基礎(chǔ)上，還需提升信號處理過程的抗噪性以及相位差估計精度；三是對于相關(guān)分析法的未來發(fā)展，應(yīng)排除采樣整周期產(chǎn)生的干擾，精簡算法，提升計算精度以及抗噪性[5]。

結(jié)束語

綜上所述，文章對現(xiàn)階段流量計量儀表的研究概況進(jìn)行了分析，著重探究了流量計量儀表應(yīng)用核心——信號處理方法的研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了當(dāng)前流量計量儀表實際應(yīng)用中存在的問題以及研究上暴露出的不足，對未來相關(guān)研究內(nèi)容做出了展望，希望能夠引起社會以及研究領(lǐng)域的重視，正確認(rèn)識流量計量儀表的實際價值與意義，以便在研究中不斷完善其功能與應(yīng)用效果，實現(xiàn)其應(yīng)用范圍的拓展，為我國社會的發(fā)展與進(jìn)步提供堅實的技術(shù)支持。