[導(dǎo)讀] 城鎮(zhèn)自來水公司水流量的計量是提高管理水平和節(jié)約用水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。介紹了供水行業(yè)水計量儀表的應(yīng)用特點(diǎn)，闡述了電磁流量計等常用流量計的類型和新技術(shù)特點(diǎn)，提出了流量計量技術(shù)的發(fā)展趨勢，探討了以微型計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的新型自動化儀表的關(guān)鍵技術(shù)，并指出該技術(shù)具有的應(yīng)用前景。
0 引言
水是人類生存和發(fā)展不可替代的資源，是經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人口與經(jīng)濟(jì)的增長，世界水資源的需求量不斷增加，水環(huán)境也不斷惡化，水資源緊缺已成為共同關(guān)注的全球性問題。我國水資源短缺嚴(yán)重，約為世界人均水資源占有量的1/4。加上每年工業(yè)生活污水排放量已約達(dá)600億立方，使90%的城市水域受到不同程度的污染。干旱年交替出現(xiàn)，使全國660個城市中共有400多個缺水城市。其中嚴(yán)重缺水城市114個，日缺水1600萬立方，全年缺水量為200億立方，每年因缺水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2000億元以上，影響用水人口約4000萬人次。據(jù)專家預(yù)測，我國農(nóng)業(yè)用水占需求量54%，城市生活用水占46%。到2010年全國總可供水量（6200-6500）億立方，但實(shí)際需求量將達(dá)7300億立方，供需缺口近1000億立方；到2030年全國需水量將達(dá)10000億立方，全國將缺水（4000-4500）億立方；到2050年全國將缺水（6000-7000）億立方。由此可見，我國水資源供需矛盾和水污染狀態(tài)將面臨非常嚴(yán)峻的形勢，我們?nèi)绻谒Y源開發(fā)利用和污水治理上沒有大的突破，在管理上不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需要，水資源就很難支持國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的需求，水資源危機(jī)將成為所有資源問題中最為嚴(yán)重的問題，阻礙實(shí)現(xiàn)中等發(fā)達(dá)國家的目標(biāo)，前景十分令人擔(dān)憂。因此，使用高精度的流量計量儀表，建立準(zhǔn)確、可靠的水計量體系可以極大地促進(jìn)水資源的合理利用，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高。
1 城鎮(zhèn)供水計最儀表的應(yīng)用及特點(diǎn)
國內(nèi)各自來水公司進(jìn)、出廠水流量的計量是供水行業(yè)水計量的關(guān)鍵，是自來水企業(yè)統(tǒng)計計算產(chǎn)水量、產(chǎn)銷量、產(chǎn)水成本、管網(wǎng)漏耗和能源單耗等主要生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)的重要依據(jù)，是供水行業(yè)必不可少的檢測環(huán)節(jié)。
上世紀(jì)，80年代以前，大多數(shù)水廠未配備計量儀表，僅通過水泵特性曲線粗略推算，準(zhǔn)確性很低。隨著城市供水的發(fā)展，水廠計量儀器儀表設(shè)備也獲得相應(yīng)較快的發(fā)展，并呈現(xiàn)出多品種的局面。一些水頭損失較大的差壓式流量計（如孔板流量計、均速管水頭損失不大）和插入式流量計（插入式渦輪流量計）逐步被具有壓力損失小、安裝方便、自動化程度較高的流量儀表取代（如電磁流量計、超聲流量計等），雖然在重大引水工程及水庫仍有大量的文丘里管流量計在使用，但與以往的差壓式流量計相比已有很大改進(jìn)。
國內(nèi)自來水公司進(jìn)、出廠水計量使用的流量計與其它領(lǐng)域相比具有其特殊的要求。首先，流量計的口徑比較大，一般大于DN1000mm，國內(nèi)使用的最大口徑達(dá)到DN3000mm；其次，水的流量較大，一般為數(shù)千到幾萬m3/h；再次，為保證滿足供水損失率的要求，流城鎮(zhèn)供水計最的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢趙雨斌，等量計的計量準(zhǔn)確度高，一般應(yīng)優(yōu)于0.5%，甚至0.3%；還有，流量計的安裝位置對直管段的要求不能過高；盡量具備高度的智能化和網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。
國外供水行業(yè)使用流量計時主要選擇本國產(chǎn)品，以便于售后服務(wù)，使用的流量計在結(jié)構(gòu)上盡量簡單，不追求較高的準(zhǔn)確度等級（一些發(fā)達(dá)國家對供水損失率無限定指標(biāo)，流量計量主要為工藝運(yùn)行和合理調(diào)度提供參數(shù)）。發(fā)達(dá)國家目前使用的品種主要有：各種類型的電磁流量計、超聲流量計和少量文丘里管流量計。
2 常用流最計及其技術(shù)發(fā)展通過
對主要城市自來水公司和水庫在用大口徑流量計應(yīng)用情況的調(diào)查，我國城鎮(zhèn)供水行業(yè)主要使用了以電磁流量計為豐的多種流量計。各地自來水公司大量使用了電磁流量計和超聲流量計等，少量沿用插入式流量計（渦輪流量計和電磁流量計等），并大量更新為智能化、高精度、多功能的流量儀表。少數(shù)自來水公司已實(shí)現(xiàn)或部分應(yīng)用了有線/總線式數(shù)字通信方式（如MODBUS，PROFIBUS，F(xiàn)F，CAN等）以及無線的通信方式，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，并將流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到公司中心調(diào)度室。在大型引水工程和水庫中，除了使用大口徑和特大口徑電磁流量計和超聲流量計外，采用最新計算機(jī)技術(shù)和專用計量軟件的古典文丘里管流量計系統(tǒng)也得到大量應(yīng)用。
2.1 電磁流量計
工作原理基于電磁感應(yīng)定律的電磁流量計是供水行業(yè)使用最廣泛的一種流量計。由于電磁流量計具有一些突出的特點(diǎn)（無可動件、無壓損、流量范圍度大、高準(zhǔn)確度、耐腐蝕性和高可靠性等），成為發(fā)展較快且技術(shù)較成熟的流量檢測儀表，并成為供水行業(yè)首選的流量計。
隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁流量計的設(shè)計和制造技術(shù)也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。傳感器的制造工藝采用了適合多種場合的各種襯里工藝（四氟塑料、F4、橡膠、陶瓷襯里等），并在勵磁線圈結(jié)構(gòu)和外殼防護(hù)方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，大口徑電磁流量傳感器基本滿足IP68，可靠性進(jìn)一步提高。電磁流量轉(zhuǎn)換器智能化技術(shù)進(jìn)一步完善和提高，借助單片機(jī)微處理器、DSP技術(shù)和軟件編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電磁流量計勵磁方式的優(yōu)化和智能化（多頻勵磁、雙頻勵磁等），并實(shí)現(xiàn)拓寬量程（測量范圍度50：1，再考慮上限范圍度20：1，兩者相乘可擴(kuò)展到1000：1）、補(bǔ)償測量誤差、零點(diǎn)校正、勵磁及系統(tǒng)自診斷、正反相流判斷、空管與不滿管的自診斷等功能，極大地增強(qiáng)了電磁流量計技術(shù)性測量功能，改善了可靠性和穩(wěn)定性。為滿足FCS新型控制系統(tǒng)的要求，新型電磁流量計應(yīng)用了計算機(jī)串行通信技術(shù)，采用了PROFIBUS，F(xiàn)F等現(xiàn)場總線數(shù)字通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的雙向數(shù)字通信，提高了系統(tǒng)的自動化水平和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/div>
大口徑流量的在線檢定是困擾供水行業(yè)的另一個難題。電磁流量計目前仍采用傳統(tǒng)的定期離線檢定方式，這對于連續(xù)運(yùn)行的供水行業(yè)而言無疑是不可能的。國家對大流量計量站曾在電磁流量計的在線檢定方面做了一些研究，目前多采用與超聲流量計比對的方法。有些生產(chǎn)廠商提供了具有在線自診斷功能的電磁流量計，能在一定程度上定性地判斷流封十的工作狀態(tài)。正在開發(fā)中的新型流量計在線檢定系統(tǒng)能夠通過比較流量計主要參數(shù)的變化情況，判斷流量計的計量性能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)流量計的在線檢定功能。該技術(shù)的關(guān)鍵是確保出廠檢定和在線檢定具有相同的基準(zhǔn)和復(fù)現(xiàn)性，并將代表流量計性能的重要參數(shù)（如傳感器勵磁參數(shù)、內(nèi)阻、絕緣、有關(guān)參數(shù)設(shè)置等）形成電子指紋，以供定期在線檢查。
2.2 文丘里管流盤計
文丘里管流量計屬于差壓式流量計的一種，是比較傳統(tǒng)的流量測量儀表。其測量穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度也基本能滿足要求，在水庫和少量的自來水公司有一定的應(yīng)用。文丘里管流量計由文丘里管（節(jié)流件）和配套的差壓變送器組成，通過測量流過節(jié)流件前后的差壓計算出流量。這種流量計的節(jié)流件差不多沒有改進(jìn)的余地了，已經(jīng)達(dá)到比較完善的程度，并已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。傳統(tǒng)的文丘里流量計使用模擬型差壓變送器，測量準(zhǔn)確度不很高（1.0%一1.5%），在現(xiàn)代水廠的計量應(yīng)用中稍顯不足。
提高文丘里管流量計計量性能的主要途徑是采用高性能高準(zhǔn)確度的差壓變送器和專用計量軟件，并實(shí)現(xiàn)其智能化和網(wǎng)絡(luò)信息化。新型差壓變送器的發(fā)展趨于兩個極端，一個是輕小型，追求簡單化，采用擴(kuò)散硅固態(tài)壓力傳感器，性能和可靠性都不錯；另一個是高精度多功能型，采用單片機(jī)數(shù)字信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化和信息化。與文丘里管配套的多為電容式智能化差壓變送器，通過其內(nèi)部的微處理器可以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算和各種補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)差壓信號的高精度、寬范圍的測量（測量精度為0.07591、范圍度1000.1），其可靠性極高，基本不需要調(diào)整和維護(hù)，并具備包括HART，F(xiàn)F等多種現(xiàn)場總線數(shù)字通信功能。
新型文丘里管流量計系統(tǒng)中增加了專用流量計算機(jī)，通過數(shù)字通信的方式將高精度差壓變送器測量的差壓信號傳遞到流量計算機(jī)，并由專用計量軟件實(shí)現(xiàn)寬量程、高精度的流量測量（流量測量精度優(yōu)于0.5%，范圍度20：1），必要時可實(shí)現(xiàn)分段修正測量誤差，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。廣東粵港供水公司向香港供水項目：東江—深圳供水改造工程（魯班獎工程）應(yīng)用了數(shù)十套此類系統(tǒng)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。以Rosemount3095MV為代表的新型多參量智能差壓變送器可以同時測量差壓、絕對壓力和溫度，并安裝了符合ISO和API計量標(biāo)準(zhǔn)的專用計量軟件，可實(shí)現(xiàn)高精度的流量測量。用一臺儀表即可實(shí)現(xiàn)以前多臺儀表測量的過程，如與文丘里管等節(jié)流件配套使用也可以實(shí)現(xiàn)差壓式流量計技術(shù)的飛躍。
3.3 超聲流量計
超聲流量計多用于非接觸測量流量，它具有不干擾流場、無壓力損失、無可動易損零部件等優(yōu)點(diǎn)，從而在以給排水行業(yè)為中心的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前使用的超聲流量計多為便攜式，采用在管道外部夾持安裝的方式。由于其正常測量要求的直管段較長，單聲道測量精度不高，多用于流量計的比對和檢測，直接用于出廠水計量的較少。采用多聲道（四聲道）和濕式管段安裝以后，可以進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確性，也是供水行業(yè)的新選擇之一。
4 結(jié)束語
針對水資源短缺問題，城鎮(zhèn)供水行業(yè)對水流量的計量手段在不斷地更新，并應(yīng)用了較新的流量計量儀表，這些儀表的技術(shù)水平代表了水流量測量技術(shù)的發(fā)展前景。
通過分析常用的電磁流量計等流量儀表的技術(shù)演變，流量計量儀表等自動化儀表呈現(xiàn)了以下的技術(shù)發(fā)展趨勢：
①大量應(yīng)用微型計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。新型的流量計都具有智能化和網(wǎng)絡(luò)化的功能，通過采用單片機(jī)和專用軟件實(shí)現(xiàn)了流量計高精度的測量，并提供了多種通信方式，如：HART協(xié)議、PROFIBUS，F(xiàn)F，CAN，MODBUS等現(xiàn)場總線；
②采用新器件提高儀表性能。干擾和噪聲是影響流量計測量的重要因素，如何將有效的微弱信號從背景噪聲中分離出來并進(jìn)行處理是提高儀表性能的關(guān)鍵。DSP器件和電路可以提供出模擬信號處理以外更多的技術(shù)方案，某些企業(yè)已在做使用嵌人技術(shù)和DSP器件改良電磁流量計的轉(zhuǎn)換器；
③電磁兼容性技術(shù)（EMC）得到進(jìn)一步的重視。泵房電機(jī)等電氣設(shè)備的電磁輻射及大功率電氣設(shè)備引起的電網(wǎng)波動等是影響智能化流量計正常工作的主要因素。抗ESD的PCB電路板布局和布線技術(shù)、開關(guān)電源電磁干擾抑制EMI技術(shù)、PCB屏蔽和接地技術(shù)等已經(jīng)得到不同程度的應(yīng)用，也是工業(yè)自動化儀表應(yīng)重點(diǎn)研究的課題；
④專用計量軟件的作用越來越重要。采用專用計量軟件的流量計能夠提供高精度、寬范圍度的流量測量，并能夠提供一些特殊測量情況下的補(bǔ)償計算功能；
⑤更好的易操作性。更方便的儀表接線和操作將是自動化儀表的另一個努力方向。