摘要：電子水表是水表產品技術發展的重要領域之一，而傳感與信號處理技術又是電子水表的關鍵核心技術。文章對當今電子水表的傳感技術與信號處理技術作了概述性描述，同時結合國外在該方面的最新產品資料和專利文獻對電子水表相關技術作了有選擇的專題介紹，并對該領域的技術發展趨勢提出了看法與意見。
關鍵詞：水表 電子水表 傳感技術 信號處理技術 發展趨勢
三．產品與技術
電子水表除了在大口徑封閉管道水流量的測控應用外，今后的發展方向會比較集中在中小口徑管道水流量的計量與檢測等方面，并在電磁水表、超聲水表、射流水表等產品及相關技術領域發展較為快速。以下新技術的運用，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作用。
1.勵磁技術：
（1）恒磁勵磁：永磁材料直接用于勵磁技術，使電磁水表、射流水表、渦街水表等的功耗大為下降（須同時采用消除極化干擾電勢等措施）。
（2）尖脈沖勵磁：使用尖脈沖電流去激磁矩形磁滯回線的磁性材料以產生勵磁磁場，并將磁感應強度變換為矩形波磁場。使很低的勵磁電能消耗（小于2mW）換取高的磁感應強度。
（3）管內勵磁：將勵磁線圈放置在測量管內勵磁，增強磁感應強度，提高小流量測量靈敏度，降低電源消耗。
2.消噪技術：
（1）電極電解拋光：當被測流體與電磁水表測量管內表面摩擦時會產生所謂的“流動噪聲”。通過對電極的電解拋光處理，使電極表面在50埃內的深度里具有鉻密度高于鐵密度特性，能大幅度降低“流動噪聲”的影響。
（2）極化與干擾電勢抵償：方法一，在非采樣期內，用交變電場接通電磁水表兩電極，以消除直流勵磁時產生的嚴重極化現象；采樣期內，電極自動切換到測量放大器的輸入端，對流量信號進行檢測。方法二，使用開關電路周期性地使兩個電極接地或采集測量信號，以消除形成在電極上的摩擦與雜散電荷。
3.傳感技術：
（1）電磁差動檢測：新型射流水表采用恒磁勵磁及差動檢測流速方法，使水表功耗大大下降，小流量測量靈敏度明顯提高。
（2）流場調整：采用流場調整裝置對被測流體流動分布狀態進行控制，提高流體雷諾數，使射流水表或渦街水表測量限下移，測量穩定性提高。
4.仿真技術：
射流水表流場的計算機仿真已在應用之中。經仿真模型計算，能準確觀測到測量管內流速分布狀況和最大流速點位置，為放置傳感器指明方位，見圖11。
圖11
下面就當今國外水表企業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公司產品：
英國SENTEC公司近年來開發的“Sterling” 型水表是一種超低成本、高計量等級、寬測量范圍、性能優越、微功耗供電、采用塑料表殼的新型電磁水表（目前水表規格為DN15）。
水表內帶有TI公司的MSP430系列微處理器，具有AMR/AMM功能；表內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功能的傳統機械水表相比價格上極具競爭力。
主要性能特點：符合ISO 4064標準；DN15，Q3=
主要技術特點：采用新穎勵磁技術；應用特殊電極材料和形狀延長產品使用壽命、降低噪聲；測量管采用矩形流管設計，加快被測流體流動速度；管道內無阻流體和運動部件；微功耗電源設計。產品外形、結構、特性等見圖12～14。
圖12 Sterling電磁水表
a:產品外形 b：測量管形狀
圖13 傳感器工作示意圖
該產品已在北美生產銷售，其測量口徑最大可達100㎜。產品除了應用于戶式水表外，還用于商用和工業用水表以及熱量表等。
ELSTER公司產品：
英國ELSTER公司開發的Q100戶式電磁水表在流量傳感器設計方面與“Sterling” 產品具有相同之處；水表結構設計采用三層形式，在流量傳感器上層設置封閉的信號處理模塊，電池模塊放置在中間層，最上層是微處理器及顯示模塊。該結構可確保水表產品的可靠工作，不受外部干擾影響，見圖15～16。其主要特點：
* 工作壽命期內，計量等級高于D級水平；
* 運行和使用成本很低；
* 水中顆粒雜質不影響水表正常測量；
* 工作溫度上限:
* 流量為
* 可輸出連續信號或脈沖信號；
* 電池使用壽命大于10年，有低電壓告警功能；
* 測量時不受水中空氣和逆流影響。
圖16 Q100電磁水表性能數據和特性曲線
ELSTER公司的另一款電子水表產品為Q4000電磁水表。該表具無凸緣測量管設計，雙向脈沖輸出，10年電池供電，免維護等特性，見圖17。
圖17 Q4000電磁水表外形及安裝圖
愛知公司產品：
日本愛知時計電機株式會社開發的SY系列電池供電電磁水表（流量計）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采用了特殊設計結構，使產品的最大流量與最小精確流量之比達到1000倍。該產品堅固耐用，無運動部件；適合城市供水、工業用水和農業灌溉等用水控制；內置電池供電，可提供8年不間斷服務；對安裝位置要求不嚴；具有報文信號輸出功能，可與傳輸單元連接以滿足各種使用要求；該產品可顯示“累積流量值”、“瞬時流量值”、“無水預警信號”、“測量停止報警信號”等信息。
SY電磁水表在勵磁方式上有所創新，測量管中央設有一錐體，勵磁裝置按放在錐體內，利用這種結構增強傳感器的感應電勢，提高測量小流量的靈敏度，見圖18～19。
圖18 SY系列電磁水表內部結構
圖19 SY系列電磁水表技術參數
SIEMENS公司產品：
德國西門子公司推出的MAG 8000電磁水表主要用于準確計費結算和泄漏檢測等場合。產品特點：無須外部電源，D-CELL電池供電可連續使用6年時間（內部電池：3.6V/33Ah，外部電池：3.6V/66Ah）；對直管段要求很低；防護等級達到IP68，可在深井下正常工作；能紀錄26個月測量數據，對超高、超低流量進行報警；兩組獨立的數字量輸出；并具有智能診斷、流量分析、電源管理、數據統計與自動備份、密碼保護、雙向測量、紅外輸出和多種通信接口等功能。
產品通過ISO4064、OIML49、EN14154認證；測量精度在流速為0.5～
±0.4%（±0.2%可選）；由于測量管內腔采用特殊錐形設計，因此在小流量測量時靈敏度高，可用于泄漏檢測。其外形和特性見圖20。
產品性能指標可達C級以上計量等級。常用口徑范圍：DN50～DN300 ；在Q2/Q1=1.6時，Q3/Q1=400 ；工作水溫：0～70
除此之外，還有ARAD公司的FLOMAG-Electromagnetic電磁水表（型號：FM20XX；DN10～DN1200）、SENSUS公司的Electromagnetic Flowmeter電磁水表（型號：MAG5100W；DN25～DN1200）等新型電磁水表（電磁流量計）產品值得關注。
射流水表
英國SEVERN TRENT SERVICES研究開發的新型射流水表（SmartMeter系列）是利用被測流體形成的射流束在無運動部件測量腔中產生反饋振蕩，使其頻率與流體流速成正比的原理工作的。由于測量反饋腔設計合理，因此在低雷諾數（102量級）條件下可以穩定工作，在傳感技術上采用新型永磁勵磁的差動檢測方式獲取流量信號，使射流水表能穩定工作在C級計量等級特性水平上。
該產品采用聚甲醛共聚物制作射流腔，傳感信號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。
產品主要特性：測量時不受沙粒和雜質影響，對水中的空氣或氣泡不計量；在常用流量Q3時的壓力損失小于0.03MPａ；工作溫度范圍：
圖21 射流水表產品圖
Actaris公司的Echodis超聲水表是新一代的C級水表。具有低的壓力損失；對空氣不計量，對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：
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～
圖26 FL1024/1025超聲水
四．發展趨勢
電子水表技術的發展是建立在傳感技術和信號處理技術的快速發展基礎之上，因此傳感和信號處理技術是電子水表的關鍵核心技術。電子水表要在大口徑水表領域擔當起領導地位，全面進入中、小口徑水表領域，與傳統機械水表及帶電子裝置水表展開競爭，其關鍵也是要在上述兩方面有所突破。除了在性能上繼續保持領先外，重點應在產品的穩定性、可靠性以及制造成本上進行研究和攻關，將穩定性和可靠性搞上去，將制造成本降下來，這樣電子水表的發展前景一定非常光明。電子水表技術的發展會在以下幾方面受到關注：
1．繼續提高小流量測量靈敏度和穩定性
要提高電子水表在小流量測量時的靈敏度、擴展流量測量下限值，重點應在現有傳感技術的改良和采用新穎傳感技術上下功夫，同時應結合微弱信號（或小信號）處理技術的運用，提高測量準確度和穩定性。
現有傳感技術改良方面：增加測量管內小流量測量時的流速，調整流體分布狀態；消除或降低電極上的極化電勢、流動噪聲等產生的干擾信號和傳感器內外部產生的噪聲電平等影響；采用調制解調或鎖定放大、相關檢測、自適應抵償、修正和校準等技術來校正電子水表在小流量時的非線性特性，減少隨機誤差影響，提高電子水表靈敏閾，保證小流量測量時的靈敏、準確和可靠。
新穎傳感技術應用方面：研究和探索性能優良的新穎傳感技術是提高小流量測量靈敏度和穩定性的另一出路。除了常用的傳感技術（如：電磁流量傳感、超聲流量傳感、流體振動流量傳感技術等）外，新穎流量傳感技術包括了：科里奧利質量流量傳感技術、相關流量傳感技術、激光（或超聲波）多普勒流速傳感技術、聲表面波流量傳感技術、核磁共振流量傳感技術等等。某些傳感技術對小流量測量特性的改善有著較好的發展前景，值得關注。
2．確保產品在惡劣使用環境中的可靠性
水表工作環境通常比較復雜，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外，各種外界電磁干擾和機械振動影響都十分嚴重。提高在惡劣環境中產品使用的可靠性，確保其在壽命期內正常運行，對電子水表是個嚴峻的考驗和挑戰。
因此，首先應保證產品結構牢固，密封性能好；其次產品在抗干擾設計方面要有獨到之處；再要運用差動檢測和補償、降噪等技術抑制內外部噪聲，減少溫度和振動對測量結果的影響。另外，還應開展產品可靠性試驗與研究工作，重視元器件、零部件、整機等的老化試驗和篩選處理，將產品內部缺陷在出廠前給于充分剔除。
3．優化設計，提煉工藝，降低產品制造成本
掌握現代設計理念、方法和工具，應用價值工程技術對電子水表產品設計進行優化，采用新工藝、新技術、新材料，簡化與壓縮表體結構，同時運用規模化、專業化、自動化生產方式組織生產，在保證產品可靠性和使用壽命前提下，努力降低制造成本。當今電子元器件制造技術的快速發展，已為電子水表成本的大幅下降打好了扎實的物質基礎。
4．增加功能，擴大應用領域
電子水表在現有測量和數據運算、統計、傳輸等功能基礎上，還可進一步擴展其功能及使用范圍，如：無線傳感網絡抄表技術（如Zigbee、ULP-Bluetooth等）的應用、管道泄漏檢測和精確用水量的閉環控制、污水或水質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差的國情）等等。
五．結 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勢日益突出，顯示了強大的生命力；中、小口徑電子水表的應用正在快速推進，受到了使用各方的普遍關注和歡迎；小口徑戶用電子水表的應用也已初露頭角。推進電子水表技術發展，加快其技術成熟度，是從事水表研究、開發、制造、使用等領域的相關組織和人員義不容辭的使命和任務。
傳感和信號處理技術是推進電子水表發展的關鍵技術，國內企業要在該領域有所作為，必須搶占這一制高點。要在借鑒國外現有成功技術基礎上進行自主研究、創新和開發，使我國真正擁有一批具有自主知識產權而且性能優越的電子水表新產品。
文章中的大多數觀點以及數據資料來源于各類相關書籍、研究文章、專利文獻以及產品樣本，本人的工作只是根據自己對電子水表技術領域的初步研究和理解加以提煉和整合（同時也融合了一部分個人觀點）編寫成文。由于進入水表行業時間不長，水表知識膚淺，閱讀和資料收集面窄，更無經驗可言，憑的是原來相關學科的專業知識和經驗，因此謬誤之處在所難免，敬請批評指正。
（全文完）
主要參考文獻：
1. 李可杰.新編傳感器技術手冊.北京：國防工業出版社，2002.1
2. 吳興惠等.傳感器與信號處理.北京：電子工業出版社， 1998.8
3. 阮德生.自動測試技術與計算機儀器系統設計.西安：西安電子科技大學出版社,1997.6
4. 劉君華.智能傳感器系統.西安;西安電子科技大學出版社,1999.3
5. 潘新民.微型計算機控制技術.北京：人民郵電出版社，1988.3
6. 高晉占.微弱信號檢測.北京：清華大學出版社，2004.11
7. 蔡武昌等.新型流量檢測儀表.北京：化學工業出版社，2006.1
8. 閻石.數字電子技術基礎(下冊).北京：高等教育出版社，1983.4
9. 梁國偉.流量測量技術及儀表.北京：機械工業出版社，2005.1
10.相關公司產品樣本和技術資料，以及相關專利文獻資料等
