摘要：電子水表是水表產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，而傳感與信號(hào)處理技術(shù)又是電子水表的關(guān)鍵核心技術(shù)。文章對(duì)當(dāng)今電子水表的傳感技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)作了概述性描述，同時(shí)結(jié)合國(guó)外在該方面的最新產(chǎn)品資料和專(zhuān)利文獻(xiàn)對(duì)電子水表相關(guān)技術(shù)作了有選擇的專(zhuān)題介紹，并對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)提出了看法與意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：水表  電子水表  傳感技術(shù)  信號(hào)處理技術(shù)  發(fā)展趨勢(shì)         

        一．概 述

GB/ 778.1～3-2007《封閉管道中水流量的測(cè)量 飲用冷水水表和熱水水表》（idt ISO 4064：2005）標(biāo)準(zhǔn)從結(jié)構(gòu)與技術(shù)上將水表產(chǎn)品分成三大類(lèi)，即：“機(jī)械水表”、“帶電子裝置水表”和“電子水表”。機(jī)械水表常指?jìng)鹘y(tǒng)概念上的水表，它使用面最廣，使用量最大，以速度式和容積式測(cè)量原理為主，絕大多數(shù)采用葉輪（旋翼或螺翼）式多流、單流束結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)活塞式結(jié)構(gòu)；帶電子裝置水表是在原有機(jī)械水表基礎(chǔ)上增加電子部件，擴(kuò)大產(chǎn)品使用功能而構(gòu)成的新型水表（國(guó)內(nèi)通常稱(chēng)其為“智能水表”）；電子水表是采用新型傳感原理及現(xiàn)代流量計(jì)相關(guān)技術(shù)的全新水表，目前主要由速度式的電磁水表、超聲水表、射流水表、渦街水表等構(gòu)成。

電子水表由于采用了新型傳感技術(shù)、微弱信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，因此具有較寬的測(cè)量范圍、較高的計(jì)量等級(jí)、較低的壓力損失以及方便的數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸功能，其主要性能指標(biāo)要優(yōu)于機(jī)械水表和帶電子裝置水表。隨著產(chǎn)品可靠性和使用壽命（含電池壽命）的不斷提高，產(chǎn)品成本的不斷下降，電子水表將日益顯示出優(yōu)越的性?xún)r(jià)比和豐富多樣的使用功能，并且有著很好的發(fā)展前景和很大的發(fā)展空間。

        二．技術(shù)特征

現(xiàn)代流量計(jì)產(chǎn)品及其技術(shù)在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)主要用于大口徑封閉管道中的流量測(cè)量和控制。可能因?yàn)樗膬r(jià)格較高、體積較大、需交流電源供電、在測(cè)量精度較高時(shí)量程范圍較窄以及小流量特性不很理想等原因，在原ISO標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家水表相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均未將其列入水表產(chǎn)品范疇。現(xiàn)代絕大部分流量計(jì)的傳感部分由于無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，直接將流體平均速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因此儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓力損失小，使用壽命長(zhǎng)；在污水及水質(zhì)不好條件下的計(jì)量、測(cè)控等方面的應(yīng)用有著傳統(tǒng)機(jī)械水表不可替代的優(yōu)越性。但采用流量計(jì)技術(shù)的電子水表要全面進(jìn)入并逐步替代傳統(tǒng)水表對(duì)水流量的計(jì)量（特別是在中、小口徑封閉管道的凈水、飲用水計(jì)量等方面），還有不少問(wèn)題需解決，尚有邁長(zhǎng)的路要走，如：流量測(cè)量范圍的進(jìn)一步拓展，尤其是提高小流量和低雷諾數(shù)流體的測(cè)量靈敏度和穩(wěn)定性，抑噪及抗干擾技術(shù)的運(yùn)用，低功耗或微功耗供電，產(chǎn)品成本下降和可靠性提高，測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸和管理方式改變，儀表體積小型化等等。

經(jīng)過(guò)多年來(lái)的不斷完善，中、小口徑電子水表經(jīng)過(guò)全面技術(shù)提升，簡(jiǎn)化表體結(jié)構(gòu)，使其特性有了較大改觀，產(chǎn)品成本也有大幅下降，部分產(chǎn)品的應(yīng)用已達(dá)到了較為滿意的效果。

下面就當(dāng)前電子水表采用的主要傳感與信號(hào)處理技術(shù)作出簡(jiǎn)要介紹和評(píng)述。

1．流量傳感技術(shù)

電子水表當(dāng)前普遍采用的是速度式測(cè)量原理，通過(guò)檢測(cè)水流體在測(cè)量管截面上的平均流速求得體積流量或質(zhì)量流量。常用的流量傳感技術(shù)有：

1.1  電磁流量傳感技術(shù)

電磁流量傳感技術(shù)一般用于體積流量測(cè)量，其主要特點(diǎn)：傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量管內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)和阻流部件，流體壓力損失很小；不受被測(cè)介質(zhì)的溫度、粘度、密度和水質(zhì)狀況等的影響；傳感信號(hào)只與被測(cè)流體的平均流速成正比，而與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，因此傳感器的量程范圍寬，測(cè)量精度高，無(wú)機(jī)械慣性，反應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)特性好。其關(guān)鍵技術(shù)為：電極與測(cè)量管內(nèi)襯材料選擇、勵(lì)磁方式與抗干擾設(shè)計(jì)以及微弱信號(hào)檢測(cè)等。

1.2  超聲流量傳感技術(shù)

超聲流量傳感技術(shù)也用于體積流量測(cè)量。傳感部分由超聲波換能器和前級(jí)信號(hào)處理電路組成。換能器將電能轉(zhuǎn)換成超聲波，將其發(fā)射并穿過(guò)被測(cè)流體，接收器收到超聲波信號(hào)并經(jīng)前級(jí)電路處理轉(zhuǎn)換成代表流量的電信號(hào)。其主要特點(diǎn)是：可在不干擾流體自身運(yùn)動(dòng)情況下測(cè)量流速；測(cè)量管內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)和阻流部件，無(wú)壓力損失和磨損；對(duì)被測(cè)介質(zhì)幾乎無(wú)要求，并且測(cè)量準(zhǔn)確度不受被測(cè)流體溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)影響；測(cè)量范圍寬，標(biāo)定方便。

超聲流量傳感技術(shù)按其測(cè)量原理可以分為多種測(cè)量方法，主要有：傳播速度差法（包括：時(shí)差法、相位差法、頻差法）、多普勒法、波束偏移法、相關(guān)法等等。從測(cè)量精度看，傳播速度差法效果較好。

    超聲流量傳感技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)：正確處理超聲方法測(cè)得的流速線平均值與實(shí)際流量測(cè)量所需的流速面平均值的關(guān)系（即不同流速面分布特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的修正）、聲道的合理設(shè)置、控制聲速在流體測(cè)量過(guò)程中的變化量、超聲換能技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)等。

1.3  渦街流量傳感技術(shù)

    渦街流量傳感技術(shù)是流體振動(dòng)傳感技術(shù)的一種主要形式。它具有：測(cè)量管內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、工作可靠、壽命長(zhǎng)；在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，被測(cè)流體振動(dòng)頻率只與流體工作狀態(tài)下的體積流量成正比，而對(duì)流體的物理性質(zhì)不敏感；輸出信號(hào)是頻率值，處理比較容易；量程范圍相對(duì)較寬；在符合幾何與動(dòng)力相似條件下，用典型介質(zhì)標(biāo)定即可在其他介質(zhì)中使用等特點(diǎn)。

渦街流量信號(hào)檢測(cè)常用的有：檢測(cè)流體旋渦壓力變化的“應(yīng)力式”或“應(yīng)變式”測(cè)量方法以及檢測(cè)流速變化的“熱敏式”或“電磁式”測(cè)量方法等。

渦街流量傳感技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)：合理設(shè)計(jì)旋渦發(fā)生體，穩(wěn)定測(cè)量管內(nèi)卡曼渦街；信號(hào)檢測(cè)與抗干擾（管道振動(dòng)與外界電磁場(chǎng)干擾）技術(shù)；特性修正技術(shù)等。

1.4  射流流量傳感技術(shù)

射流流量傳感技術(shù)是伴隨射流技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新穎流量傳感技術(shù)，其中利用附壁效應(yīng)制成的反饋式流量傳感器已在民用氣表和水表中得到很好應(yīng)用。該技術(shù)主要用于低雷諾數(shù)流體測(cè)量（目前雷諾數(shù)測(cè)量下限已達(dá)10²量級(jí)），在微、小流量檢測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且測(cè)量范圍寬，超量程能力強(qiáng)；由于輸出信號(hào)是與流體流速成正比的射流振蕩頻率量，因此流量信號(hào)獲取方便，檢測(cè)靈敏度高；應(yīng)用新穎電磁檢測(cè)原理的射流流量傳感器，可以消除被測(cè)液體中空氣、氣泡和泥沙對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；傳感器內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)牢固，不受振動(dòng)和撞擊影響，便于集成化制造。

2．信號(hào)處理與抗干擾技術(shù)

信號(hào)處理與抗干擾是密不可分的關(guān)聯(lián)技術(shù)。任何信號(hào)在處理和傳輸過(guò)程中都會(huì)受到檢測(cè)電路內(nèi)部產(chǎn)生的固有噪聲和外部的電磁噪聲、機(jī)械振動(dòng)等的影響和干擾，致使信號(hào)（尤其是微弱信號(hào)）不能有效測(cè)量和利用。實(shí)際環(huán)境中的噪聲和振動(dòng)是客觀存在的，很難完全消除，但可設(shè)法降低其強(qiáng)度，識(shí)別其特征，進(jìn)行有效抑制。

電子水表在對(duì)微、小流量檢測(cè)時(shí)，必然會(huì)碰到微弱信號(hào)處理問(wèn)題。水表工作現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，甚至非常惡劣，各種電磁干擾和外界影響不可避免，這就需要運(yùn)用各種現(xiàn)代電子技術(shù)來(lái)削弱和抑制噪聲，識(shí)別和提取有用信號(hào)。

2.1  噪聲抑制及抗干擾

形成干擾必須具備三個(gè)條件：噪聲源、接受電路、耦合通道。凡是能產(chǎn)生一定電磁能量而且可能影響到周?chē)娐氛９ぷ鞯奈矬w或設(shè)備，都可認(rèn)為是電磁噪聲源。抑制噪聲首先應(yīng)找到噪聲源，弄清它的性質(zhì)，然后找出耦合通道，這樣才能有的放矢地加以抑制。

耦合通道主要有：傳導(dǎo)耦合，公共阻抗耦合，電源耦合，近場(chǎng)感應(yīng)耦合及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合等幾種。實(shí)際情況比較復(fù)雜，常常是幾種耦合方式同時(shí)存在。電子水表常用的低頻電子電路中，以近場(chǎng)感應(yīng)為主要耦合方式。

抑制電磁干擾的出路不外乎三個(gè)方面，一是削弱噪聲信號(hào)，二是切斷耦合通道，三是提高信號(hào)處理電路本身的抗干擾能力。削弱噪聲和切斷耦合通道的常用方法有：

屏蔽：可以用來(lái)控制電場(chǎng)或磁場(chǎng)從空間的一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的傳播，這是克服電場(chǎng)耦合干擾、磁場(chǎng)耦合干擾以及電磁輻射干擾的最有效手段。屏蔽的目的是利用導(dǎo)電材料或高導(dǎo)磁率材料來(lái)減少磁場(chǎng)、電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的強(qiáng)度。屏蔽技術(shù)既可應(yīng)用于對(duì)干擾源的屏蔽，也可應(yīng)用于對(duì)敏感電路的屏蔽。

接地：屏蔽與接地是抑制外來(lái)干擾噪聲最基本也是最重要的手段，兩者組合起來(lái)，可解決大部分干擾問(wèn)題。接地方式主要有：輸入信號(hào)回路接地、電源回路接地和數(shù)字系統(tǒng)接地。

隔離：在干擾比較嚴(yán)重場(chǎng)合，隔離是一種非常重要的抑噪措施。對(duì)于不可能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地原則的場(chǎng)合，或者對(duì)于安全起見(jiàn)兩端必須分別接地的情況，如果測(cè)量系統(tǒng)中存在著較大的地電位差噪聲，則隔離是克服這種共模噪聲的最有效措施。隔離技術(shù)主要由：變壓器隔離、光電耦合隔離、隔離放大器等組成。

去耦：用RC或LC濾波環(huán)節(jié)消除或抑制直流回路因負(fù)載變化引起的噪聲，稱(chēng)為去耦。

2.2  微弱信號(hào)檢測(cè)與處理

  通常將信號(hào)幅度很小、而且被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)稱(chēng)作為微弱信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)，“微弱”是相對(duì)于噪聲而言的。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)注重的是如何抑制噪聲和提高信噪比。為了表征噪聲對(duì)信號(hào)的覆蓋程度，引入信噪比SNR的概念。

對(duì)于各種被測(cè)量，通常先由傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大器的放大而得到測(cè)量結(jié)果或預(yù)結(jié)果。但如果被測(cè)信號(hào)很微弱，那么傳感器的本底噪聲、電路及測(cè)量?jī)x器的固有噪聲以及外界的干擾等往往會(huì)比有用信號(hào)幅度大的多，在放大被測(cè)信號(hào)過(guò)程中同時(shí)也放大了噪聲電平。

電子水表與帶電子裝置水表的最大區(qū)別之一是，帶電子裝置水表其基表部分輸出的是脈沖恒定幅值信號(hào)或編碼信號(hào)，雖然其中也有干擾存在，但因是數(shù)字（頻率）量，分離有用信號(hào)要容易的多，且信噪比很高；電子水表檢測(cè)到的常常是模擬低頻小信號(hào)，特別在小流量檢測(cè)中獲取的信號(hào)一般在毫伏或微伏，甚至是納伏級(jí)電壓水平，常被噪聲電平所淹沒(méi)，因此必須用到微弱信號(hào)或小信號(hào)處理技術(shù)。常用的微弱信號(hào)或小信號(hào)處理技術(shù)有：

  濾波：濾波消噪只適合用于信號(hào)和噪聲頻譜不重疊的情況。根據(jù)信號(hào)和噪聲的不同特性，常用的抑噪濾波器有：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等。采用軟件技術(shù)的數(shù)字濾波器也已普遍應(yīng)用。

  調(diào)制與解調(diào)：對(duì)于變化緩慢的信號(hào)或直流信號(hào)（如電磁水表和超聲水表等在小流量測(cè)量時(shí)的前級(jí)信號(hào)），如不經(jīng)變換處理而直接利用直流放大器放大，則傳感器和前級(jí)放大器的1/f固有噪聲及緩慢漂移（包括溫漂、時(shí)漂和傳感器電極與水流體的“流動(dòng)噪聲”等）經(jīng)放大后會(huì)以很大的幅值出現(xiàn)在后級(jí)輸出端；當(dāng)有用信號(hào)幅值很小時(shí)，有可能檢測(cè)不出信號(hào)來(lái)，在這種情況下，利用調(diào)制放大器能有效解決上述問(wèn)題。調(diào)制放大器多采用幅度調(diào)制方法，其原理見(jiàn)圖1。調(diào)制過(guò)程一般用變?cè)鲆婊蚍蔷€性放大器實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的相乘，其輸出信號(hào)是頻率與

與載波信號(hào)V_c ( t ) 相同、幅度隨被測(cè)低頻信號(hào)V_s ( t ) 瞬時(shí)值變化的調(diào)制信號(hào)V_ｍ ( t ),             

解調(diào)過(guò)程可以用檢波器實(shí)現(xiàn)。該過(guò)程是把放大后的調(diào)制信號(hào)再和載波信號(hào)進(jìn)行相乘。設(shè)交流放大倍數(shù)為A，解調(diào)器的輸出V_ｄ( t )為

上式表明，解調(diào)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了二次頻率遷移，解調(diào)器輸出V_ｄ( t ) 的頻率分量中一部分包含了原被測(cè)信號(hào)的頻率ω_s ，另一部分頻譜集中于2 ω _c ± ω_s 。利用低通濾波器濾除V_ｄ( t )中的高頻分量和附加噪聲，可得放大后的被測(cè)信號(hào)V_o( t )，

調(diào)制解調(diào)過(guò)程頻譜分布見(jiàn)圖2。

鎖定放大：鎖定放大器抑制噪聲有兩個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)，即用調(diào)制器將直流或慢變的頻譜遷移到調(diào)制頻率ω_o處，再進(jìn)行放大，以避開(kāi)1/ f 噪聲的不利影響；利用相敏檢波器（PSD）實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。由于自然界噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很低，因此利用頻率ω_o和相角θ進(jìn)行檢測(cè)與解調(diào)，就能有效分離有用信號(hào)和噪聲干擾。

  鎖定放大器對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行遷移的過(guò)程見(jiàn)圖3。只要低通濾波器（LPF）的帶寬足夠窄，就能有效地改善信噪比。

數(shù)字式平均：當(dāng)重復(fù)信號(hào)或周期信號(hào)被噪聲污染時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字式平均，可以改善其信噪比。數(shù)字式平均的工作過(guò)程是，由采樣保持器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行取樣，再由A/D轉(zhuǎn)換器將被測(cè)信號(hào)變換成數(shù)字量并存入存儲(chǔ)器，累加平均的運(yùn)算過(guò)程由微機(jī)來(lái)完成。圖4是周期信號(hào)的取樣和數(shù)字式平均運(yùn)算過(guò)程。被測(cè)信號(hào)周期為T，在每個(gè)周期的起始處觸發(fā)取樣過(guò)程，每個(gè)周期內(nèi)均勻取樣M次，取樣時(shí)間間隔為Δt。

對(duì)于第j道取樣信號(hào)，數(shù)字式平均的運(yùn)算過(guò)程可表為

按式(4)分別計(jì)算出各道j所對(duì)應(yīng)的數(shù)字平均值A ( j ),并經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器依次輸出,就可得到平均后的被測(cè)信號(hào)。因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)為確定性信號(hào),所以多次平均后仍然為信號(hào)本身;而干擾噪聲為隨機(jī)信號(hào),多次平均后其有效值大為減少,從而提高了信噪比。

數(shù)字式平均的常用算法有：線性累加平均算法、遞推式平均算法、指數(shù)加權(quán)平均算法等。

相關(guān)檢測(cè)：相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是基于信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行的。相關(guān)函數(shù)是兩個(gè)時(shí)域信號(hào)相似性的一種度量。相關(guān)檢測(cè)法分為自相關(guān)法和互相關(guān)法兩種。

用自相關(guān)法從噪聲中恢復(fù)有用信號(hào)的原理為，設(shè)s（t）為周期性的被測(cè)信號(hào)，n（t）為零均值寬帶噪聲，迭加后信號(hào)為

對(duì)x（t）做自相關(guān)運(yùn)算后，得 

若n ( t )與ｓ( t )不相關(guān)，則Ｒ_Ｓｎ(τ) =Ｒ_ｎＳ(τ) = 0，得

    對(duì)于寬帶零均值噪聲n ( t )，其自相關(guān)函數(shù)Ｒ_ｎ(τ) 主要反映在τ =0附近，當(dāng)τ較大時(shí)，Ｒ_ｘ(τ)只反映Ｒ_Ｓ(τ) 的情況。如果ｓ( t )為周期函數(shù)，則Ｒ_Ｓ(τ) 仍為周期函數(shù)，這樣就可由τ較大時(shí)的Ｒ_ｘ(τ) 測(cè)量出ｓ(t) 的幅度和頻率。

     圖5(a)所示為迭加了限帶噪聲的周期信號(hào)ｘ( t ) 隨時(shí)間變化的波形，很難從這樣的波形中觀測(cè)出有用信號(hào)的周期性，更不能觀測(cè)出周期信號(hào)的頻率、幅度等特征。圖5(b)所示為該信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)Ｒ_ｘ(τ) 波形，有用信號(hào)的周期性已經(jīng)十分明顯，而且還可以由Ｒ_ｘ(τ) 波形估計(jì)出信號(hào)的周期和幅度。

    自適應(yīng)噪聲抵消：它是以干擾噪聲為處理對(duì)象，利用噪聲與被測(cè)信號(hào)不相關(guān)特點(diǎn)，自適應(yīng)地調(diào)整濾波器傳輸特性，盡可能地抑制和衰減干擾噪聲，提高信號(hào)檢測(cè)或信號(hào)傳遞的信噪比。自適應(yīng)噪聲抵消不需要預(yù)先知道干擾噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，它能在逐次迭代的過(guò)程中將自身的工作狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整到最佳狀態(tài)，對(duì)抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效。

自適應(yīng)噪聲抵消原理見(jiàn)圖6。噪聲傳感器2的輸出經(jīng)過(guò)參數(shù)可調(diào)數(shù)字濾波器后，再送到抵消器，與信號(hào)傳感器1的輸出信號(hào)相減。插入濾波器的目的是要補(bǔ)償噪聲源經(jīng)過(guò)兩個(gè)傳感器傳輸特性上的差異，以使濾波器的輸出盡量逼近傳感器1的感應(yīng)噪聲。自適應(yīng)噪聲抵消

的常用算法有最陡下降法和最小均方法等。

渦街水表檢測(cè)管道流量時(shí)，由水泵引起的管道振動(dòng)可能對(duì)流量信號(hào)形成干擾，使其波形畸變，導(dǎo)致頻率測(cè)量誤差。這種干擾噪聲與管道振動(dòng)相關(guān)，而與渦街信號(hào)不相關(guān)，可以利用自適應(yīng)噪聲抵消方法將其濾除。如圖7所示，在相距渦街發(fā)生體的上游管道上裝設(shè)管道振動(dòng)傳感探頭，其輸出信號(hào)用作自適應(yīng)噪聲抵消器的參考信號(hào)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的迭代后自適應(yīng)算法就會(huì)收斂，抵消器輸出信號(hào)能更準(zhǔn)確地反映渦街頻率，從而提高檢測(cè)精度。