流量计量仪表的当代概况及趋势展望

倪德成 郑大勇 段修全

济宁市计量测试所 山东 济宁 272000

流量计量仪表是现代国防建设以及工业发展中不可或缺的工具，其发展质量以及发展水平关系到国家的基础建设以及经济发展，虽然现阶段工厂企业及用户已普遍认识到流量计量仪表的重要性，但随着社会发展水平的提升，对流量计量仪表也提出了更高的要求，流量仪表当前功能与发展已暴露出明显不足。因此，探究流量计量仪表发展概况以及未来发展趋势，做出科学的技术性优化，对于我国未来发展有着重要意义。

一、流量计量仪表当代概况

流量计量仪表有多种类型，其中超声波流量计和科氏质量流量计是两种使用频率较高的仪表。使用过程中通过多普勒频移感受声波频率产生的变化，进行流体流速计算的是超声波流量计；而科氏质量流量计是通过振动传感器输出信号频率以及相位差进行流体质量测量。目前，从现有研究文献中发现，关于流量计量仪表的研究主要内容涉及以下方面：流量计量仪表信号处理技术、流量计量仪表硬件系统设计、芯片设计、超声换能器技术[1]。其中仍以信号处理技术研究为重点，优化与研究信号处理技术成果颇丰，具体情况如下：

一是DFT频谱分析法。基于传统Zoom FFT 方法提高信号流速分辨率，无需增加采样点，利用多普勒法进行频差处理，搜索信号处理峰值，结合卡尔曼滤波器抑制偏差，既能够提升信号处理精度，也能提升信号处理效率，但该方法在实际操作中需要进行大量计算。因此，美国公司对该信号处理方法进行了调整，通过DFT 频谱分析法优化流量计信号处理方式，使用先粗侧、后细测的方式，根据频率与时间变化情况，确定合理的频率变化范围。与传统方法相比，精度有了显著提升[2]。同时，考虑到保障非整周期采样与信号处理精度，利用DFT差值判定截断误差，调整信号截取长度，实现采样条件修正，进行高精度信号频率预估。同样，经过优化后的方法仍然存在计算量较大的问题。

二是Hibert变换分析发。该方法能够改变被测信号性质，获得90°相移信号，对变化前后信号进行计算获得相位角函数以及相位差。该方法虽然对信号性质做出了改变，但因其瞬态特性特征，信号改变后幅值以及频率不会发生任何变化，因此，信号变化后相位的差异变化情况可以完整的反馈出来，实现对相位差动态变化的实时掌握。

三是相关分析法。该信号处理方法，基于信号噪声之间不相关或相关性较小的特点，在传统基础上，减少了噪声对信号的干扰，从而提升了流量计相位差精度。该方法的突出优势则是抗噪性，但如果信号之间的相关性较强，使其无法有效排除噪声的干扰，也将导致信号处理误差过大[3]。而且该方法只适用于整周期采样中，非整周期情况下无法保障其处理结果精度。近年来的研究中，虽然在此方法基础上做出了改进，比如通过插值法提升方法的适用范围，但效果甚微。

二、流量计量仪表未来趋势展望

信号处理是流量计量仪表发挥功能与作用的核心，传统的FFT 信号处理算法，改变了信号处理的传统路径，实现了从时域到频域的转变，通过最大谱线位置预估信号频率值，再通过频率值相位的计算求得相位差。但由于信号实际处理中会被截断，造成能量泄漏，计算后的相位差以及频率值都存在严重误差。因此还需要配合插值法对计算结果进行校正，这就导致计算量大大增加，从而影响流量计量仪表的工作效率与频率分辨率。

目前的研究中主要通过分析能量泄漏原因对信号处理方法进行优化。如导致能量泄漏出现的根本原因是信号长度是否为整周期。改进后的信号处理方法通过函数描述信号的相关性，再利用函数进行相位差计算，减少了计算过程中噪声以及其它因素对信号的干扰，但在非整周期信号中的应用仍然存在误差较大问题，也就说明当前并未从根本上克服采样非整周期对信号处理结果有极大负面影响的问题。

通过流量计量仪表的应用范围以及功能可以看出，流量计量仪表的应用主要在国防、工业等国家重点与关键发展领域。因此，对其精度将有越来越高的要求，而我国关于流量计量仪表的研究起步较晚，目前多数研究成果也多为借鉴国外，诸多方法对于我国实际应用借鉴意义不大[4]。但受信号处理方法计算量过大、计算内容过于复杂、计算精度有待提高等因素的影响，无法保障流量计量仪表在实际应用中的效果，并且还需对其在雷达、电力、故障诊断等更多领域的应用可行性进行详细分析。总之，流量计量仪表的研究任务仍然艰巨。

基于此，在未来对流量计量仪表进行研究以及相关技术优化时，应以以下几点为主：一是频谱分析法优势极为明显，但应克服采样非整周期的影响，并且通过方法的优化减少计算量，提高频率以及相位差计算的精准度；二是Hilbert变换分析法，其信号处理结果受整周期信号长度的影响，未来研究中在克服该问题基础上，还需提升信号处理过程的抗噪性以及相位差估计精度；三是对于相关分析法的未来发展，应排除采样整周期产生的干扰，精简算法，提升计算精度以及抗噪性[5]。

结束语

综上所述，文章对现阶段流量计量仪表的研究概况进行了分析，着重探究了流量计量仪表应用核心——信号处理方法的研究现状，并总结了当前流量计量仪表实际应用中存在的问题以及研究上暴露出的不足，对未来相关研究内容做出了展望，希望能够引起社会以及研究领域的重视，正确认识流量计量仪表的实际价值与意义，以便在研究中不断完善其功能与应用效果，实现其应用范围的拓展，为我国社会的发展与进步提供坚实的技术支持。