流量計量儀表的當代概況及趨勢展望

倪德成 鄭大勇 段修全

濟寧市計量測試所 山東 濟寧 272000

流量計量儀表是現代國防建設以及工業發展中不可或缺的工具，其發展質量以及發展水平關系到國家的基礎建設以及經濟發展，雖然現階段工廠企業及用戶已普遍認識到流量計量儀表的重要性，但隨著社會發展水平的提升，對流量計量儀表也提出了更高的要求，流量儀表當前功能與發展已暴露出明顯不足。因此，探究流量計量儀表發展概況以及未來發展趨勢，做出科學的技術性優化，對于我國未來發展有著重要意義。

一、流量計量儀表當代概況

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生的變化，進行流體流速計算的是超聲波流量計；而科氏質量流量計是通過振動傳感器輸出信號頻率以及相位差進行流體質量測量。目前，從現有研究文獻中發現，關于流量計量儀表的研究主要內容涉及以下方面：流量計量儀表信號處理技術、流量計量儀表硬件系統設計、芯片設計、超聲換能器技術[1]。其中仍以信號處理技術研究為重點，優化與研究信號處理技術成果頗豐，具體情況如下：

一是DFT頻譜分析法。基于傳統Zoom FFT 方法提高信號流速分辨率，無需增加采樣點，利用多普勒法進行頻差處理，搜索信號處理峰值，結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行大量計算。因此，美國公司對該信號處理方法進行了調整，通過DFT 頻譜分析法優化流量計信號處理方式，使用先粗側、后細測的方式，根據頻率與時間變化情況，確定合理的頻率變化范圍。與傳統方法相比，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，調整信號截取長度，實現采樣條件修正，進行高精度信號頻率預估。同樣，經過優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。該方法能夠改變被測信號性質，獲得90°相移信號，對變化前后信號進行計算獲得相位角函數以及相位差。該方法雖然對信號性質做出了改變，但因其瞬態特性特征，信號改變后幅值以及頻率不會發生任何變化，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，實現對相位差動態變化的實時掌握。

三是相關分析法。該信號處理方法，基于信號噪聲之間不相關或相關性較小的特點，在傳統基礎上，減少了噪聲對信號的干擾，從而提升了流量計相位差精度。該方法的突出優勢則是抗噪性，但如果信號之間的相關性較強，使其無法有效排除噪聲的干擾，也將導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果精度。近年來的研究中，雖然在此方法基礎上做出了改進，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揮功能與作用的核心，傳統的FFT 信號處理算法，改變了信號處理的傳統路徑，實現了從時域到頻域的轉變，通過最大譜線位置預估信號頻率值，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重誤差。因此還需要配合插值法對計算結果進行校正，這就導致計算量大大增加，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對信號處理方法進行優化。如導致能量泄漏出現的根本原因是信號長度是否為整周期。改進后的信號處理方法通過函數描述信號的相關性，再利用函數進行相位差計算，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用仍然存在誤差較大問題，也就說明當前并未從根本上克服采樣非整周期對信號處理結果有極大負面影響的問題。

通過流量計量儀表的應用范圍以及功能可以看出，流量計量儀表的應用主要在國防、工業等國家重點與關鍵發展領域。因此，對其精度將有越來越高的要求，而我國關于流量計量儀表的研究起步較晚，目前多數研究成果也多為借鑒國外，諸多方法對于我國實際應用借鑒意義不大[4]。但受信號處理方法計算量過大、計算內容過于復雜、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用中的效果，并且還需對其在雷達、電力、故障診斷等更多領域的應用可行性進行詳細分析。總之，流量計量儀表的研究任務仍然艱巨。

基于此，在未來對流量計量儀表進行研究以及相關技術優化時，應以以下幾點為主：一是頻譜分析法優勢極為明顯，但應克服采樣非整周期的影響，并且通過方法的優化減少計算量，提高頻率以及相位差計算的精準度；二是Hilbert變換分析法，其信號處理結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；三是對于相關分析法的未來發展，應排除采樣整周期產生的干擾，精簡算法，提升計算精度以及抗噪性[5]。

結束語

綜上所述，文章對現階段流量計量儀表的研究概況進行了分析，著重探究了流量計量儀表應用核心——信號處理方法的研究現狀，并總結了當前流量計量儀表實際應用中存在的問題以及研究上暴露出的不足，對未來相關研究內容做出了展望，希望能夠引起社會以及研究領域的重視，正確認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用效果，實現其應用范圍的拓展，為我國社會的發展與進步提供堅實的技術支持。