[導讀] 城鎮自來水公司水流量的計量是提高管理水平和節約用水的關鍵環節。介紹了供水行業水計量儀表的應用特點，闡述了電磁流量計等常用流量計的類型和新技術特點，提出了流量計量技術的發展趨勢，探討了以微型計算機和網絡技術為代表的新型自動化儀表的關鍵技術，并指出該技術具有的應用前景。
0 引言
水是人類生存和發展不可替代的資源，是經濟社會可持續發展的基礎。隨著人口與經濟的增長，世界水資源的需求量不斷增加，水環境也不斷惡化，水資源緊缺已成為共同關注的全球性問題。我國水資源短缺嚴重，約為世界人均水資源占有量的1/4。加上每年工業生活污水排放量已約達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，使全國660個城市中共有400多個缺水城市。其中嚴重缺水城市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濟損失達2000億元以上，影響用水人口約4000萬人次。據專家預測，我國農業用水占需求量54%，城市生活用水占46%。到2010年全國總可供水量（6200-6500）億立方，但實際需求量將達7300億立方，供需缺口近1000億立方；到2030年全國需水量將達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將面臨非常嚴峻的形勢，我們如果在水資源開發利用和污水治理上沒有大的突破，在管理上不能適應現實需要，水資源就很難支持國民經濟迅速發展的需求，水資源危機將成為所有資源問題中最為嚴重的問題，阻礙實現中等發達國家的目標，前景十分令人擔憂。因此，使用高精度的流量計量儀表，建立準確、可靠的水計量體系可以極大地促進水資源的合理利用，促進國民經濟的發展和人民生活水平的提高。
1 城鎮供水計最儀表的應用及特點
國內各自來水公司進、出廠水流量的計量是供水行業水計量的關鍵，是自來水企業統計計算產水量、產銷量、產水成本、管網漏耗和能源單耗等主要生產運行指標的重要依據，是供水行業必不可少的檢測環節。
上世紀，80年代以前，大多數水廠未配備計量儀表，僅通過水泵特性曲線粗略推算，準確性很低。隨著城市供水的發展，水廠計量儀器儀表設備也獲得相應較快的發展，并呈現出多品種的局面。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。
國內自來水公司進、出廠水計量使用的流量計與其它領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，國內使用的最大口徑達到DN3000mm；其次，水的流量較大，一般為數千到幾萬m3/h；再次，為保證滿足供水損失率的要求，流城鎮供水計最的技術特點及發展趨勢趙雨斌，等量計的計量準確度高，一般應優于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絡化等特點。
國外供水行業使用流量計時主要選擇本國產品，以便于售后服務，使用的流量計在結構上盡量簡單，不追求較高的準確度等級（一些發達國家對供水損失率無限定指標，流量計量主要為工藝運行和合理調度提供參數）。發達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發展通過
對主要城市自來水公司和水庫在用大口徑流量計應用情況的調查，我國城鎮供水行業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。少數自來水公司已實現或部分應用了有線/總線式數字通信方式（如MODBUS，PROFIBUS，FF，CAN等）以及無線的通信方式，以實現遠程抄表，并將流量數據遠傳到公司中心調度室。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，采用最新計算機技術和專用計量軟件的古典文丘里管流量計系統也得到大量應用。
2.1 電磁流量計
工作原理基于電磁感應定律的電磁流量計是供水行業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（無可動件、無壓損、流量范圍度大、高準確度、耐腐蝕性和高可靠性等），成為發展較快且技術較成熟的流量檢測儀表，并成為供水行業首選的流量計。
隨著計算機技術和微電子技術的飛速發展，電磁流量計的設計和制造技術也獲得了突飛猛進的發展。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），并在勵磁線圈結構和外殼防護方面進行優化和改進，大口徑電磁流量傳感器基本滿足IP68，可靠性進一步提高。電磁流量轉換器智能化技術進一步完善和提高，借助單片機微處理器、DSP技術和軟件編程技術，實現了電磁流量計勵磁方式的優化和智能化（多頻勵磁、雙頻勵磁等），并實現拓寬量程（測量范圍度50：1，再考慮上限范圍度20：1，兩者相乘可擴展到1000：1）、補償測量誤差、零點校正、勵磁及系統自診斷、正反相流判斷、空管與不滿管的自診斷等功能，極大地增強了電磁流量計技術性測量功能，改善了可靠性和穩定性。為滿足FCS新型控制系統的要求，新型電磁流量計應用了計算機串行通信技術，采用了PROFIBUS，FF等現場總線數字通信協議，實現了與上位機的雙向數字通信，提高了系統的自動化水平和數據傳輸的可靠性。
大口徑流量的在線檢定是困擾供水行業的另一個難題。電磁流量計目前仍采用傳統的定期離線檢定方式，這對于連續運行的供水行業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。正在開發中的新型流量計在線檢定系統能夠通過比較流量計主要參數的變化情況，判斷流量計的計量性能狀態，實現流量計的在線檢定功能。該技術的關鍵是確保出廠檢定和在線檢定具有相同的基準和復現性，并將代表流量計性能的重要參數（如傳感器勵磁參數、內阻、絕緣、有關參數設置等）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，是比較傳統的流量測量儀表。其測量穩定性好，準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用。文丘里管流量計由文丘里管（節流件）和配套的差壓變送器組成，通過測量流過節流件前后的差壓計算出流量。這種流量計的節流件差不多沒有改進的余地了，已經達到比較完善的程度，并已實現了標準化。傳統的文丘里流量計使用模擬型差壓變送器，測量準確度不很高（1.0%一1.5%），在現代水廠的計量應用中稍顯不足。
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確度的差壓變送器和專用計量軟件，并實現其智能化和網絡信息化。新型差壓變送器的發展趨于兩個極端，一個是輕小型，追求簡單化，采用擴散硅固態壓力傳感器，性能和可靠性都不錯；另一個是高精度多功能型，采用單片機數字信號處理技術，實現智能化和信息化。與文丘里管配套的多為電容式智能化差壓變送器，通過其內部的微處理器可以進行復雜的運算和各種補償，并實現差壓信號的高精度、寬范圍的測量（測量精度為0.07591、范圍度1000.1），其可靠性極高，基本不需要調整和維護，并具備包括HART，FF等多種現場總線數字通信功能。
新型文丘里管流量計系統中增加了專用流量計算機，通過數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，并由專用計量軟件實現寬量程、高精度的流量測量（流量測量精度優于0.5%，范圍度20：1），必要時可實現分段修正測量誤差，進一步提高系統精度。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）應用了數十套此類系統，取得了很好的經濟效益和社會效益。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計量標準的專用計量軟件，可實現高精度的流量測量。用一臺儀表即可實現以前多臺儀表測量的過程，如與文丘里管等節流件配套使用也可以實現差壓式流量計技術的飛躍。
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點，從而在以給排水行業為中心的領域得到了廣泛的應用。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，可以進一步提高測量準確性，也是供水行業的新選擇之一。
4 結束語
針對水資源短缺問題，城鎮供水行業對水流量的計量手段在不斷地更新，并應用了較新的流量計量儀表，這些儀表的技術水平代表了水流量測量技術的發展前景。
通過分析常用的電磁流量計等流量儀表的技術演變，流量計量儀表等自動化儀表呈現了以下的技術發展趨勢：
①大量應用微型計算機技術和網絡通信技術。新型的流量計都具有智能化和網絡化的功能，通過采用單片機和專用軟件實現了流量計高精度的測量，并提供了多種通信方式，如：HART協議、PROFIBUS，FF，CAN，MODBUS等現場總線；
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行處理是提高儀表性能的關鍵。DSP器件和電路可以提供出模擬信號處理以外更多的技術方案，某些企業已在做使用嵌人技術和DSP器件改良電磁流量計的轉換器；
③電磁兼容性技術（EMC）得到進一步的重視。泵房電機等電氣設備的電磁輻射及大功率電氣設備引起的電網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、開關電源電磁干擾抑制EMI技術、PCB屏蔽和接地技術等已經得到不同程度的應用，也是工業自動化儀表應重點研究的課題；
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。