0 引言

 

    水是人类生存和发展不可替代的资源，是经济社会可持续发展的基础。随着人口与经济的增长，世界水资源的需求量不断增加，水环境也不断恶化，水资源紧缺已成为共同关注的全球性问题。我国水资源短缺严重，约为世界人均水资源占有量的1/4。加上每年工业生活污水排放量已约达600亿立方，使90%的城市水域受到不同程度的污染。干旱年交替出现，使全国660个城市中共有400多个缺水城市。其中严重缺水城市114个，日缺水1600万立方，全年缺水量为200亿立方，每年因缺水造成的直接经济损失达2000亿元以上，影响用水人口约4000万人次。据专家预测，我国农业用水占需求量54%，城市生活用水占46%。到2010年全国总可供水量（6200-6500）亿立方，但实际需求量将达7300亿立方，供需缺口近1000亿立方；到2030年全国需水量将达10000亿立方，全国将缺水（4000-4500）亿立方；到2050年全国将缺水（6000-7000）亿立方。由此可见，我国水资源供需矛盾和水污染状态将面临非常严峻的形势，我们如果在水资源开发利用和污水治理上没有大的突破，在管理上不能适应现实需要，水资源就很难支持国民经济迅速发展的需求，水资源危机将成为所有资源问题中最为严重的问题，阻碍实现中等发达国家的目标，前景十分令人担忧。因此，使用高精度的流量计量仪表，建立准确、可靠的水计量体系可以极大地促进水资源的合理利用，促进国民经济的发展和人民生活水平的提高。

 

    1 城镇供水计最仪表的应用及特点

 

    国内各自来水公司进、出厂水流量的计量是供水行业水计量的关键，是自来水企业统计计算产水量、产销量、产水成本、管网漏耗和能源单耗等主要生产运行指标的重要依据，是供水行业必不可少的检测环节。

 

    上世纪，80年代以前，大多数水厂未配备计量仪表，仅通过水泵特性曲线粗略推算，准确性很低。随着城市供水的发展，水厂计量仪器仪表设备也获得相应较快的发展，并呈现出多品种的局面。一些水头损失较大的差压式流量计（如孔板流量计、均速管水头损失不大）和插入式流量计（插入式涡轮流量计）逐步被具有压力损失小、安装方便、自动化程度较高的流量仪表取代（如电磁流量计、超声流量计等），虽然在重大引水工程及水库仍有大量的文丘里管流量计在使用，但与以往的差压式流量计相比已有很大改进。

 

    国内自来水公司进、出厂水计量使用的流量计与其它领域相比具有其特殊的要求。首先，流量计的口径比较大，一般大于DN1000mm，国内使用的最大口径达到DN3000mm；其次，水的流量较大，一般为数千到几万m3/h；再次，为保证满足供水损失率的要求，流城镇供水计最的技术特点及发展趋势赵雨斌，等量计的计量准确度高，一般应优于0.5%，甚至0.3%；还有，流量计的安装位置对直管段的要求不能过高；尽量具备高度的智能化和网络化等特点。

 

    国外供水行业使用流量计时主要选择本国产品，以便于售后服务，使用的流量计在结构上尽量简单，不追求较高的准确度等级（一些发达国家对供水损失率无限定指标，流量计量主要为工艺运行和合理调度提供参数）。发达国家目前使用的品种主要有：各种类型的电磁流量计、超声流量计和少量文丘里管流量计。

 

    2 常用流最计及其技术发展通过

 

    对主要城市自来水公司和水库在用大口径流量计应用情况的调查，我国城镇供水行业主要使用了以电磁流量计为丰的多种流量计。各地自来水公司大量使用了电磁流量计和超声流量计等，少量沿用插入式流量计（涡轮流量计和电磁流量计等），并大量更新为智能化、高精度、多功能的流量仪表。少数自来水公司已实现或部分应用了有线/总线式数字通信方式（如MODBUS，PROFIBUS，FF，CAN等）以及无线的通信方式，以实现远程抄表，并将流量数据远传到公司中心调度室。在大型引水工程和水库中，除了使用大口径和特大口径电磁流量计和超声流量计外，采用最新计算机技术和专用计量软件的古典文丘里管流量计系统也得到大量应用。

 

    2.1 电磁流量计

 

    工作原理基于电磁感应定律的电磁流量计是供水行业使用最广泛的一种流量计。由于电磁流量计具有一些突出的特点（无可动件、无压损、流量范围度大、高准确度、耐腐蚀性和高可靠性等），成为发展较快且技术较成熟的流量检测仪表，并成为供水行业首选的流量计。

 

    随着计算机技术和微电子技术的飞速发展，电磁流量计的设计和制造技术也获得了突飞猛进的发展。传感器的制造工艺采用了适合多种场合的各种衬里工艺（四氟塑料、F4、橡胶、陶瓷衬里等），并在励磁线圈结构和外壳防护方面进行优化和改进，大口径电磁流量传感器基本满足IP68，可靠性进一步提高。电磁流量转换器智能化技术进一步完善和提高，借助单片机微处理器、DSP技术和软件编程技术，实现了电磁流量计励磁方式的优化和智能化（多频励磁、双频励磁等），并实现拓宽量程（测量范围度50：1，再考虑上限范围度20：1，两者相乘可扩展到1000：1）、补偿测量误差、零点校正、励磁及系统自诊断、正反相流判断、空管与不满管的自诊断等功能，极大地增强了电磁流量计技术性测量功能，改善了可靠性和稳定性。为满足FCS新型控制系统的要求，新型电磁流量计应用了计算机串行通信技术，采用了PROFIBUS，FF等现场总线数字通信协议，实现了与上位机的双向数字通信，提高了系统的自动化水平和数据传输的可靠性。

 

    大口径流量的在线检定是困扰供水行业的另一个难题。电磁流量计目前仍采用传统的定期离线检定方式，这对于连续运行的供水行业而言无疑是不可能的。国家对大流量计量站曾在电磁流量计的在线检定方面做了一些研究，目前多采用与超声流量计比对的方法。有些生产厂商提供了具有在线自诊断功能的电磁流量计，能在一定程度上定性地判断流封十的工作状态。正在开发中的新型流量计在线检定系统能够通过比较流量计主要参数的变化情况，判断流量计的计量性能状态，实现流量计的在线检定功能。该技术的关键是确保出厂检定和在线检定具有相同的基准和复现性，并将代表流量计性能的重要参数（如传感器励磁参数、内阻、绝缘、有关参数设置等）形成电子指纹，以供定期在线检查。

 

    2.2 文丘里管流盘计

 

    文丘里管流量计属于差压式流量计的一种，是比较传统的流量测量仪表。其测量稳定性好，准确度也基本能满足要求，在水库和少量的自来水公司有一定的应用。文丘里管流量计由文丘里管（节流件）和配套的差压变送器组成，通过测量流过节流件前后的差压计算出流量。这种流量计的节流件差不多没有改进的余地了，已经达到比较完善的程度，并已实现了标准化。传统的文丘里流量计使用模拟型差压变送器，测量准确度不很高（1.0%一1.5%），在现代水厂的计量应用中稍显不足。

 

    提高文丘里管流量计计量性能的主要途径是采用高性能高准确度的差压变送器和专用计量软件，并实现其智能化和网络信息化。新型差压变送器的发展趋于两个极端，一个是轻小型，追求简单化，采用扩散硅固态压力传感器，性能和可靠性都不错；另一个是高精度多功能型，采用单片机数字信号处理技术，实现智能化和信息化。与文丘里管配套的多为电容式智能化差压变送器，通过其内部的微处理器可以进行复杂的运算和各种补偿，并实现差压信号的高精度、宽范围的测量（测量精度为0.07591、范围度1000.1），其可靠性极高，基本不需要调整和维护，并具备包括HART，FF等多种现场总线数字通信功能。

 

    新型文丘里管流量计系统中增加了专用流量计算机，通过数字通信的方式将高精度差压变送器测量的差压信号传递到流量计算机，并由专用计量软件实现宽量程、高精度的流量测量（流量测量精度优于0.5%，范围度20：1），必要时可实现分段修正测量误差，进一步提高系统精度。广东粤港供水公司向香港供水项目：东江—深圳供水改造工程（鲁班奖工程）应用了数十套此类系统，取得了很好的经济效益和社会效益。以Rosemount3095MV为代表的新型多参量智能差压变送器可以同时测量差压、绝对压力和温度，并安装了符合ISO和API计量标准的专用计量软件，可实现高精度的流量测量。用一台仪表即可实现以前多台仪表测量的过程，如与文丘里管等节流件配套使用也可以实现差压式流量计技术的飞跃。

 

    3.3 超声流量计

 

    超声流量计多用于非接触测量流量，它具有不干扰流场、无压力损失、无可动易损零部件等优点，从而在以给排水行业为中心的领域得到了广泛的应用。目前使用的超声流量计多为便携式，采用在管道外部夹持安装的方式。由于其正常测量要求的直管段较长，单声道测量精度不高，多用于流量计的比对和检测，直接用于出厂水计量的较少。采用多声道（四声道）和湿式管段安装以后，可以进一步提高测量准确性，也是供水行业的新选择之一。

 

    4 结束语

 

    针对水资源短缺问题，城镇供水行业对水流量的计量手段在不断地更新，并应用了较新的流量计量仪表，这些仪表的技术水平代表了水流量测量技术的发展前景。

 

    通过分析常用的电磁流量计等流量仪表的技术演变，流量计量仪表等自动化仪表呈现了以下的技术发展趋势：

 

    ①大量应用微型计算机技术和网络通信技术。新型的流量计都具有智能化和网络化的功能，通过采用单片机和专用软件实现了流量计高精度的测量，并提供了多种通信方式，如：HART协议、PROFIBUS，FF，CAN，MODBUS等现场总线；

 

    ②采用新器件提高仪表性能。干扰和噪声是影响流量计测量的重要因素，如何将有效的微弱信号从背景噪声中分离出来并进行处理是提高仪表性能的关键。DSP器件和电路可以提供出模拟信号处理以外更多的技术方案，某些企业已在做使用嵌人技术和DSP器件改良电磁流量计的转换器；

 

    ③电磁兼容性技术（EMC）得到进一步的重视。泵房电机等电气设备的电磁辐射及大功率电气设备引起的电网波动等是影响智能化流量计正常工作的主要因素。抗ESD的PCB电路板布局和布线技术、开关电源电磁干扰抑制EMI技术、PCB屏蔽和接地技术等已经得到不同程度的应用，也是工业自动化仪表应重点研究的课题；

 

    ④专用计量软件的作用越来越重要。采用专用计量软件的流量计能够提供高精度、宽范围度的流量测量，并能够提供一些特殊测量情况下的补偿计算功能；

 

    ⑤更好的易操作性。更方便的仪表接线和操作将是自动化仪表的另一个努力方向。