0引言(yán)
　　挖泥船電磁流(liu)量計用來指導(dǎo)挖泥船操作施(shī)工，防止堵管、悶(mèn)耙，與密度💁測量(liàng)設備一起使用(yong)構成産量計，爲(wèi)施工操作與管(guan)理提供決策數(shù)據，有利于提高(gāo)施工效率。其測(ce)量介質爲液固(gu)兩相流體，有别(bié)于通常意義下(xià)的單一介質，測(cè)量難度大大增(zēng)加。而電磁流量(liang)計（EMF）是根據電磁(ci)感應定律制成(cheng)的一種測量導(dǎo)電性流體❌流量(liàng)🧡的儀表［1］。與現有(you)各種流量儀表(biǎo)相比，其直線性(xing)好、測量精度高(gao)、測量範✌️圍和适(shì)用範圍廣、耐腐(fu)蝕性能強，可以(yǐ)解決其他流量(liàng)計🤟不易解決的(de)問題，如髒污流(liú)、腐蝕流等的測(cè)量［2］。
　　目前國内應(ying)用于挖泥船的(de)電磁流量計大(dà)多存在零點漂(piao)移、轉🔞換精度不(bu)高、流速不穩、空(kōng)管檢測易失常(cháng)等❓諸多問題。對(duì)此，我們進行了(le)相關研究并提(tí)出相應改進措(cuò)施，現已研發出(chū)一種專門用于(yú)挖泥船的電磁(cí)流💃量計，在耙吸(xī)式挖泥‼️船上成(chéng)功應用，取得🌈了(le)很好的效果。本(ben)文通過信号處(chu)理和🌈空管檢測(ce)功能詳細介紹(shào)該📐新型挖泥船(chuan)電🌈磁流量計。
1電(dian)磁流量計工作(zuò)原理
　　電磁流量(liàng)計分爲傳感器(qi)和轉換器兩部(bu)分。傳感器是💞把(ba)流過管道内的(de)導電流體的流(liu)速信号轉換爲(wei)電信号，轉👣換器(qì)是把傳感器輸(shu)出的電信号進(jìn)行有用信号識(shi)别提取并進👉行(háng)相關📧處理，用㊙️于(yu)主機顯示，主要(yào)由勵👨‍❤️‍👨磁電路、信(xin)号調理電🚶路、微(wēi)處理電路等部(bu)分組成。圖1爲傳(chuan)感器工作原理(lǐ)示意圖。

　　根據(jù)法拉第電磁感(gǎn)應定律，當一導(dao)體在磁場中運(yun)動而切💜割❄️磁力(lì)線時，在導體兩(liǎng)端便會産生感(gǎn)應電動勢。設在(zài)均勻♋磁場中，垂(chuí)直于磁場方向(xiàng)有一個直徑爲(wèi)D的管道。管道由(you)不導磁材料制(zhi)成，内表面加絕(jué)☂️緣襯裏。當導電(diàn)的液♻️體在管道(dào)中流動時，導電(diàn)液體♌就切割磁(ci)力🐉線，因而在磁(cí)場及流動方向(xiàng)垂直的方🐕向将(jiang)産生感應電動(dòng)勢。如果在管道(dao)截面垂直于磁(ci)場的直徑兩端(duān)安裝一對電極(jí)，隻要管道内流(liú)速υ爲👈軸對稱分(fen)布，兩極之間就(jiu)會産生感應電(diàn)✌️動勢［3］，此感應電(dian)動勢與流速具(jù)有👉線性關系。其(qi)表達式爲：
E=K·B·D·V（1）
　　式中(zhong)：V爲測量管道内(nei)截面上的平均(jun)流速（m/s）；
K爲儀表常(chang)數；
D爲測量管内(nèi)直徑（m）；
B爲磁感應(ying)強度（T）。
　　轉換器将(jiang)此感應電動勢(shi)測出，再根據線(xiàn)性關系式即可(ke)得🔞出♉流速信号(hào)。圖2爲電磁流量(liang)計整體設計示(shi)意圖。

　　考慮到傳(chuan)感器出來的微(wēi)弱信号容易在(zài)傳輸線上㊙️損⛹🏻‍♀️耗(hao)，故而🐪電極信号(hào)調理闆和空管(guǎn)檢測功能闆就(jiù)✔️近放置于傳感(gan)器出線口，調理(li)後經屏蔽線傳(chuán)輸至☀️轉換器🔞上(shang)的主⭕控電路。
　　結(jie)構上管道本身(shēn)就是個大的屏(píng)蔽體，防止勵磁(cí)線圈磁場洩露(lù)，信号采用屏蔽(bi)線傳輸，減少線(xian)與線之間信号(hao)幹擾，以及空間(jian)傳播的幹擾，保(bǎo)證信号的完整(zhěng)性。
　　電路上采用(yong)雙核主從式控(kòng)制，方便流速測(cè)量及其空管檢(jian)測，克服了以往(wǎng)電磁流量計需(xu)要配合密度計(jì)來使用的缺陷(xian)；同時利用微機(ji)技術，使其各方(fang)面性能大大提(ti)高，更加智⛷️能化(hua)，更加便于管理(lǐ)施工。
2勵磁方式(shì)的合理選擇
　　目(mù)前國産挖泥船(chuan)流量計大多采(cǎi)用低頻方波勵(lì)磁方⛱️式，其主要(yao)特點是能避免(mian)零點漂移及無(wu)正交幹擾，抗同(tóng)相☂️幹擾能力較(jiào)好［4］。但對于液固(gù)兩相流體而言(yan)，當固體顆粒撞(zhuàng)擊電極，表面電(diàn)位變化形成尖(jian)峰狀噪聲，信号(hao)呈現大幅度波(bō)動。而低頻方波(bō)勵磁不能從硬(yìng)件技術上消除(chú)這種由于沖擊(ji)造成的幹擾⭐，要(yao)實現測量結果(guo)的穩定，隻能通(tōng)過調整勵磁頻(pin)率外加軟件手(shǒu)段加以消除，但(dan)有兩方面的缺(quē)陷：
（1）挖泥船上工(gōng)況複雜，挖泥工(gōng)況與合适勵磁(ci)頻率匹配問題(tí)很難完美解決(jué)，隻能通過現場(chang)不斷調試較合(hé)适的頻率參數(shu)。同一工㊙️地不同(tong)土質都需要改(gǎi)變頻率參數，以(yǐ)目前的現場條(tiao)件及技術水平(ping)，要做到這一步(bu)非常困難，目前(qián)基本上采用大(da)體♻️上可測量的(de)單一頻率。
（2）采用(yòng)軟件濾波降低(dī)由沖擊噪聲産(chǎn)生的波動幅度(dù)，波動♈幅度平滑(huá)程度越高，則測(cè)量結果的真實(shi)性和實時性就(jiu)😍越差，很多☔情況(kuang)下會導緻測量(liàng)結果失真，尤其(qí)當❗高流速、固體(ti)含量高、大顆粒(li)的工況。
　　而采用(yong)工頻（50Hz）電源交流(liu)勵磁方式，消除(chú)了電極表面🏃的(de)㊙️極化于🔱擾，抗固(gù)體顆粒撞擊電(dian)極形成尖峰狀(zhuang)噪聲能力強。由(yóu)于磁場是交變(bian)的，所以輸出信(xin)号也是交變信(xin)⭕号，放大和轉換(huan)低電平的交流(liu)信号要比直流(liu)信号容易得多(duo)。但值得注意的(de)是，用交流勵場(chang)會帶來一系列(liè)的電磁幹擾🌍問(wen)題。例如正交幹(gàn)擾、同相幹擾等(deng)，這些幹擾信号(hao)與有用🔆的流量(liàng)信号混雜在🙇‍♀️一(yī)起。因此，如何正(zhèng)确區分流量信(xin)号與幹擾信号(hào)，并如何有效地(dì)抑制和⚽排除各(ge)種幹擾信号，就(jiu)成爲交流勵磁(ci)電磁流量計成(cheng)功應用于液固(gu)兩相流體測量(liang)的關鍵點。
3信号(hào)處理的改進
　　液(ye)固兩相流介質(zhi)（尤其含大塊顆(ke)粒的情況）與測(ce)量管👌道的摩擦(cā)及對測量元件(jiàn)不定時的沖擊(ji)，會産生大量強(qiang)度的幹擾信💰号(hao)，常規信号處理(li)技術會造成💚測(ce)量結果大幅度(dù)波動🤩、回零等☎️現(xiàn)象，情況嚴重時(shí)會失去測量意(yi)義。對于信号處(chu)理有兩個難點(dian)：第一，如何将微(wei)弱的🤞流量信号(hao)與幹擾信号區(qū)分開來；第二，如(ru)何保證測量的(de)實時性和正确(que)率。解決幹擾的(de)辦法：
（1）首先需要(yào)設計合理的回(hui)路結構，利用信(xìn)号調理電路減(jiǎn)少❌大🐆部分幹擾(rǎo)信号。
（2）主控制電(diàn)路上通過相敏(min)檢波等一系列(liè)硬件電路再結(jie)合☁️軟件進行相(xiàng)位補償和零位(wèi)補償進一步消(xiāo)除正💔交幹擾信(xin)号和同相幹擾(rao)。　　爲了保證測量(liàng)的實時性和準(zhǔn)确性㊙️，先将勵㊙️磁(cí)信号👅和感生電(diàn)勢信号進行數(shù)字濾🤩波，再利用(yong)軟件算法進行(hang)除法運算得到(dao)流速信号，借此(cǐ)來得到穩定的(de)實時流速。
主控(kòng)制電路總體設(she)計方案如圖3所(suo)示。

　　電極檢測出(chu)的微弱感應電(dian)動勢E，先經前置(zhi)放大器的放大(dà)和噪聲抑制而(ér)成爲大幅度低(di)阻抗的電壓信(xin)号。此信号經相(xiàng)敏✔️檢波後，給CPU進(jin)行數字濾波、處(chu)理和控制，通過(guò)利㊙️用雙線性變(biàn)換法将模拟的(de)二階巴特沃斯(sī)低通濾波器轉(zhuan)換爲數字式濾(lü)波器，既簡化電(diàn)路設計，且⭕可靠(kào)性高、穩定性好(hao)。通過編寫軟件(jiàn)CPU能對放大器的(de)溫度漂移及零(líng)點漂移給予補(bǔ)償，并在測量的(de)全量程範♋圍内(nei)分10段對信号進(jìn)行非線性修正(zheng)，使得測量值更(geng)好🐆地拟合真實(shi)數據。
　　空管檢測(cè)電路上，CPU作爲從(cóng)控制器。當主控(kòng)制電路上發📱出(chu)空管檢測查詢(xún)信号wire，從控制器(qì)進行識别後接(jie)🆚收并判斷🏃🏻‍♂️出查(chá)詢什麽信号，然(rán)後産生應答信(xin)号上傳至主控(kong)芯片輸出顯示(shi)；當檢測爲空管(guǎn)信号時，從CPU發出(chu)的zero信号通過控(kòng)⭐制MOS管開關來關(guān)斷流速輸出。在(zai)應用中，對于微(wēi)弱信号的放大(dà)及提取還需注(zhù)意PCB闆設計時EMI電(diàn)磁🏃🏻屏蔽考慮，屏(píng)蔽來💜自空間磁(ci)場的幹擾、周邊(biān)設備的輻射造(zào)成的幹擾和闆(pan)内之間的幹擾(rǎo)，如數模分離、強(qiáng)弱電分離等等(děng)。
4空管檢測功能(néng)的實現方法研(yan)究
　　電磁流量計(ji)的測量方程是(shì)建立在流體滿(mǎn)管于測量管道(dao)的條件之下的(de)，在實際流量控(kong)制中主要是解(jie)決傳感器處于(yú)空管狀🈲态下的(de)流量值閉鎖問(wen)題［5］，具體是指當(dāng)傳感器電極部(bù)分或全部從流(liú)體中裸露出來(lai)時，系統應及時(shí)檢查到這一狀(zhuang)态并掐斷流速(su)，使流量計輸出(chū)爲0。由電磁流量(liàng)計（兩電極）傳感(gǎn)器與信号放大(dà)器組成如圖4所(suo)示信号測量關(guān)系。

　　其中S1、S2分别(bie)爲兩個電極，其(qí)等效原理如圖(tú)5所示。電路爲對(dui)稱結構，圖中e1和(hé)Z1分别是傳感器(qi)的流量信号和(hé)對應的流體阻(zǔ)抗，Z0爲💞放大器的(de)輸入阻抗。

　　如圖(tú)6所示爲附加激(jī)勵的實際原理(lǐ)圖。其中R是流體(ti)電阻，C1是激勵源(yuán)與傳感器電極(ji)及其放大器輸(shu)入的隔直電容(rong)，C2是信号電纜的(de)對地電容［6］。

　　國内EMF大都采(cai)用密度計跟流(liú)量計配套使用(yòng)，當密度🌏計檢測(ce)🈲密度⭕爲0時，判斷(duan)爲空管，關斷流(liu)量計輸出。也有(you)部🔴分電磁流量(liàng)計上使用空管(guǎn)檢測功能，但由(you)于采用相對電(dian)導率作爲判斷(duan)依據，一旦管道(dao)内有雜物流過(guò)或者撞擊電極(ji)時，都有可能使(shi)得相對電導率(lǜ)急劇變化。由于(yú)挖泥船管道内(nèi)流動的是液固(gù)兩🏒相流體，從而(ér)誤判爲空管，導(dǎo)緻正常施工過(guo)程中，流速測量(liàng)值回零現象時(shí)有發生，影響工(gong)程進度和施工(gong)量的計算。
　　采用(yong)絕對電導率測(ce)量方法，既可方(fang)便流量計獨立(lì)使用⛱️，也🌈克服🏃‍♀️了(le)相對電導率方(fang)法的弊端。解決(jué)的難點在于：一(yī)是如何将空管(guan)檢測信号與正(zhèng)常流速信号分(fèn)離開，二是如何(he)在信号線📐上走(zou)電源信号。解決(jue)的方法在于空(kong)管檢🏃‍♀️測信号利(lì)用高頻激勵與(yu)50Hz流速信号區分(fèn)開，但是頻率過(guò)高容易引起💋電(dian)極間電容産生(shēng)極化效應且不(bu)利于PCB布闆，最後(hòu)綜合考慮使用(yong)周期爲16μs的高頻(pin)正🏃🏻弦波勵♍磁。将(jiāng)空管檢測信号(hao)采用數據流進(jin)行傳輸，實現信(xin)号線的單線複(fú)💋用。爲了保🎯證微(wēi)弱的空管檢測(ce)信号不失♊真傳(chuan)輸，在流量計信(xìn)⭕号調理闆上就(jiu)近進行信号處(chu)理後，通過屏蔽(bì)電纜傳輸至主(zhu)控電路。空管檢(jiǎn)測信号采用單(dān)片機控制♌，可定(dìng)時采集當前流(liu)體的🔴電導率，與(yu)空管檢測的阈(yu)🐆值相比較，還可(kě)采樣勵磁電流(liú)并判斷‼️勵磁是(shi)否出現開路或(huo)者短✌️路故障。兩(liang)電極之間流體(tǐ)電阻計算公式(shi)如下：

　　由于兩電(diàn)極之間阻值不(bu)僅與溶液自身(shēn)有關，還與管道(dao)的💋内徑、電極的(de)截面積有關，因(yin)而将空管檢測(ce)的阈值設👌定爲(wèi)📱一個💃🏻可調參數(shù)，使其适用範圍(wei)更廣。這款大口(kou)徑管道上的電(diàn)磁流量計監測(cè)出管内空管、勵(li)磁開路或短路(lù)時，或者流量超(chāo)出設定上、下限(xian)👄值時，便會自動(dong)報警并作🙇🏻出相(xiàng)應動作。
5結論
　　将(jiāng)本文所述新型(xing)挖泥船電磁流(liú)量計安裝到挖(wa)泥船後，從根本(běn)上解決了挖泥(ni)施工過程中流(liú)速測量的穩定(ding)性問題，并且測(cè)量數據的實時(shí)性得到極大提(ti)高，有‼️效測量時(shi)間最短可達到(dao)200ms。此外設備精度(du)達到0.5級，在指導(dǎo)挖泥施工過程(chéng)中發揮了良好(hao)作用。

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