0引言(yán)
　　挖泥船電磁流(liu)量計用來指導(dǎo)挖泥船操作施(shi)工，防止堵管、悶(mèn)耙，與密度測量(liàng)設📧備一起使用(yòng)構成産量計，爲(wei)施工操作與管(guan)理提供決🏃‍♂️策數(shu)據，有利于提高(gāo)施工效率。其測(ce)量介🔆質爲液固(gù)兩相🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流體，有别(bie)于通💛常意義下(xia)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(cí)感應定律制成(cheng)的一種測量導(dao)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(xìng)好㊙️、測量精度高(gāo)、測量範圍和适(shi)用範圍廣、耐腐(fu)蝕⛹🏻‍♀️性能強，可以(yi)解決其他✌️流量(liàng)計不易解決的(de)問題，如髒污流(liu)、腐💰蝕流等的測(ce)量［2］。
　　目前國内應(yīng)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(bú)高、流速不穩、空(kong)管檢測易失常(cháng)等諸多🔆問題。對(dui)此，我們進行了(le)相關研究并提(tí)出🔅相應改進措(cuo)施，現已研發出(chu)一種專門用于(yu)挖泥船的電磁(cí)流量計，在耙吸(xi)式挖泥船上成(cheng)功應用，取得🔴了(le)很好的效果。本(běn)文通過💜信号處(chù)理和空管檢測(cè)功能詳細介紹(shào)該新型挖泥船(chuan)電💜磁流量計。
1電(diàn)磁流量計工作(zuò)原理
　　電磁流量(liang)計分爲傳感器(qì)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(wèi)電信🌏号，轉換器(qi)是把傳感器輸(shū)出的電信号進(jin)行有🏃🏻‍♂️用信号識(shí)别提取并進行(hang)相關處理，用于(yu)主機顯示👣，主要(yào)由勵磁電路、信(xìn)号調理電路、微(wēi)處理電路等部(bù)分組成。圖1爲🧡傳(chuan)感器工作原理(li)示意圖。

　　根據(ju)法拉第電磁感(gan)應定律，當一導(dǎo)體在磁場中運(yun)動而🏃‍♂️切割磁力(lì)線時，在導體兩(liang)端便會産生感(gan)應電🔞動勢🌈。設在(zài)均勻磁場中，垂(chuí)直于磁場方向(xiang)有一個直徑爲(wei)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(dian)液體就切割磁(ci)力線，因而在磁(ci)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(dào)截面垂直于磁(cí)場的直徑兩端(duan)安🎯裝一對電極(ji)，隻要管道内流(liú)速υ爲軸對稱分(fen)布，兩極之間就(jiù)會産生感應電(diàn)動勢［3］，此感應電(diàn)動勢❤️與流速具(ju)有線性關系。其(qí)表達式爲：
E=K·B·D·V（1）
　　式中(zhōng)：V爲測量管道内(nei)截面上的平均(jun1)流速（m/s）；
K爲儀表常(chang)數；
D爲測量管内(nei)直徑（m）；
B爲磁感應(ying)強度（T）。
　　轉換器将(jiang)此感應電動勢(shì)測出，再根據線(xian)性關系式即🥰可(ke)🙇‍♀️得出流速信号(hao)。圖2爲電磁流量(liang)計整體設計示(shì)意圖。

　　考慮到傳(chuán)感器出來的微(wēi)弱信号容易在(zai)傳輸線上損耗(hào)，故而📞電😘極信号(hao)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(chuan)輸至🔞轉換器上(shàng)的主控電路☔。
　　結(jié)構上管道本身(shēn)就是個大的屏(píng)蔽體，防止勵磁(ci)線圈磁場洩露(lù)，信号采用屏蔽(bì)線傳輸，減少線(xiàn)與線之間信🈲号(hao)幹♍擾，以及空間(jiān)傳播的幹擾，保(bao)證信号的完🧡整(zhěng)性。
　　電路上采用(yong)雙核主從式控(kong)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(jī)技術，使其各方(fāng)面性能大🙇‍♀️大提(tí)高，更加智‼️能化(huà)，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(chuán)流量計大多采(cai)用低頻方波勵(lì)磁方式，其主要(yào)特點是能避免(miǎn)零點漂移及無(wu)正交幹擾，抗同(tong)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(zhuang)擊電極，表面電(dian)位變化形成尖(jian)峰狀噪聲，信✌️号(hào)呈現大幅度波(bō)動💞。而低頻方波(bo)勵磁不能從硬(ying)件技術上消除(chu)這種由于沖擊(ji)造成的幹擾🔅，要(yào)實現測量結果(guǒ)的穩定，隻能通(tong)過調整勵磁頻(pin)率外加軟件手(shou)段加以消除，但(dan)有兩方面的缺(que)陷：
（1）挖泥船上工(gong)況複雜，挖泥工(gōng)況與合适勵磁(ci)頻率匹☂️配問題(ti)很難完美解決(jue)，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(yi)目前的現場條(tiáo)件🙇‍♀️及技術水平(píng)，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(yong)軟件濾波降低(dī)由沖擊噪聲産(chan)生的波動幅度(du)，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(jiù)越差，很多情況(kuang)下會導緻測量(liàng)結果失真，尤其(qi)當高流速、固體(tǐ)含量高、大顆粒(li)的工況。
　　而采用(yòng)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(gu)體顆粒撞擊電(diàn)極形成尖峰狀(zhuang)噪🈲聲能力強。由(you)于磁場是交變(biàn)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(liú)信号容易得多(duo)。但值得注意的(de)是，用交流勵場(chǎng)會🌈帶來一系列(lie)的電磁幹擾問(wen)題。例如正交幹(gan)擾、同相幹擾等(děng)，這些幹擾信号(hào)與有用的流量(liang)信号混雜在一(yi)起。因此，如何正(zheng)确區分👈流量信(xìn)号⭐與幹擾信号(hào)，并如何有效地(dì)抑制和♉排除各(gè)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(hao)處理的改進
　　液(ye)固兩相流介質(zhì)（尤其含大塊顆(ke)粒的情況）與測(cè)量管道的摩擦(cā)及對測量元件(jiàn)不定時的沖擊(jī)，會産生大量🏃🏻強(qiang)度的幹擾信号(hào)，常規信号處理(lǐ)技術會造成🈲測(ce)量結果大幅🎯度(dù)波動、回零等現(xian)象，情況嚴重時(shi)會🐅失去測量意(yì)義。對于信号處(chu)理有兩個難點(dian)：第一，如何将微(wēi)弱的流量信号(hào)與幹擾信号區(qu)分開來；第二，如(ru)何保證測量的(de)實時性和正确(què)率。解決幹擾的(de)辦法：
（1）首先需要(yao)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(dian)路上通過相敏(min)檢波等一系列(lie)硬件電路再🐪結(jié)🤩合軟件進行相(xiang)位補償和零位(wei)補償進一步消(xiāo)除正交幹擾信(xin)号和同相幹擾(rǎo)。　　爲了保證測量(liang)的實時性和準(zhǔn)确性，先将勵磁(ci)信号👈和感生👅電(diàn)勢信号進行數(shu)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(ci)來得到穩定的(de)實時流速。
主控(kong)制電路總體設(shè)計方案如圖3所(suo)示。

　　電極檢測出(chu)的微弱感應電(diàn)動勢E，先經前置(zhi)放大器的🌈放大(dà)和噪聲抑制而(er)成爲大幅度低(dī)阻抗的電壓信(xin)号。此信号經相(xiang)敏檢波後，給CPU進(jìn)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(si)低✂️通濾波器💛轉(zhuǎn)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(hǎo)。通過編寫軟件(jian)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(gèng)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(kong)制電路上🏃🏻發出(chū)空管檢📞測查詢(xun)信号wire，從控制器(qi)進行識别後接(jie)收并判斷❗出查(cha)詢什⛱️麽信号，然(ran)後産生應答信(xìn)号上傳至主控(kòng)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(guan)斷流速輸出。在(zài)應用中，對于微(wei)弱信号的放大(da)及提取還需注(zhu)意PCB闆設計時EMI電(diàn)磁屏蔽考慮，屏(píng)蔽來自空間磁(cí)場的幹擾⛹🏻‍♀️、周邊(biān)設備的輻射👅造(zào)成的😘幹擾和闆(pǎn)内之間的幹擾(rǎo)，如數模分離、強(qiang)弱電分離等等(deng)。
4空管檢測功能(néng)的實現方法研(yan)究
　　電磁流量計(jì)的測量方程是(shi)建立在流體滿(mǎn)管于測量管道(dào)的♉條件之下的(de)，在實際流量控(kong)制中主要是💃解(jiě)決傳感👅器處于(yu)空管狀❌态下的(de)流量值閉鎖問(wèn)題［5］，具體是指當(dang)傳感器電極部(bu)分或全部從流(liu)體中裸露出來(lái)時🈲，系統應及時(shí)檢查到這一狀(zhuàng)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(gan)器🐇與信号放大(da)器💃組成如圖4所(suo)示信号測量關(guān)系。

　　其中S1、S2分别(bié)爲兩個電極，其(qi)等效原理如圖(tu)5所示。電路🐅爲🌍對(duì)稱結構，圖中e1和(hé)Z1分别是傳感器(qi)的流量信号和(he)🙇‍♀️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(li)圖。其中R是流體(ti)電阻🔴，C1是激勵⛱️源(yuan)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(liu)量計配套使用(yong)，當密度計檢測(ce)密🍓度爲0時，判斷(duan)爲空管，關斷流(liú)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(diàn)導率作爲判斷(duan)依據，一旦管道(dào)内有雜物流過(guò)或者撞擊電♍極(jí)時，都有可能使(shi)得相對電導率(lǜ)急劇變化。由于(yu)挖泥船管道内(nèi)流動的是液固(gu)兩相流體，從而(ér)✂️誤🔴判爲空管，導(dǎo)緻正常施工過(guò)程中，流速測量(liàng)值回零現象時(shí)有🎯發生，影響工(gōng)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(li)使用，也🈲克服♻️了(le)相對電導率方(fang)法的弊端。解決(jue)的難點在于：一(yi)是如何将✊空管(guǎn)檢測信号與正(zheng)常流速信号分(fèn)離🤞開，二是如何(hé)在信号線上走(zǒu)電源信号。解決(jué)的方法在于空(kōng)管檢測信号利(lì)用高頻激勵與(yǔ)50Hz流速🌏信号區分(fen)開，但是頻率過(guo)高容易引起電(diàn)極間電容産生(sheng)極化效應且不(bú)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(jiang)空管檢測信号(hao)采用數據流進(jìn)行傳輸，實現信(xìn)号線的單線複(fu)用。爲了保證微(wei)弱的空管檢測(ce)信号不失🔅真傳(chuan)輸，在流量♋計信(xin)号調理闆上就(jiu)近進行信号處(chu)理後，通過屏蔽(bi)電纜傳輸至主(zhǔ)控❗電路。空管檢(jiǎn)測信号采用單(dan)片機控制，可定(dìng)🌈時采集當前流(liu)體的電導率，與(yǔ)空管檢測的阈(yu)值相比較，還可(ke)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(ti)電阻計算😍公式(shì)如下：

　　由于兩電(dian)極之間阻值不(bú)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(yīn)而将空管檢測(ce)的阈值設定爲(wei)🏃‍♂️一個可調參數(shu)，使其适用範圍(wéi)更廣。這款大口(kou)徑管道上的電(diàn)磁流量計監測(ce)出管内空管、勵(lì)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(dòng)報警并作出相(xiàng)應動作。
5結論
　　将(jiang)本文所述新型(xíng)挖泥船電磁流(liu)量計安裝到挖(wā)泥船後，從根本(běn)上解決了挖泥(ní)施工過程中流(liu)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(tí)高，有效測量時(shí)間最👌短可達✏️到(dao)200ms。此外設備精度(du)達‼️到0.5級，在指導(dao)挖泥施🌈工過程(cheng)中發揮了良好(hao)作用。

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