0引言(yan)
　　挖泥船電磁流量(liang)計用來指導挖泥(ni)船操作施工，防止(zhi)堵管、悶耙，與密度(dù)測量設備一起使(shi)用構成産量計，爲(wèi)施工操作與管理(lǐ)提供決策數據，有(yǒu)利于提高施工效(xiào)率。其測量介質爲(wèi)液固兩相流體，有(you)别于通常意義下(xià)的單一介質，測量(liang)難☁️度大大增加。而(er)電磁流量計（EMF）是根(gen)據電磁感應定律(lǜ)制成的一種測量(liàng)導電性流體流量(liàng)的儀表［1］。與現有各(gè)種流量儀表相比(bi)，其直線性好、測量(liàng)精度高、測量範圍(wéi)和适用範圍廣、耐(nài)腐蝕性能強，可以(yǐ)解決其他流量計(ji)不易解決的問題(tí)，如👅髒污流、腐蝕流(liu)等的✏️測量［2］。
　　目前國(guo)内應用于挖泥船(chuán)的電磁流量計大(da)多存在零點漂移(yi)、轉換精度不高、流(liu)速不穩、空管檢測(ce)易失常等諸多問(wèn)題🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。對此，我們進行(háng)了相關研究并提(ti)出相應改進措施(shī)，現已研發出一種(zhong)專門🍉用于挖泥船(chuan)的電磁流量計，在(zai)耙吸式挖泥船上(shàng)成功應用，取得了(le)很好的效果。本文(wén)通過信号處理和(he)空管檢測功能詳(xiáng)細介紹該新型挖(wā)泥船電🈲磁流量計(ji)。
1電磁流量計工作(zuò)原理
　　電磁流量計(jì)分爲傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分。傳感(gǎn)器是把流過管道(dào)内的導電流體的(de)流速信号轉換爲(wei)電信号，轉換器是(shi)把傳感器輸出的(de)電信号進行有用(yòng)信号🎯識别提取并(bìng)進行相關處理，用(yòng)于主機顯示，主要(yào)由勵🛀磁電路、信❄️号(hao)調理電路、微處理(lǐ)電路等部分組成(chéng)。圖1爲傳感器工作(zuò)原理示意圖。

　　根據法(fǎ)拉第電磁感應定(dìng)律，當一導體在磁(cí)場中運動而💞切割(ge)🔅磁力線時，在導體(tǐ)兩端便會産生感(gan)應電動勢💔。設在🌈均(jun)勻磁場中，垂🚶直于(yu)磁場方向有一個(ge)直徑爲D的管道。管(guǎn)道由不導磁材料(liào)制成，内表面加絕(jue)緣襯裏。當導電的(de)液體在管道☀️中流(liú)動時，導電液體♉就(jiu)切割磁力⚽線，因而(ér)在磁場及流動方(fang)🈲向垂直的方❄️向将(jiāng)産生感應電動勢(shì)。如果在管道截面(mian)垂直于磁場的直(zhi)徑兩端安♊裝一對(dui)電極，隻要管道内(nèi)流速υ爲軸對稱分(fen)布，兩極之間就會(huì)産生感應電動勢(shì)［3］，此感應電動勢📱與(yu)流速具有線性關(guān)📧系。其表達式爲：
E=K·B·D·V（1）
　　式(shì)中：V爲測量管道内(nèi)截面上的平均流(liú)速（m/s）；
K爲儀表常數；
D爲(wèi)測量管内直徑（m）；
B爲(wei)磁感應強度（T）。
　　轉換(huan)器将此感應電動(dong)勢測出，再根據線(xian)性關系式即可得(de)出流速信号。圖2爲(wei)電磁流量計整體(ti)設計示意圖。

　　考慮到傳(chuan)感器出來的微弱(ruò)信号容易在傳輸(shu)線上損耗，故而電(dian)極信号調理闆和(he)空管檢測功能闆(pǎn)就近放💋置于傳感(gǎn)🤞器出線口📞，調理後(hou)經屏蔽線傳輸至(zhì)🍓轉換器上的主控(kòng)電路。
　　結構上管道(dao)本身就是個大的(de)屏蔽體，防止勵磁(ci)線圈♌磁⭐場洩露，信(xin)号采用屏蔽線傳(chuán)輸，減少線與線之(zhi)間信号幹擾，以🔞及(jí)空間傳播的幹擾(rǎo)，保證信号的完✌️整(zhěng)性。
　　電路上采用雙(shuang)核主從式控制，方(fāng)便流速測量及其(qí)空管檢測，克服了(le)以往電磁流量計(jì)需要配合密度計(ji)來使用的缺陷；同(tóng)♈時利用微機技術(shù)，使其各方面⭕性能(néng)大大提高，更加智(zhì)🚶‍♀️能化，更加便于管(guan)理施工。
2勵磁方式(shi)的合理選擇
　　目前(qian)國産挖泥船流量(liang)計大多采用低頻(pin)方波勵磁方式，其(qi)主要特點是能避(bi)免零點漂移及無(wu)正交幹擾，抗同相(xiang)幹擾能力較好［4］。但(dan)對于液固兩相流(liu)體而言，當固🔞體顆(kē)粒撞擊電極，表面(mian)電位變化形成尖(jian)峰狀噪聲，信⛷️号呈(cheng)現大♻️幅度波動。而(er)低頻方波勵磁不(bú)💃能從硬件技術上(shàng)消除這‼️種由于沖(chong)擊造成的幹擾，要(yao)實現測量㊙️結🐉果的(de)穩定，隻能👅通過調(diao)整勵磁頻率外加(jiā)軟件♋手段加以消(xiāo)除🔴，但有兩方面的(de)缺陷：
（1）挖泥船上工(gong)況複雜，挖泥工況(kuàng)與合适勵磁頻率(lǜ)匹配問題🈲很難完(wan)美解決，隻能通過(guò)現場不斷調試較(jiào)🐕合适的頻♻️率參🌈數(shù)。同一工地不同土(tu)質都需要改變頻(pin)率參👅數，以目前的(de)現場條件及技術(shù)水平，要做到🛀這一(yi)步非常困難，目前(qián)基本上采用大體(tǐ)上可測量的單一(yī)頻率♻️。
（2）采用軟件濾(lǜ)波降低由沖擊噪(zào)聲産生的波動幅(fu)度⛷️，波動幅🌐度平滑(hua)程度越高，則測量(liang)結果的真實性和(he)實時性就越差，很(hen)多情況下會導緻(zhì)測量結果失真，尤(you)其當🌈高流速、固體(ti)含量高、大顆粒的(de)工況。
　　而采用工頻(pín)（50Hz）電源交流勵磁方(fāng)式，消除了電極表(biao)面的🈲極化于擾，抗(kàng)固體顆粒撞擊電(diàn)極形成尖峰狀噪(zao)聲能力強🔞。由于磁(ci)場是交變的，所以(yi)輸出信号也是交(jiāo)變信号，放大和轉(zhuǎn)換低電平🥵的交流(liu)信号要比直流信(xìn)号容易得多。但值(zhi)得注意的是，用交(jiao)😄流勵場會帶來一(yi)系列的電磁幹擾(rao)問題。例如正交幹(gàn)擾、同相幹擾等，這(zhè)些幹擾信号與有(yǒu)用⭐的流量信号混(hùn)雜在一起。因此，如(ru)何正确區分流量(liàng)信号與幹擾信号(hao)，并如何有效地抑(yì)制和排除各種幹(gàn)擾信号👨‍❤️‍👨，就成爲交(jiāo)流勵磁電磁流量(liàng)計成功應用于液(yè)固兩相流體測量(liàng)的關鍵點。
3信号處(chù)理的改進
　　液固兩(liǎng)相流介質（尤其含(han)大塊顆粒的情況(kuàng)）與測量管道✏️的摩(mo)擦🐉及對測量元件(jiàn)不定時的沖擊，會(huì)産生大量強度🔆的(de)幹擾信号，常規信(xin)号處理技術會造(zao)成測量結🌈果大幅(fú)度波動、回零等現(xiàn)象，情💋況嚴重時會(hui)失去測量意義。對(duì)于信号處理有兩(liang)個難點：第一，如何(he)将微弱的流量信(xin)号與幹擾信号區(qū)分開來；第二，如何(hé)保證測量的實時(shi)性和正确率。解決(jué)幹擾的辦法：
（1）首先(xiān)需要設計合理的(de)回路結構，利用信(xìn)号調理電🛀🏻路🌈減少(shǎo)大部⭐分幹擾信号(hao)。
（2）主控制電路上通(tōng)過相敏檢波等一(yi)系列硬件電路💋再(zài)✂️結合軟件⁉️進行相(xiang)位補償和零位補(bu)償進一步消除正(zhèng)交幹擾信号和同(tong)相幹擾。　　爲了保證(zheng)測量的實時性和(hé)準确性，先将勵磁(ci)信号和感生電勢(shì)信号進行數字濾(lü)波，再利用軟件算(suan)法進行除法運算(suan)得到流速信号，借(jie)🈲此來得到穩定的(de)實時流⭕速。
主控制(zhì)電路總體設計方(fang)案如圖3所示。

　　電極(ji)檢測出的微弱感(gǎn)應電動勢E，先經前(qian)置放大器的放大(dà)和噪♋聲抑制而成(cheng)爲大幅度低阻抗(kang)的電壓信号。此信(xìn)号經相敏檢波後(hou)，給CPU進行數字濾波(bō)、處理和控制，通過(guo)利用雙線性變換(huàn)法将模拟的二階(jiē)巴特沃斯低通濾(lǜ)波器轉換爲數字(zi)式濾波器，既簡化(hua)👅電路設計，且🐉可靠(kào)性高、穩定性好。通(tong)過編寫軟件CPU能🏃對(dui)放大器的溫度漂(piao)移及零點漂移給(gěi)予補償，并在測量(liàng)的全量程範圍内(nei)分10段對信号進行(hang)非線性修🏃正，使得(dé)測量值更好地拟(nǐ)合真實數據。
　　空管(guǎn)檢測電路上，CPU作爲(wèi)從控制器。當主控(kòng)制電路上發出空(kong)管檢測查詢信号(hao)wire，從控制器進行識(shí)别後接收并判斷(duàn)出查詢什♍麽信号(hao)，然後産生應答信(xin)号上傳至主控芯(xīn)片輸出顯示；當檢(jian)測爲空管信号時(shí)，從CPU發出的zero信号通(tong)過控制MOS管開關來(lái)關斷流🤩速輸出。在(zai)應用中，對于微弱(ruo)信号的🏃🏻放大及提(tí)取還需注意PCB闆⛱️設(shè)計時EMI電磁屏蔽考(kao)慮，屏蔽來自空間(jian)磁場的幹擾、周邊(biān)設備的輻射造成(cheng)的幹擾和闆内之(zhī)間的幹擾，如數模(mó)分離、強弱電🤞分離(li)等等。
4空管檢測功(gong)能的實現方法研(yán)究
　　電磁流量計的(de)測量方程是建立(li)在流體滿管于測(cè)量管道的條件之(zhi)下的，在實際流量(liàng)控制中主要是解(jiě)決傳感器處于空(kong)🙇‍♀️管狀态下的流量(liàng)值閉鎖問題［5］，具體(tǐ)是指當傳感器電(dian)⛷️極部分或全部從(cong)流體中裸露出來(lai)時🔱，系統應及時檢(jiǎn)查到這一狀态并(bing)掐斷流速，使流量(liàng)計輸出爲0。由電磁(ci)流量計（兩電極）傳(chuán)感器與信号放大(da)器組成如圖4所示(shì)信号測量關系。

　　其中(zhōng)S1、S2分别爲兩個電極(ji)，其等效原理如圖(tú)5所示。電路爲對稱(chēng)結構，圖中e1和Z1分别(bie)是傳感器的流量(liang)信号和對應的流(liu)體阻💛抗，Z0爲放大🌏器(qì)的輸入阻抗。

　　如圖(tú)6所示爲附加激勵(lì)的實際原理圖。其(qi)中R是流體電阻🚩，C1是(shì)激勵源與傳感器(qì)電極及其放大器(qì)輸入的隔直電容(róng)，C2是信⛱️号電纜的對(dui)地電容［6］。

　　國内EMF大(dà)都采用密度計跟(gēn)流量計配套使用(yong)，當密度計檢測密(mi)度爲0時，判斷爲空(kōng)管，關斷流量計輸(shū)出。也有部♻️分電磁(ci)流量計⛹🏻‍♀️上使用空(kōng)管檢測功能，但由(you)于✊采用相對電導(dao)率作爲💜判斷依據(jù)，一旦🆚管道内有雜(za)物流過或者撞擊(ji)電極時，都有可能(neng)使得相對電導率(lü)急劇變化。由于挖(wa)泥船🌐管道内流動(dòng)的是液固兩相流(liú)體，從而⭕誤判爲空(kong)管，導緻正常施工(gong)過程✉️中，流速測量(liang)值⭐回零現象時有(yǒu)發生，影響工程進(jìn)度和施工量的計(ji)算。
　　采用絕對電導(dao)率測量方法，既可(ke)方便流量計獨立(lì)㊙️使用🔴，也👉克服了相(xiang)對電導率方法的(de)弊端。解決的難🔞點(diǎn)在于：一🚩是如何将(jiang)空管檢測信号與(yǔ)正常流速信🐪号分(fèn)離開，二是如何在(zai)信号線上走電源(yuan)信号。解決♍的方法(fǎ)在🛀于空管檢🈚測信(xin)号利用高頻激勵(lì)與50Hz流速信号區分(fen)開，但是頻率過高(gao)容易引起電極間(jiān)電容産生極化效(xiao)🏃🏻應且不利于PCB布闆(pan)，最後綜合考慮使(shǐ)用周期爲16μs的高頻(pin)正弦波勵🌂磁。将空(kong)管👨‍❤️‍👨檢測信号采用(yong)數🈲據流進行傳輸(shu)，實現信号線的單(dan)線複用。爲了保證(zhèng)微弱的空管檢測(cè)信号不失真傳輸(shu)，在流量計信🏃‍♂️号調(diao)理闆上就近進行(hang)信号處理後，通過(guò)🏒屏蔽電纜傳輸至(zhi)主控㊙️電路。空管檢(jian)測信号采用單片(pian)機控制，可定時采(cai)集當前流體的電(dian)導率，與空管檢測(ce)的阈值相比較♋，還(hai)可采樣勵磁電流(liu)并判斷勵磁是否(fǒu)出現開路或者短(duan)路故🌈障。兩電極之(zhi)間流體電阻計算(suan)公式如下：

　　由于兩(liǎng)電極之間阻值不(bú)僅與溶液自身有(yǒu)關，還與管道的内(nèi)徑、電極的截面積(ji)有關，因而将空管(guan)檢測的阈值設定(dìng)爲一個可調參數(shu)，使其适用範圍更(geng)廣。這款大口徑管(guǎn)道上的電磁流量(liang)計監測出管内空(kong)管、勵磁開路或短(duǎn)路時，或者流量超(chao)出設🚩定上、下限值(zhí)時，便會自動報警(jing)并作☀️出相應動作(zuo)。
5結論
　　将本文所述(shu)新型挖泥船電磁(cí)流量計安裝到挖(wa)泥船後，從根本上(shang)解決了挖泥施工(gong)過程中流速測量(liàng)的穩定性問題，并(bìng)且測量數據的實(shí)時性得到極大提(tí)高，有效測量時間(jiān)最短可達到200ms。此外(wài)設備精度達到0.5級(jí)，在指🈲導挖泥施工(gōng)過程中發揮了良(liáng)好作用。

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