0引言
　　挖(wa)泥船電磁流(liu)量計用來指(zhǐ)導挖泥船操(cāo)作施工，防止(zhǐ)堵管、悶耙，與(yu)密度測量設(she)👈備❓一☀️起使用(yòng)構成産量計(jì)，爲施工操作(zuo)與管理提供(gong)決策數🙇🏻據，有(you)利于提高施(shi)工效率。其測(cè)量介質爲液(ye)固兩相流體(ti)，有别于通常(chang)意義下的單(dan)一介質，測量(liàng)難度大大增(zēng)加。而電磁流(liú)量計（EMF）是根據(ju)電磁感應定(ding)律制成的一(yi)種測量導電(diàn)性流體流量(liang)的💋儀表［1］。與現(xiàn)有各種流量(liang)儀表相比，其(qi)直線性好、測(cè)量精度高、測(ce)量範圍和适(shi)用範圍廣、耐(nai)腐蝕性能強(qiang)，可以解決其(qí)他流量計不(bú)易解決的問(wèn)題，如髒污流(liu)、腐蝕流等的(de)測量［2］。
　　目前國(guo)内應用于挖(wā)泥船的電磁(ci)流量計大多(duo)存在👉零🔞點漂(piao)移、轉換精度(du)不高、流速不(bu)穩、空管檢測(cè)易失常等諸(zhu)多🌈問題。對此(cǐ)，我們♊進行了(le)相關研究并(bìng)提出相應改(gai)進措施，現已(yǐ)研發出一種(zhong)專門用于挖(wa)泥船😍的電磁(cí)流量計，在耙(pa)吸式挖泥船(chuan)上成功應用(yòng)，取得了很好(hǎo)的效果。本文(wen)通過信号處(chù)理和空管檢(jiǎn)測功能詳細(xì)介紹該🌈新型(xíng)挖泥船電🈲磁(cí)流量計。
1電磁(ci)流量計工作(zuo)原理
　　電磁流(liu)量計分爲傳(chuan)感器和轉換(huàn)器兩部分。傳(chuan)感器是把流(liú)過管🔞道内的(de)導電流體的(de)流速信号轉(zhuǎn)換爲電信号(hao)，轉換器是把(bǎ)傳感器輸出(chu)的電信号進(jin)行有用信号(hao)識别提取并(bing)進行相關處(chu)理，用于主機(jī)顯示，主要由(you)勵磁電路、信(xin)号調理電路(lù)、微處理電路(lu)等部分組成(chéng)。圖1爲傳感器(qi)工作原理示(shì)意圖。

　　根據法拉第(di)電磁感應定(ding)律，當一導體(tǐ)在磁場中運(yun)🌍動而切割🧑🏽‍🤝‍🧑🏻磁(ci)🐅力線時，在導(dǎo)體兩端便會(hui)産生感應電(dian)動勢。設在🚩均(jun1)勻磁場中，垂(chui)🏃直于磁場方(fāng)向有一個直(zhí)徑爲D的管道(dao)。管道由不導(dǎo)磁材料制成(chéng)👣，内表面加絕(jue)緣襯裏。當導(dao)電的液體在(zài)管道❗中流動(dòng)時，導電液體(ti)就切割磁力(lì)✊線，因而在磁(cí)場及流動方(fang)向垂直的方(fāng)向将産生感(gan)應電動勢。如(rú)果在管道截(jié)面垂直于磁(ci)場的直徑兩(liang)端安裝一對(dui)電極，隻要管(guǎn)道内流速υ爲(wèi)軸對稱分布(bu)，兩極之間就(jiu)會産生感應(yīng)電動勢［3］，此感(gan)應電動勢與(yu)流速具有線(xiàn)性關系。其表(biao)達式爲：
E=K·B·D·V（1）
　　式中(zhōng)：V爲測量管道(dào)内截面上的(de)平均流速（m/s）；
K爲(wèi)儀表常數；
D爲(wei)測量管内直(zhí)徑（m）；
B爲磁感應(yīng)強度（T）。
　　轉換器(qì)将此感應電(diàn)動勢測出，再(zai)根據線性關(guān)系式即可得(dé)出流速信号(hao)。圖2爲電磁流(liú)量計整體設(she)計示意圖。

　　考慮到傳(chuán)感器出來的(de)微弱信号容(róng)易在傳輸線(xiàn)上損耗，故而(ér)電🌈極信号調(diao)理闆和空管(guǎn)檢測功能闆(pan)就近放置于(yú)傳感器出🧡線(xian)口，調理後經(jing)屏蔽線傳輸(shu)至♈轉換器上(shàng)的主控電路(lu)。
　　結構上管道(dao)本身就是個(ge)大的屏蔽體(ti)，防止勵磁線(xiàn)圈磁場洩露(lu)，信号采用屏(píng)蔽線傳輸，減(jian)少線與線之(zhi)間信号幹擾(rao)，以🏃‍♀️及空間傳(chuan)播的幹擾，保(bao)證信号的完(wán)🔞整性。
　　電路上(shang)采用雙核主(zhǔ)從式控制，方(fāng)便流速測量(liang)及其空管檢(jian)測👉，克服了以(yǐ)往電磁流量(liang)計需要配合(hé)密度‼️計來使(shi)用的缺陷；同(tong)時利用微機(jī)技術，使其各(ge)方面性能大(da)大提高，更加(jiā)智能化，更加(jiā)便于管理施(shi)工。
2勵磁方式(shì)的合理選擇(zé)
　　目前國産挖(wa)泥船流量計(ji)大多采用低(di)頻方波勵磁(cí)方式，其主要(yao)特點是能避(bi)免零點漂移(yi)及無正交幹(gan)擾，抗同相幹(gan)擾能力✔️較好(hao)［4］。但對于液固(gù)兩相流體而(ér)言，當固⁉️體顆(ke)粒撞擊電極(jí)，表面電位變(biàn)化形成尖峰(feng)狀噪聲，信号(hào)呈現大幅度(dù)波動。而低頻(pin)方🔴波勵磁不(bú)🤞能從硬件技(ji)術上消除這(zhe)種由于沖擊(ji)造成的幹擾(rao)⛹🏻‍♀️，要實現測量(liàng)💜結果的穩定(dìng)，隻能通過調(diào)整勵磁頻率(lü)外加軟件手(shou)段加以消除(chu)，但有兩方面(miàn)的缺陷：
（1）挖泥(ní)船上工況複(fu)雜，挖泥工況(kuàng)與合适勵磁(ci)頻率匹配問(wen)題很難完美(mei)解決，隻能通(tōng)過現場不斷(duàn)調試較合适(shi)的頻率參數(shù)。同😘一工地不(bu)同土質都需(xū)要改變頻率(lǜ)參數，以目前(qián)的現場條件(jian)及技術水平(ping)，要做到這一(yī)步非常困難(nán)，目✉️前基本上(shàng)采用大體上(shàng)可測量的單(dān)一頻率。
（2）采用(yòng)軟件濾波降(jiàng)低由沖擊噪(zào)聲産生的波(bo)動幅度，波動(dòng)幅度平滑程(chéng)度越高，則測(cè)量結果的真(zhēn)實性和☔實時(shí)性就越差，很(hen)多情況下會(huì)導緻測量結(jie)果失真，尤其(qí)當高流速、固(gù)體含量高、大(dà)顆粒的工況(kuang)。
　　而采用工頻(pín)（50Hz）電源交流勵(lì)磁方式，消除(chú)了電極表面(miàn)的極化于擾(rǎo)，抗固體顆粒(lì)撞擊電極形(xing)成尖峰狀噪(zao)聲能力強。由(yóu)于磁場是交(jiao)變的，所以輸(shu)出信号也是(shi)交變信号，放(fang)大和轉換低(dī)電平的交流(liu)信号要比直(zhí)流信号容易(yi)得多。但值得(de)注意的是，用(yong)交流勵場會(huì)✔️帶來一系列(lie)的電磁幹擾(rǎo)問題。例如正(zhèng)交幹擾、同相(xiàng)⭐幹擾等，這些(xiē)幹擾信号與(yu)有用的流量(liang)信号混雜在(zài)一起。因此，如(ru)何正确區分(fèn)🌏流量信号與(yu)幹擾信号，并(bìng)如何有效地(dì)抑制和🎯排除(chú)各種幹擾信(xin)号🔞，就成爲交(jiāo)㊙️流勵磁電磁(cí)流量計成功(gong)應用⛷️于液固(gù)兩相流體測(cè)🥰量的關鍵點(diǎn)。
3信号處理的(de)改進
　　液固兩(liang)相流介質（尤(yóu)其含大塊顆(kē)粒的情況）與(yǔ)測量管道的(de)摩擦及對測(ce)量元件不定(dìng)時的沖擊，會(huì)産生♉大量💃強(qiáng)度✏️的幹擾信(xìn)🐕号，常規信号(hào)處理技術會(hui)造成測量結(jié)💰果大幅度波(bō)動、回零等現(xian)象，情❄️況嚴重(zhong)時會🌈失去測(cè)量意義。對于(yú)信号處理有(yǒu)兩個難點：第(dì)一，如何将微(wei)弱的流量信(xin)号與幹擾信(xìn)号區分開來(lái)；第二☁️，如何保(bao)證測量的實(shí)時性和正确(què)率。解決幹擾(rǎo)🏒的辦💔法：
（1）首先(xiān)需要設計合(hé)理的回路結(jié)構，利用信号(hao)調理電路減(jiǎn)少大部分幹(gan)擾信号。
（2）主控(kòng)制電路上通(tong)過相敏檢波(bo)等一系列硬(ying)件電路再結(jie)合🏃軟件進行(hang)相位補償和(hé)零位補償進(jìn)一步消🏃🏻除正(zheng)交幹擾信号(hao)和同相幹擾(rǎo)。　　爲了保證測(ce)量的實時性(xìng)和準确性，先(xiān)将勵🔞磁信号(hao)和感生電勢(shì)信号進行數(shù)字濾波，再利(lì)用軟件算法(fǎ)進行除法運(yùn)算得到流速(su)信号，借此來(lai)得到穩定的(de)實時流速。
主(zhu)控制電路總(zǒng)體設計方案(an)如圖3所示。

　　電(diàn)極檢測出的(de)微弱感應電(dian)動勢E，先經前(qian)置放大器的(de)放大和噪聲(sheng)抑制而成爲(wei)大幅度低阻(zu)抗的電壓信(xin)号。此信号經(jīng)相敏☂️檢波✨後(hòu)，給CPU進行數字(zi)濾波、處理和(hé)控制⛱️，通過利(li)用雙線性變(bian)換法将模拟(nǐ)的二階巴特(te)沃斯低通濾(lǜ)波器🥰轉換爲(wèi)數字式濾波(bō)🐕器，既簡化👨‍❤️‍👨電(diàn)路設計，且可(ke)靠性高、穩定(ding)性好。通過編(bian)寫軟件CPU能對(dui)放大器的溫(wen)度漂移及零(líng)點漂移給予(yu)補償，并在測(cè)量的全量程(cheng)範圍内分10段(duàn)對信号進行(hang)非線性修正(zheng)，使得測量值(zhi)更好⭕地拟合(hé)真實數據。
　　空(kong)管檢測電路(lù)上，CPU作爲從控(kòng)制器。當主控(kong)制電路上♈發(fā)出空管檢測(cè)查詢信号wire，從(cong)控制器進行(hang)識别後接收(shōu)并判斷🙇🏻出查(cha)詢什🙇‍♀️麽信💛号(hao)，然後産生應(yīng)答信号上🚩傳(chuan)至主控芯片(pian)輸出顯示；當(dang)檢測爲空💋管(guǎn)信号時，從CPU發(fa)出的zero信号通(tōng)過控制MOS管開(kai)關來關斷流(liú)📞速輸出。在📐應(ying)用中，對于微(wei)弱信号的放(fàng)大及提取還(hái)需注意PCB闆設(shè)計時EMI電磁屏(píng)蔽考慮，屏蔽(bi)來自空間磁(ci)場的幹擾、周(zhou)邊設備的輻(fú)射🈚造成的幹(gan)擾和闆内之(zhī)間的幹擾，如(ru)數模分離、強(qiang)弱電分離等(deng)等。
4空管檢測(cè)功能的實現(xian)方法研究
　　電(dian)磁流量計的(de)測量方程是(shì)建立在流體(tǐ)滿管于測量(liang)管道的條件(jiàn)之下的，在實(shi)際流量控制(zhì)中主要是解(jiě)決傳感器處(chù)于空管狀态(tai)下的流量值(zhí)閉鎖問題［5］，具(jù)體是指當傳(chuán)感器電😄極部(bu)分🌐或全部從(cong)流體中裸露(lu)出來時，系統(tong)應及🚩時檢查(cha)到這一狀态(tài)并掐斷流💋速(sù)，使流量計輸(shū)出爲0。由電磁(cí)流量計（兩電(diàn)極）傳感器與(yǔ)信号放大器(qi)組成如圖4所(suǒ)示信号測量(liàng)關系。

　　其中S1、S2分别爲(wèi)兩個電極，其(qí)等效原理如(rú)圖5所示。電路(lu)🤟爲對♌稱結構(gòu)，圖中e1和Z1分别(bié)是傳感器的(de)流量信号和(he)對應的流🏃‍♀️體(ti)阻抗，Z0爲放大(dà)💋器的輸入阻(zǔ)抗。

　　如圖6所示(shi)爲附加激勵(li)的實際原理(lǐ)圖。其中R是流(liú)體🔞電阻，C1是激(jī)勵源與傳感(gǎn)器電極及其(qí)放大器輸入(ru)的隔直💜電容(róng)，C2是信号電纜(lan)的對地電容(rong)［6］。

　　國内EMF大都采(cai)用密度計跟(gēn)流量計配套(tào)使用，當密度(dù)計✏️檢測㊙️密度(dù)🏃爲0時，判斷爲(wèi)空管，關斷流(liu)量計輸出。也(yě)❤️有部分電磁(cí)流量計上使(shi)用空管檢測(cè)功能，但由于(yu)采用相對電(dian)導率作爲判(pan)斷依據，一旦(dàn)管道内有雜(za)物流過或者(zhě)撞擊電極時(shi)，都有可能使(shi)得相對電導(dǎo)率急劇變化(huà)。由于挖泥船(chuán)管道内流動(dong)的是液固兩(liǎng)相流體，從而(ér)誤判爲空管(guan)，導緻正常施(shi)工過程中，流(liu)速測量值回(hui)零現👅象時有(yǒu)發生，影響🙇🏻工(gōng)程進度和施(shi)工量的計算(suan)。
　　采用絕對電(dian)導率測量方(fang)法，既可方便(biàn)流量計獨立(lì)使用，也克☀️服(fu)了相對電導(dǎo)率方法的弊(bì)端。解決的難(nan)點在☀️于：一是(shì)如何将空管(guǎn)✏️檢測信号與(yu)正常流速信(xin)号分離開，二(èr)是如何在信(xìn)号線上走電(diàn)❤️源信号。解決(jue)的方法在于(yú)空管檢測信(xin)号利🤞用高頻(pín)激勵與50Hz流速(sù)信号區分開(kāi)，但是頻率過(guò)高容易引起(qi)電極間電容(rong)産生極化效(xiào)應且不利于(yu)PCB布闆，最後綜(zong)合考慮使用(yong)周期爲16μs的高(gāo)頻正弦波勵(lì)磁。将空管‼️檢(jian)測信号采用(yòng)數據流進行(hang)傳輸，實💛現信(xìn)号線的單線(xian)複用。爲了保(bao)證微弱的空(kong)管檢測信号(hào)不失真傳輸(shu)，在流量計信(xìn)号調理闆上(shàng)就近進行信(xin)号處理後，通(tōng)過屏蔽電纜(lǎn)傳輸至主控(kong)🛀🏻電路。空管檢(jian)測信号采用(yong)單片機控制(zhì)🥵，可定時采集(ji)當前流體的(de)電導率，與空(kōng)管檢測的阈(yu)值相比較，還(hai)可采樣勵磁(ci)電流并判斷(duan)勵磁是否出(chu)現開路或者(zhe)短🥵路故障。兩(liǎng)電極之間流(liu)體電阻計算(suàn)公式如下：

　　由(yóu)于兩電極之(zhi)間阻值不僅(jǐn)與溶液自身(shēn)有關，還與管(guǎn)道⭕的内徑、電(dian)極的截面積(jī)有關，因而将(jiāng)空管檢測的(de)阈值設定爲(wei)一個🧡可調🧡參(cān)數，使其适用(yòng)範圍更廣。這(zhe)款大口徑管(guǎn)道上的電磁(ci)流量計監測(ce)出管内空管(guan)、勵磁開路或(huo)短路時，或者(zhe)流㊙️量超出設(she)⛹🏻‍♀️定上、下限值(zhí)時，便會自動(dòng)報警并作出(chu)相應動作。
5結(jié)論
　　将本文所(suǒ)述新型挖泥(ni)船電磁流量(liang)計安裝到挖(wā)泥船後，從根(gen)👄本上解決了(le)挖泥施工過(guo)程中流速測(cè)量♊的穩定性(xing)問題，并且測(ce)量📧數據的實(shi)時性得到極(ji)大提高，有效(xiao)測量時間最(zuì)㊙️短可達到200ms。此(cǐ)外設備精度(du)達🌈到0.5級，在指(zhi)㊙️導挖泥施工(gong)過程中發揮(hui)了良好作用(yòng)。

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