0引言
　　挖(wa)泥船電磁(ci)流量計用(yong)來指導挖(wa)泥船操作(zuo)施工，防止(zhi)堵管、悶耙(pa)，與密度測(ce)量設備一(yi)起使用構(gou)成産量計(ji)，爲施工操(cao)作與管理(li)提供決策(ce)數據，有利(li)于提高施(shi)工效率。其(qi)測量介質(zhi)爲液固兩(liang)相流體，有(you)别于通🧑🏾‍🤝‍🧑🏼常(chang)意義🌂下的(de)單一介質(zhi)，測量難度(du)大大增加(jia)。而電磁流(liu)量計（EMF）是根(gen)據電磁感(gan)應定律制(zhi)成的一種(zhong)測量導電(dian)性流體流(liu)量的🔴儀表(biao)［1］。與現有各(ge)種流量儀(yi)表相比，其(qi)直線性好(hao)👌、測量精度(du)高、測量範(fan)圍和适用(yong)範圍廣、耐(nai)腐蝕✏️性能(neng)強，可以解(jie)決其他流(liu)量計不易(yi)解決的問(wen)題，如髒污(wu)流、腐蝕流(liu)等的測量(liang)［2］。
　　目前國内(nei)應用于挖(wa)泥船的電(dian)磁流量計(ji)大多存在(zai)🆚零點漂🥰移(yi)💚、轉換精度(du)不高、流速(su)不穩、空管(guan)檢測易失(shi)常等諸多(duo)問題。對此(ci)，我們進行(hang)了相關研(yan)究并提出(chu)相應改進(jin)措施，現已(yi)研發出一(yi)種專門用(yong)于挖泥船(chuan)的電磁流(liu)量計，在耙(pa)吸式挖泥(ni)船上成功(gong)應用，取得(de)🏃了很好的(de)效果。本文(wen)通過信号(hao)處理和空(kong)管檢測功(gong)能詳細介(jie)紹該新型(xing)挖泥船電(dian)磁流量計(ji)。
1電磁流量(liang)計工作原(yuan)理
　　電磁流(liu)量計分爲(wei)傳感器和(he)轉換器兩(liang)部分。傳感(gan)器是把☀️流(liu)過管道内(nei)的導電流(liu)體的流速(su)信号轉換(huan)爲💜電信号(hao)，轉🔞換器是(shi)把傳感器(qi)輸出的電(dian)信号進行(hang)有🧡用信号(hao)識别提取(qu)并進行相(xiang)關處理，用(yong)于主機顯(xian)示，主要由(you)勵磁電路(lu)、信✨号調理(li)電路、微處(chu)理📧電路等(deng)部分組成(cheng)。圖1爲傳感(gan)器工作原(yuan)理示意圖(tu)。

　　根據法(fa)拉第電磁(ci)感應定律(lü)，當一導體(ti)在磁場中(zhong)運⁉️動而切(qie)割磁力線(xian)時，在導體(ti)兩端便會(hui)産生感應(ying)電動勢🌍。設(she)在均勻磁(ci)場中，垂直(zhi)于磁場方(fang)向有一個(ge)直徑爲D的(de)⛹🏻‍♀️管道。管道(dao)由不導磁(ci)材料制成(cheng)，内表面加(jia)絕緣襯裏(li)。當導電的(de)液體在管(guan)道中流動(dong)時🐅，導電液(ye)體就切割(ge)磁力🌈線，因(yin)而在磁場(chang)及流動方(fang)向垂直的(de)方😍向将産(chan)生感應電(dian)動勢。如果(guo)在管道截(jie)面垂直于(yu)磁場的直(zhi)徑兩端安(an)🈚裝一對電(dian)極，隻要管(guan)道内流速(su)υ爲軸對稱(cheng)分布，兩極(ji)之間就會(hui)産生感應(ying)電動勢［3］，此(ci)感應電動(dong)勢與流速(su)具有🔅線性(xing)關系。其表(biao)達式爲：
E=K·B·D·V（1）
　　式(shi)中：V爲測量(liang)管道内截(jie)面上的平(ping)均流速（m/s）；
K爲(wei)儀表常數(shu)；
D爲測量管(guan)内直徑（m）；
B爲(wei)磁感應強(qiang)度（T）。
　　轉換器(qi)将此感應(ying)電動勢測(ce)出，再根據(ju)線性關系(xi)式即可得(de)出流速信(xin)号。圖2爲電(dian)磁流量計(ji)整體設計(ji)示意圖。

　　考(kao)慮到傳感(gan)器出來的(de)微弱信号(hao)容易在傳(chuan)輸線上損(sun)耗，故🔞而電(dian)極信号調(diao)理闆和空(kong)管檢測功(gong)能闆就近(jin)放置于傳(chuan)感器出線(xian)口，調理後(hou)經屏蔽線(xian)傳輸至轉(zhuan)換器♊上的(de)主控電路(lu)🈲。
　　結構上管(guan)道本身就(jiu)是個大的(de)屏蔽體，防(fang)止勵磁線(xian)圈磁🏃‍♂️場洩(xie)露⭐，信号采(cai)用屏蔽線(xian)傳輸，減少(shao)線與線之(zhi)間信号幹(gan)擾，以🏃‍♀️及空(kong)🧡間傳💋播的(de)幹擾，保證(zheng)信号的完(wan)♊整性。
　　電路(lu)上采用雙(shuang)核主從式(shi)控制，方便(bian)流速測量(liang)及其空🔱管(guan)檢測，克服(fu)了以往電(dian)磁流量計(ji)需要配合(he)密度計來(lai)使用♋的缺(que)陷；同時利(li)用微機技(ji)術，使其各(ge)方面性能(neng)大大提高(gao)💋，更加智能(neng)化，更📞加便(bian)于管理施(shi)工。
2勵磁方(fang)式的合理(li)選擇
　　目前(qian)國産挖泥(ni)船流量計(ji)大多采用(yong)低頻方波(bo)勵磁方式(shi)❄️，其主要特(te)點是能避(bi)免零點漂(piao)移及無正(zheng)交幹擾，抗(kang)同相幹擾(rao)能力較好(hao)［4］。但對于液(ye)固兩相流(liu)體而言，當(dang)固🆚體顆粒(li)撞擊電極(ji)，表面電位(wei)變化形成(cheng)尖峰🌏狀噪(zao)聲，信号呈(cheng)現大幅度(du)波動。而低(di)頻方波勵(li)磁不☎️能從(cong)硬件技㊙️術(shu)上消除這(zhe)種由于沖(chong)擊造成的(de)幹擾，要實(shi)現測量結(jie)果的穩定(ding)，隻能通過(guo)調整勵磁(ci)頻率🈲外加(jia)軟件手段(duan)加以消除(chu)，但有兩方(fang)👨‍❤️‍👨面的缺陷(xian)：
（1）挖泥船上(shang)工況複雜(za)，挖泥工況(kuang)與合适勵(li)磁頻率匹(pi)配問題很(hen)難完美解(jie)決，隻能通(tong)過現場不(bu)斷調試較(jiao)合适的頻(pin)率參數。同(tong)一工地不(bu)同土質都(dou)需要改變(bian)頻率參📞數(shu)，以目前的(de)現㊙️場條件(jian)及技術水(shui)平，要做到(dao)這一步非(fei)常困難，目(mu)前基本上(shang)🍓采用大體(ti)💃🏻上可測量(liang)的單一頻(pin)率。
（2）采用軟(ruan)件濾波降(jiang)低由沖擊(ji)噪聲産生(sheng)的波動幅(fu)度，波動幅(fu)度平滑程(cheng)度越高，則(ze)測量結果(guo)的真實性(xing)和實時性(xing)就越差，很(hen)多情況下(xia)會導緻測(ce)量結果失(shi)真🧡，尤其當(dang)高流速、固(gu)體含量高(gao)、大顆粒的(de)工況。
　　而采(cai)用工頻（50Hz）電(dian)源交流勵(li)磁方式，消(xiao)除了電極(ji)表面的極(ji)化🐇于✂️擾😘，抗(kang)固體顆粒(li)撞擊電極(ji)形成尖峰(feng)狀噪聲能(neng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼力強。由于(yu)磁場是交(jiao)變的，所以(yi)輸出信号(hao)也是🙇‍♀️交變(bian)信号，放大(da)🥵和轉換低(di)電平的交(jiao)流信号要(yao)比直流信(xin)号容易得(de)多。但值得(de)注意的是(shi)，用交流勵(li)場會🈲帶來(lai)一系列的(de)電磁幹擾(rao)問題。例如(ru)正交幹擾(rao)、同相幹擾(rao)等，這些幹(gan)☂️擾信号與(yu)有用的流(liu)量信号混(hun)雜在一起(qi)。因此，如何(he)正🌏确區分(fen)✉️流量信号(hao)與幹擾信(xin)号，并如🆚何(he)有效地抑(yi)制和排除(chu)各種幹擾(rao)信号，就成(cheng)爲交流勵(li)磁電磁流(liu)量計成🐆功(gong)應用于液(ye)固兩相流(liu)😘體測量的(de)關鍵點。
3信(xin)号處理的(de)改進
　　液固(gu)兩相流介(jie)質（尤其含(han)大塊顆粒(li)的情況）與(yu)測量🍉管道(dao)的摩🎯擦及(ji)對測量元(yuan)件不定時(shi)的沖擊，會(hui)産生大量(liang)強度💚的幹(gan)💯擾信号，常(chang)規信号處(chu)理技術會(hui)造成測量(liang)結果大幅(fu)度波動、回(hui)零等現象(xiang)，情況嚴重(zhong)時會失去(qu)測量意義(yi)。對于信号(hao)處理有兩(liang)個難點：第(di)一，如何将(jiang)微弱的流(liu)量信号與(yu)幹擾信号(hao)區分開來(lai)；第二，如何(he)保證測量(liang)的實時性(xing)和正确率(lü)。解決幹擾(rao)的辦法：
（1）首(shou)先需要設(she)計合理的(de)回路結構(gou)，利用信号(hao)調理電路(lu)減少大🍉部(bu)分幹擾信(xin)号。
（2）主控制(zhi)電路上通(tong)過相敏檢(jian)波等一系(xi)列硬件電(dian)路再結合(he)軟件進行(hang)相位補償(chang)和零位補(bu)償進一步(bu)消除正✂️交(jiao)幹擾信🍉号(hao)和同相幹(gan)擾。　　爲了保(bao)證測量的(de)實時性和(he)💔準确性，先(xian)将勵磁信(xin)号和感生(sheng)電勢信号(hao)進行數字(zi)濾波，再利(li)用軟件算(suan)法進行除(chu)法運算得(de)到流速信(xin)号，借此來(lai)得到穩定(ding)的實時流(liu)速。
主控制(zhi)電路總體(ti)設計方案(an)如圖3所示(shi)。

　　電極檢測(ce)出的微弱(ruo)感應電動(dong)勢E，先經前(qian)置放大器(qi)🔞的放大和(he)噪聲抑制(zhi)而成爲大(da)幅度低阻(zu)抗的電壓(ya)信号。此信(xin)号經🌈相敏(min)🔞檢波後，給(gei)CPU進行數字(zi)濾波、處理(li)📞和控制，通(tong)過利用雙(shuang)線性變換(huan)法将模拟(ni)的二階巴(ba)✨特沃斯低(di)通濾波器(qi)⭕轉換爲數(shu)字式濾波(bo)器，既簡化(hua)電路設計(ji)，且♌可靠性(xing)高、穩定性(xing)好。通過編(bian)寫軟件CPU能(neng)對放大器(qi)的溫度漂(piao)移及零點(dian)漂移給予(yu)補償💁，并在(zai)測量的全(quan)量程範圍(wei)内分10段對(dui)信号進行(hang)非線性修(xiu)🔴正，使得測(ce)量值更好(hao)🌈地拟合真(zhen)實數據。
　　空(kong)管檢測電(dian)路上，CPU作爲(wei)從控制器(qi)。當主控制(zhi)電路上發(fa)出空管檢(jian)測查詢信(xin)号wire，從控制(zhi)器進行識(shi)别後接收(shou)并🌐判斷出(chu)查詢什麽(me)信号，然後(hou)産生應答(da)信号上傳(chuan)至主控芯(xin)片輸出顯(xian)♉示；當檢☎️測(ce)爲空管信(xin)号時，從CPU發(fa)出的zero信号(hao)通過控制(zhi)MOS管開關來(lai)關斷流✔️速(su)輸出。在應(ying)用中，對于(yu)微弱信号(hao)的放大及(ji)提取還需(xu)注意PCB闆設(she)計時EMI電磁(ci)屏蔽考慮(lü)，屏蔽來🌈自(zi)空間磁場(chang)的🏃‍♂️幹擾、周(zhou)邊設備🌈的(de)輻射造成(cheng)的幹擾和(he)闆内之間(jian)的幹擾，如(ru)數模分離(li)、強弱電🐉分(fen)離等等。
4空(kong)管檢測功(gong)能的實現(xian)方法研究(jiu)
　　電磁流量(liang)計的測量(liang)方程是建(jian)立在流體(ti)滿管于測(ce)量管道的(de)條件之下(xia)的，在實際(ji)流量控制(zhi)中主要是(shi)♌解決💋傳感(gan)器處于空(kong)管狀态下(xia)的流量值(zhi)閉鎖問題(ti)［5］，具體是指(zhi)當傳感器(qi)電極部分(fen)💋或全部從(cong)流體中裸(luo)露出來時(shi)，系統應及(ji)時檢查到(dao)這一狀态(tai)并掐斷流(liu)㊙️速，使流量(liang)計輸出爲(wei)0。由電磁流(liu)量計（兩電(dian)極）傳感器(qi)🌈與信号放(fang)大器組成(cheng)如圖4所示(shi)🐇信号測量(liang)關系。

　　其(qi)中S1、S2分别爲(wei)兩個電極(ji)，其等效原(yuan)理如圖5所(suo)示。電路爲(wei)對稱結構(gou)，圖中e1和Z1分(fen)别是傳感(gan)器的流量(liang)信号和🈲對(dui)應✉️的流體(ti)阻❗抗，Z0爲放(fang)大器的輸(shu)入阻抗。

　　如(ru)圖6所示爲(wei)附加激勵(li)的實際原(yuan)理圖。其中(zhong)R是流體電(dian)🌂阻，C1是激勵(li)源與傳感(gan)器電極及(ji)其放大器(qi)輸入的隔(ge)直電容，C2是(shi)信号電纜(lan)的對地電(dian)容［6］。

　　國内EMF大都(dou)采用密度(du)計跟流量(liang)計配套使(shi)用，當密度(du)計檢測密(mi)度爲0時，判(pan)斷爲空管(guan)，關斷流量(liang)計輸出。也(ye)有部✊分電(dian)磁流量計(ji)👣上使用空(kong)管檢測功(gong)能，但由于(yu)采用相對(dui)電導率作(zuo)爲判斷依(yi)據，一旦☎️管(guan)道内有雜(za)物流過或(huo)者撞擊電(dian)極時，都有(you)🔆可能使得(de)相對電導(dao)率急劇變(bian)化‼️。由于挖(wa)泥船🌈管道(dao)内流動㊙️的(de)是液固兩(liang)🌏相流體，從(cong)而誤判爲(wei)空管，導緻(zhi)正常施工(gong)過程中，流(liu)速測量值(zhi)回零現象(xiang)時有🍓發生(sheng)，影響工程(cheng)進度和施(shi)工量的計(ji)算。
　　采用絕(jue)對電導率(lü)測量方法(fa)，既可方便(bian)流量計獨(du)立使用，也(ye)🤩克服了相(xiang)對電導率(lü)方法的弊(bi)端。解決的(de)難💛點在于(yu)：一是如何(he)将空管🐆檢(jian)測信号與(yu)正常流速(su)信号分離(li)👄開，二是如(ru)何在信号(hao)線上走電(dian)源信号。解(jie)決的方法(fa)在于空管(guan)檢測信号(hao)利用高頻(pin)激勵與50Hz流(liu)速信号區(qu)分開，但是(shi)頻率過高(gao)容易引起(qi)電極間電(dian)容産生極(ji)化效應且(qie)不利于PCB布(bu)闆🤩，最後綜(zong)合考慮使(shi)用周期爲(wei)16μs的高頻正(zheng)弦波勵💞磁(ci)。将空管檢(jian)測信号采(cai)用數據流(liu)進行傳輸(shu)，實現信号(hao)線的單線(xian)複用。爲了(le)保證微弱(ruo)的🚶空管檢(jian)測信号不(bu)失真傳輸(shu)，在流量計(ji)信🔞号調理(li)闆上就近(jin)進行信号(hao)處理後，通(tong)過屏蔽電(dian)纜♈傳輸至(zhi)主控電路(lu)。空管檢🌐測(ce)信号采用(yong)單片機控(kong)制👄，可定時(shi)采集當前(qian)流體的電(dian)導率，與空(kong)管檢測的(de)阈值相比(bi)較🌏，還可采(cai)樣勵磁電(dian)流并判斷(duan)勵磁是否(fou)出現開路(lu)或者短路(lu)故障。兩電(dian)極之間流(liu)體電阻計(ji)算🐪公式如(ru)下：

　　由于兩(liang)電極之間(jian)阻值不僅(jin)與溶液自(zi)身有關，還(hai)與管道⛹🏻‍♀️的(de)内徑✊、電極(ji)的截面積(ji)有關，因而(er)将空管檢(jian)測的阈☂️值(zhi)設定爲一(yi)個可調參(can)數，使其适(shi)用範圍更(geng)廣。這款大(da)口徑管道(dao)上的電磁(ci)流量計監(jian)測出管内(nei)空管、勵磁(ci)開路或短(duan)路時，或者(zhe)流量超出(chu)設定上、下(xia)限😄值時，便(bian)會自動報(bao)警并作出(chu)相應動作(zuo)。
5結論
　　将本(ben)文所述新(xin)型挖泥船(chuan)電磁流量(liang)計安裝到(dao)挖泥船後(hou)☔，從根本上(shang)解決了挖(wa)泥施工過(guo)程中流速(su)測量的穩(wen)定性問題(ti)🔞，并且🈚測量(liang)數據的實(shi)時性得到(dao)極大提高(gao)，有🎯效測量(liang)🌈時間最短(duan)可達到200ms。此(ci)外設備精(jing)度達到0.5級(ji)，在指導挖(wa)泥施工過(guo)程中發揮(hui)了良好作(zuo)用。

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