0引言
　　挖泥(ní)船電磁流(liú)量計用來(lai)指導挖泥(ní)船操作施(shī)工，防止堵(dǔ)管、悶耙，與(yu)密度🆚測量(liang)設備💃🏻一起(qǐ)使用構成(chéng)産量計，爲(wèi)施工操作(zuò)與管理提(tí)供決策數(shù)據，有利于(yu)提高施工(gong)效率。其測(cè)量介質爲(wèi)液固兩相(xiang)流體，有别(bié)于通常意(yi)義下的單(dan)一介質，測(cè)量難度大(dà)大增加。而(ér)電磁流量(liàng)計（EMF）是根據(ju)電磁感應(yīng)定律制成(cheng)的一種測(cè)量導電性(xìng)流體流量(liang)的儀表［1］。與(yǔ)現有各種(zhong)流量儀表(biao)相比，其直(zhí)線性好🔞、測(cè)量精度🍉高(gāo)、測量範圍(wei)和适用範(fàn)圍廣、耐腐(fu)蝕性能強(qiang)，可以解🌈決(jué)其他流量(liang)計不易解(jie)🐉決的問題(tí)，如⁉️髒污流(liú)、腐✏️蝕流等(deng)的測量［2］。
　　目(mù)前國内應(ying)用于挖泥(ní)船的電磁(cí)流量計大(dà)多存在零(ling)點🚶漂移、轉(zhuan)換精度不(bú)高、流速不(bú)穩、空管檢(jian)測易失❤️常(cháng)等諸多問(wèn)題。對此🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，我(wo)們進行了(le)相關研究(jiu)并提出相(xiang)應改進措(cuò)施，現已研(yán)發出一種(zhǒng)專門用于(yú)挖泥船的(de)電磁流量(liàng)計，在耙吸(xi)式挖泥⭐船(chuan)上成功💋應(yīng)用，取得🌏了(le)很好的效(xiào)果。本文通(tōng)過信号處(chu)理和📱空管(guǎn)檢測功能(neng)詳細介紹(shao)💋該新型挖(wa)泥船電🛀🏻磁(ci)流量計。
1電(dian)磁流量計(jì)工作原理(lǐ)
　　電磁流量(liàng)計分爲傳(chuán)感器和轉(zhuǎn)換器兩部(bù)分。傳感器(qi)是把🐅流過(guo)管道内的(de)導電流體(ti)的流速信(xìn)号轉換爲(wei)🔴電信号，轉(zhuǎn)⛷️換器🔴是把(bǎ)傳感器輸(shū)出的電信(xìn)号進行有(yǒu)用信号識(shi)别提取并(bìng)進行相關(guan)處理，用于(yú)主機顯示(shi)🐕，主要由勵(lì)磁電路、信(xin)号調理電(diàn)路、微處理(li)🈲電路等部(bù)🚶‍♀️分組成。圖(tu)1爲傳感器(qi)工作原理(li)示意圖。

　　根據法拉(la)第電磁感(gǎn)應定律，當(dāng)一導體在(zài)磁場中運(yun)動🔆而切割(gē)磁力線時(shi)，在導體兩(liǎng)端便會産(chan)生感應電(dian)動勢㊙️。設在(zai)均勻磁場(chang)中，垂🤞直于(yú)磁場方向(xiang)有一個直(zhi)徑爲D的管(guǎn)道。管道由(yóu)不導磁材(cai)料制成，内(nei)表面加絕(jué)緣襯裏。當(dāng)導電的液(ye)體在管道(dào)中流動時(shí)，導電液體(tǐ)就切割磁(ci)力線，因而(er)在磁場及(jí)流動方💋向(xiàng)垂直的方(fāng)💃🏻向将産生(sheng)感應電動(dòng)勢。如果在(zai)管道截面(miàn)垂直于磁(cí)場的直徑(jìng)兩端安裝(zhuang)一對電極(ji)，隻要管道(dao)内流速υ爲(wei)軸對稱分(fèn)布，兩極之(zhi)間就會産(chǎn)生感應電(diàn)動勢［3］，此感(gan)應電動勢(shi)😄與流速具(jù)有線性關(guan)系。其表達(dá)式爲：
E=K·B·D·V（1）
　　式中(zhōng)：V爲測量管(guǎn)道内截面(mian)上的平均(jun1)流速（m/s）；
K爲儀(yí)表常數；
D爲(wèi)測量管内(nei)直徑（m）；
B爲磁(cí)感應強度(dù)（T）。
　　轉換器将(jiang)此感應電(diàn)動勢測出(chū)，再根據線(xiàn)性關系式(shì)即可得出(chū)🥵流速信号(hào)。圖2爲電磁(ci)流量計整(zhěng)體設計示(shì)意圖。

　　考慮(lǜ)到傳感器(qì)出來的微(wei)弱信号容(róng)易在傳輸(shū)線上損耗(hào)，故而電極(ji)信号調理(lǐ)闆和空管(guǎn)檢測功能(néng)闆就⭕近放(fang)置于傳感(gǎn)器出線口(kǒu)，調理後經(jing)屏蔽線傳(chuán)輸至轉換(huan)器上的主(zhu)控電路㊙️。
　　結(jié)構上管道(dào)本身就是(shì)個大的屏(píng)蔽體，防止(zhǐ)勵磁線圈(quān)🈲磁場洩露(lu)，信号采用(yong)屏蔽線傳(chuan)輸，減少線(xiàn)與線之間(jiān)信号幹擾(rao)，以及空間(jian)傳播的幹(gan)擾，保證信(xìn)号的完🛀整(zhěng)性。
　　電路上(shang)采用雙核(hé)主從式控(kong)制，方便流(liú)速測量及(jí)其空管檢(jian)測✊，克服了(le)以往電磁(ci)流量計需(xu)要配合密(mi)度計來使(shǐ)用的缺陷(xiàn)；同時利用(yong)微機技術(shu)，使其各方(fāng)面性能大(da)大提高🈚，更(gèng)加智👨‍❤️‍👨能化(hua)，更加便于(yu)管理施工(gong)。
2勵磁方式(shi)的合理選(xuǎn)擇
　　目前國(guo)産挖泥船(chuán)流量計大(da)多采用低(dī)頻方波勵(li)磁方💜式，其(qí)主要特點(diǎn)是能避免(mian)零點漂移(yí)及無正交(jiao)幹擾，抗同(tong)相🚶‍♀️幹擾能(néng)力較好［4］。但(dàn)對于液固(gu)兩相流體(ti)而⁉️言，當固(gù)☀️體顆粒撞(zhuang)擊電極，表(biǎo)面電位變(bian)化形成尖(jiān)峰狀噪聲(sheng)，信号呈現(xiàn)大幅度波(bo)動。而低頻(pin)方波勵磁(ci)不能從硬(yìng)件技術上(shang)消除這種(zhǒng)由于沖擊(jī)造成的幹(gan)擾，要實現(xiàn)測量結果(guo)的穩定，隻(zhī)能🐪通過調(diao)整勵磁頻(pin)率外加軟(ruan)件手段加(jia)以消除，但(dàn)有兩方面(mian)的缺陷：
（1）挖(wa)泥船上工(gōng)況複雜，挖(wā)泥工況與(yǔ)合适勵磁(ci)頻率匹🌈配(pei)問題很難(nán)完美解決(jué)，隻能通過(guo)現場不斷(duàn)調試較合(hé)适的頻率(lǜ)參數。同一(yī)工地不同(tóng)土質都需(xū)要改變頻(pín)率參數，以(yi)目前的現(xian)場條件及(jí)技術水平(ping)，要做到這(zhe)一步非常(cháng)困難，目前(qian)基本上✏️采(cǎi)用大體上(shàng)可測量的(de)單一頻率(lǜ)🔱。
（2）采用軟件(jian)濾波降低(dī)由沖擊噪(zao)聲産生的(de)波動幅度(dù)，波動幅度(du)平✏️滑程度(dù)越高，則測(cè)量結果的(de)真實性和(hé)實時性就(jiù)越差，很多(duō)情況下會(huì)導緻測量(liàng)結果失真(zhen)，尤其當🐕高(gao)流速、固體(tǐ)含量高、大(da)顆粒的工(gōng)況。
　　而采用(yòng)工頻（50Hz）電源(yuán)交流勵磁(ci)方式，消除(chu)了電極表(biao)面的極化(huà)于擾，抗固(gu)體顆粒撞(zhuàng)擊電極形(xíng)成尖峰狀(zhuang)噪聲能力(lì)強。由于磁(cí)場是交變(biàn)的，所以輸(shū)出信号也(yě)是交變信(xin)号，放大和(he)轉換低電(diàn)平的交流(liu)信号要比(bi)直流信号(hao)容易得多(duo)。但🌈值得注(zhu)意的是，用(yong)交流勵場(chǎng)會帶來一(yi)系列的電(dian)磁幹擾📐問(wen)題。例如正(zheng)㊙️交幹擾、同(tóng)相🏃🏻‍♂️幹擾等(deng)，這些幹擾(rao)信号與有(yǒu)用的流量(liang)信号混雜(za)在一起。因(yin)此，如何正(zhèng)确區分流(liu)量信号與(yu)幹擾信号(hao)，并🚩如何有(you)效地抑制(zhi)和🐇排除各(ge)種幹擾信(xin)号，就成爲(wèi)交♈流勵磁(ci)電🐪磁流量(liàng)計成功應(yīng)用于液固(gù)兩相流體(tǐ)測🔴量的關(guan)鍵點。
3信号(hào)處理的改(gǎi)進
　　液固兩(liǎng)相流介質(zhì)（尤其含大(da)塊顆粒的(de)情況）與測(ce)量管道的(de)摩🙇🏻擦及對(dui)測量元件(jian)不定時的(de)沖擊，會産(chan)生大量強(qiang)度的幹擾(rǎo)信号，常規(guī)信号處理(li)技術會造(zao)成測量結(jié)果大幅度(dù)波動、回零(ling)等現象，情(qíng)況嚴重時(shi)會失去測(cè)量意義。對(duì)于信号處(chu)理有兩個(ge)難點：第一(yi)，如🚶‍♀️何将微(wei)弱的流量(liang)信号與幹(gàn)擾信号區(qū)分開來；第(di)二，如何保(bao)證測🧡量的(de)實時性和(hé)正⛹🏻‍♀️确率。解(jiě)決幹擾的(de)辦💋法：
（1）首先(xiān)需要設計(ji)合理的回(huí)路結構，利(li)用信号調(diao)理電路💛減(jiǎn)少大部分(fèn)幹擾信号(hao)。
（2）主控制電(dian)路上通過(guò)相敏檢波(bō)等一系列(liè)硬件電路(lù)再🏒結🈲合軟(ruǎn)件進行相(xiang)位補償和(hé)零位補償(chang)進一步消(xiao)☔除正🔅交幹(gan)擾信号和(hé)同相幹擾(rao)。　　爲了保證(zheng)測量的實(shi)時性和準(zhǔn)确性，先将(jiāng)勵🐪磁信号(hao)和感生⛹🏻‍♀️電(dian)勢信号進(jin)行數字濾(lü)波，再利用(yòng)軟件算法(fa)進行除法(fa)運算得到(dao)🐅流速信号(hao)，借此來得(dé)到穩定的(de)實時流速(sù)。
主控制電(dian)路總體設(shè)計方案如(rú)圖3所示。

　　電(dian)極檢測出(chū)的微弱感(gǎn)應電動勢(shì)E，先經前置(zhì)放大器的(de)放大和噪(zao)🌈聲抑制而(ér)成爲大幅(fu)度低阻抗(kàng)的電壓信(xin)号。此信号(hào)經相敏檢(jiǎn)波後，給CPU進(jin)行數字濾(lǜ)波、處理🈚和(he)控制，通過(guò)利用雙線(xiàn)性變換法(fǎ)将模拟的(de)二階巴特(tè)沃斯低通(tong)濾波器轉(zhuan)換爲數🔅字(zì)式濾波器(qi)，既簡化✏️電(diàn)路設計，且(qiě)可靠性高(gao)、穩定性好(hǎo)。通過☁️編寫(xiě)軟件CPU能對(dui)放大器的(de)溫度漂移(yi)及零點漂(piāo)移給予補(bǔ)償，并在測(ce)量的全量(liang)程範圍内(nei)分10段對信(xìn)号進行非(fēi)線性修正(zhèng)，使得測量(liang)值更好地(dì)拟合真實(shí)數據。
　　空管(guan)檢測電路(lu)上，CPU作爲從(cóng)控制器。當(dāng)主控制電(diàn)路上發♉出(chu)空🌈管檢測(ce)查詢信号(hao)wire，從控制器(qì)進行識别(bié)後接✂️收并(bing)判斷出查(cha)💃🏻詢什麽信(xìn)号，然後産(chǎn)生應答信(xin)号上傳至(zhi)主控芯片(piàn)🥰輸出顯示(shi)；當檢測爲(wèi)空管信号(hào)時，從♻️CPU發出(chū)的zero信号通(tong)過控制MOS管(guǎn)開關來關(guan)斷流速輸(shū)出。在應用(yong)中，對于微(wēi)弱信号的(de)放大及提(tí)取還需注(zhu)意PCB闆🔞設計(ji)時EMI電磁屏(píng)蔽考慮，屏(píng)蔽來自空(kong)間磁場的(de)幹擾、周邊(bian)設備的輻(fu)射造成的(de)幹擾和闆(pan)内之間的(de)幹擾，如數(shù)模分離、強(qiáng)弱電分離(lí)等等。
4空管(guan)檢測功能(neng)的實現方(fāng)法研究
　　電(dian)磁流量計(ji)的測量方(fang)程是建立(li)在流體滿(mǎn)管于測🏃🏻‍♂️量(liang)管道的條(tiáo)件之下的(de)，在實際流(liu)量控制中(zhōng)主要是解(jie)決傳感器(qì)處于空管(guǎn)狀态下的(de)流量值閉(bi)鎖問題［5］，具(ju)體是指當(dāng)傳感器電(dian)極部分或(huo)全部🐪從流(liu)體中裸露(lù)出來時，系(xi)統應及時(shí)檢查到這(zhè)一狀态并(bing)掐斷流速(sù)，使流量計(jì)輸出爲0。由(you)電磁流量(liàng)計（兩電極(ji)）傳感器與(yǔ)信号放大(da)器組成如(ru)圖4所示信(xìn)号測量關(guān)系。

　　其中(zhōng)S1、S2分别爲兩(liang)個電極，其(qí)等效原理(li)如圖5所示(shi)。電路❄️爲對(dui)稱結🏒構，圖(tú)中e1和Z1分别(bie)是傳感器(qi)的流量信(xìn)号和對應(yīng)的流體阻(zǔ)抗，Z0爲放大(da)器的輸入(ru)阻抗。

　　如圖(tú)6所示爲附(fu)加激勵的(de)實際原理(li)圖。其中R是(shì)流體電阻(zǔ)☁️，C1是激勵源(yuán)與傳感器(qi)電極及其(qi)放大器輸(shū)入的隔直(zhí)電容，C2是信(xìn)👅号電纜的(de)對地電容(róng)［6］。

　　國(guo)内EMF大都采(cai)用密度計(jì)跟流量計(jì)配套使用(yong)，當密度❗計(jì)檢測密🚶度(dù)爲0時，判斷(duàn)爲空管，關(guān)斷流量計(jì)輸出。也有(yǒu)部分電👄磁(cí)流量計💁上(shàng)使用空管(guan)檢測功能(neng)，但由于采(cǎi)用相對電(dian)導率作爲(wei)判斷依據(ju)，一旦管道(dao)内有雜💰物(wù)流過或者(zhě)撞擊電極(jí)時，都有可(kě)能使得相(xiang)對電導☎️率(lü)急劇變化(hua)🚩。由于挖泥(ni)船管道内(nèi)流動的是(shì)液固兩相(xiang)流體，從而(ér)誤判爲空(kōng)管，導緻正(zhèng)常施工過(guò)程中，流速(su)測量值回(huí)零現象時(shí)有發生，影(ying)響✌️工程進(jìn)度和施工(gōng)量的計算(suan)。
　　采用絕對(duì)電導率測(ce)量方法，既(ji)可方便流(liú)量計獨立(li)使用，也克(ke)服了相對(dui)電導率方(fāng)法的弊端(duan)。解決的難(nan)點在于：一(yī)是如何将(jiang)空管檢測(cè)信号與正(zheng)常流速信(xin)号分離開(kāi)，二是如何(hé)在信号線(xiàn)上走電源(yuán)信号。解決(jué)❤️的方法在(zài)于空管檢(jian)測信号利(lì)㊙️用高頻激(jī)勵與50Hz流速(sù)信号區分(fèn)開👣，但是頻(pin)率過高容(rong)易引起電(dian)極間電容(róng)産生極化(huà)效㊙️應且不(bu)利于PCB布闆(pan)，最後綜合(hé)考慮使用(yong)周期爲16μs的(de)高頻正弦(xian)波勵磁。将(jiang)空管⛷️檢測(ce)信号采用(yòng)數🤞據流進(jìn)行傳輸，實(shí)現信号線(xian)的單線複(fú)用。爲了保(bǎo)證微弱的(de)空管檢測(cè)信🙇‍♀️号不失(shī)真傳輸，在(zai)流量⛹🏻‍♀️計信(xìn)号調理闆(pǎn)上就近進(jìn)行信🐆号處(chu)理後，通過(guo)屏蔽電纜(lan)傳輸至主(zhǔ)控💔電路。空(kong)管檢測信(xìn)号采用單(dān)片機控制(zhì)，可定時采(cǎi)集當前流(liu)體的電導(dao)率💃🏻，與空管(guǎn)檢測的阈(yu)值相比較(jiào)，還可采樣(yang)勵磁電流(liu)并判斷勵(lì)☔磁是否出(chu)☁️現開路或(huò)者短路故(gù)障。兩電極(ji)之間流體(tǐ)電阻計算(suan)公式如下(xia)：

　　由于兩電(diàn)極之間阻(zǔ)值不僅與(yu)溶液自身(shēn)有關，還與(yǔ)管道的内(nei)🛀🏻徑🛀🏻、電極的(de)截面積有(yǒu)關，因而将(jiang)空管檢測(ce)的阈值設(shè)定爲一個(ge)🔆可調參數(shu)，使其适用(yong)範圍更廣(guǎng)。這款大口(kǒu)徑管🎯道上(shàng)的電磁流(liu)量計監測(ce)出管内空(kong)⁉️管、勵磁開(kai)路或短路(lù)時，或者流(liú)量超出設(she)定上、下限(xiàn)值時，便會(huì)自動報警(jing)并作出相(xiàng)應動作。
5結(jie)論
　　将本文(wén)所述新型(xing)挖泥船電(diàn)磁流量計(jì)安裝到挖(wa)泥✏️船後，從(cóng)❓根💚本🆚上解(jiě)決了挖泥(ní)施工過程(chéng)中流速測(cè)量的穩定(dìng)性問題，并(bìng)且測量數(shù)據的實時(shi)性得到極(jí)大提高，有(yǒu)效測量時(shi)間最短可(kě)達到200ms。此外(wai)🤟設備精度(dù)達到0.5級，在(zai)指導挖泥(ni)施工過程(cheng)中發揮了(le)良好作用(yòng)。

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