0引言
　　挖(wā)泥船電磁流(liú)量計用來指(zhǐ)導挖泥船操(cao)作施工，防止(zhi)堵管、悶耙，與(yǔ)密度測量設(she)備一起使用(yong)構成産量計(jì)，爲施工操作(zuo)與管理提供(gong)決策數據，有(yǒu)利于☁️提高施(shi)工效率。其測(cè)量介🤩質爲液(ye)固兩相流體(tǐ)，有别于通常(cháng)意義下的單(dan)一介質，測量(liang)難度大大增(zēng)加。而電磁流(liú)量計（EMF）是根據(jù)電磁感應定(dìng)律制成的一(yī)種測量導電(diàn)性流體🌈流量(liàng)的🈲儀表［1］。與現(xiàn)有各種流量(liàng)儀表相比，其(qí)直線性好、測(cè)量精度高、測(cè)量範圍和适(shì)用範圍廣、耐(nài)腐蝕性能強(qiang)👄，可以解決其(qí)他流量計不(bu)易解💚決的問(wen)題，如髒污流(liu)、腐蝕流等的(de)🌐測量［2］。
　　目前國(guo)内應用于挖(wa)泥船的電磁(cí)流量計大多(duo)存在零點漂(piāo)移、轉換精度(dù)不高、流速不(bú)穩、空管檢測(ce)易失常等諸(zhū)多問題。對此(cǐ)，我們🈲進行了(le)相關研究并(bing)提出相應改(gǎi)進措施，現已(yǐ)研發出一💜種(zhong)專門用于挖(wā)泥船的電磁(cí)流🈲量計，在耙(pa)吸式挖泥船(chuán)上成功應用(yong)，取得了很好(hǎo)的效果。本文(wén)通過信号處(chu)理和空管檢(jian)測功✍️能詳細(xi)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(liú)量計分爲傳(chuán)感器和轉換(huan)器兩部分。傳(chuán)感器是❓把流(liú)過管道内的(de)導電流體的(de)流速信号轉(zhuan)換爲電信号(hào)，轉🙇🏻換器㊙️是把(ba)傳感器輸出(chu)的電信号進(jìn)行有用信号(hào)識别提取并(bìng)進行相關處(chù)理，用🤞于主機(jī)顯示，主要由(yóu)勵磁電路、信(xin)号調理電路(lù)、微處理電路(lù)等部分組成(cheng)。圖1爲傳感器(qì)工作原理示(shì)意圖。

　　根據法拉第(dì)電磁感應定(dìng)律，當一導體(ti)在磁場中運(yùn)動而切割磁(cí)✔️力線時，在導(dǎo)體兩端便會(huì)産生感應電(dian)動勢。設在均(jun1)勻磁場👌中，垂(chuí)直于磁場方(fang)向有一個直(zhi)徑爲D的⭐管道(dao)。管道由不導(dǎo)磁材料制成(chéng)🐕，内表面加絕(jué)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(ci)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(cí)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(bù)，兩極之間就(jiu)會産生感應(ying)電動勢［3］，此感(gǎn)🔞應電動勢與(yǔ)流速具有🌈線(xian)性關系。其表(biǎo)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(wei)儀表常數；
D爲(wei)測量管内直(zhi)徑（m）；
B爲磁感應(ying)強度（T）。
　　轉換器(qi)将此感應電(diàn)動勢測出，再(zai)根據線性關(guān)系式即可得(de)出流🐉速信号(hao)。圖2爲電磁流(liu)量計整體設(she)計示意圖。

　　考慮到傳(chuan)感器出來的(de)微弱信号容(róng)易在傳輸線(xiàn)上損耗，故而(er)電極信号調(diào)理闆和空管(guǎn)檢測功能闆(pan)就近放置于(yú)傳感器出線(xiàn)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(dào)本身就是個(ge)大的屏蔽體(tǐ)，防止勵磁線(xiàn)👣圈磁💯場🐪洩露(lù)，信号采用屏(ping)蔽線傳輸，減(jian)少線與線之(zhī)間信🥵号幹擾(rǎo)，以及空間傳(chuán)播的幹擾，保(bao)證信号的完(wan)整性。
　　電路上(shàng)采用雙核主(zhu)從式控制，方(fang)便流速測量(liang)及其空管檢(jian)測，克服了以(yi)往電磁流量(liàng)計需要配合(hé)密度計來❗使(shǐ)用的缺🎯陷；同(tong)時利用微機(ji)技術，使其各(ge)方面🍉性能大(dà)大提高✉️，更加(jiā)智能化，更加(jia)便于管理施(shī)工。
2勵磁方式(shi)的合理選擇(ze)
　　目前國産挖(wa)泥船流量計(jì)大多采用低(dī)頻方波勵磁(cí)方式，其主要(yào)⛹🏻‍♀️特點是能避(bì)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(gu)兩相流體而(er)言，當固體顆(kē)粒撞擊電極(ji)，表面⭕電位變(biàn)化形成尖峰(feng)狀噪聲，信🌈号(hao)呈現大👉幅度(du)波動。而低頻(pín)方🌂波勵磁不(bú)能從硬件技(ji)🈲術上消除這(zhè)種由于沖擊(ji)造成的幹擾(rǎo)，要實現測量(liang)結果的穩定(ding)，隻能😘通過調(diào)整勵磁頻率(lü)外加軟件手(shou)段加🚩以消除(chú)，但有兩方面(miàn)的缺陷：
（1）挖泥(ni)船上工況複(fú)雜，挖泥工況(kuàng)與合适勵磁(cí)頻率匹配問(wèn)題很難完美(mei)解決，隻能通(tōng)過現場不斷(duàn)調試較合适(shì)🐅的頻率參數(shu)。同一工🌍地不(bú)同土質都需(xū)要改變頻率(lü)參數，以目🔞前(qian)的現場條件(jiàn)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(shang)可測量的單(dan)一頻率❓。
（2）采用(yong)軟件濾波降(jiang)低由沖擊噪(zào)聲産生的波(bō)動幅度，波🌈動(dong)幅度平🤩滑程(cheng)度越高，則測(cè)量結果的真(zhen)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(qi)當高流速🌂、固(gù)體含量高、大(dà)顆粒的🐕工況(kuang)。
　　而采用工頻(pin)（50Hz）電源交流勵(lì)磁方式，消除(chu)了電極表面(mian)的🥵極✏️化于擾(rǎo)，抗固體顆粒(lì)撞擊電極形(xing)成尖峰狀噪(zào)聲能力強。由(you)于磁場是交(jiao)變的，所以輸(shu)出信号也是(shì)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(yì)得多。但👨‍❤️‍👨值得(dé)注意的是，用(yòng)交流勵場會(huì)帶來一系列(liè)的電磁幹擾(rǎo)問題。例如正(zheng)交幹擾、同相(xiàng)幹擾等，這些(xie)幹🔞擾信号與(yǔ)有用的流量(liang)信号混雜在(zai)一起。因此，如(rú)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(chu)各種幹擾信(xìn)号✏️，就成爲交(jiao)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(dian)。
3信号處理的(de)改進
　　液固兩(liǎng)相流介質（尤(you)其含大塊顆(kē)粒的情況）與(yu)測量管道的(de)摩擦及對測(ce)量元件不定(ding)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(huì)造成測量結(jie)果大幅🈲度波(bo)動、回零等現(xiàn)象，情況嚴重(zhòng)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(wēi)弱的流量信(xìn)号與幹擾信(xin)号區分開來(lái)；第二，如何保(bǎo)證測量的實(shí)時性和正确(què)率。解決幹擾(rao)的辦法：
（1）首先(xian)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(kong)制電路上通(tōng)過相敏檢波(bō)等一系列硬(yìng)件電路再結(jié)合☎️軟件進行(hang)相位補償和(hé)零位補償進(jìn)一步消🌈除正(zhèng)交幹擾信号(hào)和同相幹擾(rǎo)。　　爲了保證測(cè)量的實🐉時性(xing)和準确性⛹🏻‍♀️，先(xiān)将勵㊙️磁信号(hao)和感生電勢(shi)信号進行數(shu)字濾波，再利(lì)用軟件算法(fǎ)進行除法運(yùn)算得到流速(sù)信号，借此來(lai)得到穩定的(de)實時流速。
主(zhǔ)控制電路總(zong)體設計方案(àn)如圖3所示。

　　電(diàn)極檢測出的(de)微弱感應電(diàn)動勢E，先經前(qián)置放大器的(de)放大和📱噪聲(sheng)抑制而成爲(wei)大幅度低阻(zǔ)抗的電壓信(xìn)号。此信号經(jing)⛷️相敏檢波後(hou)，給CPU進行數字(zi)濾波、處理和(hé)控制♋，通過利(lì)用雙線性變(biàn)換法将模拟(nǐ)的二階巴特(te)沃斯低通濾(lǜ)波器🌍轉換爲(wei)數🈚字式濾波(bo)👈器，既簡化電(dian)路設計，且可(kě)靠性高、穩定(ding)性好。通過編(bian)寫軟件CPU能對(dui)放大器的溫(wēn)度漂移及零(líng)點漂移給予(yu)補償，并在測(cè)量的全量程(chéng)範圍内分10段(duàn)對信号♊進行(háng)非線性修正(zhèng)☂️，使得測量值(zhi)更好地拟合(he)真實數據。
　　空(kōng)管檢測電路(lù)上，CPU作爲從控(kòng)制器。當主控(kòng)制電路上發(fa)出❓空📱管🔅檢測(ce)查詢信号wire，從(cong)控制器進行(hang)識别後接收(shou)并❌判斷出查(chá)‼️詢什麽信💯号(hao)，然後産生應(ying)答信号上傳(chuán)至主控芯片(pian)輸出顯示；當(dang)檢測爲空管(guan)信号時，從🍓CPU發(fā)出的zero信号通(tōng)過控制MOS管開(kāi)關來關斷流(liú)速輸出。在🚶‍♀️應(yīng)用中，對于微(wei)弱信号的放(fang)大及提取還(hai)需注意PCB闆設(she)計時EMI電磁屏(ping)蔽考慮，屏蔽(bi)來自空間磁(ci)場的幹擾🚶、周(zhou)邊設備💋的輻(fu)射造成的幹(gàn)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(xiàn)方法研究
　　電(dian)磁流量計的(de)測量方程是(shi)建立在流體(ti)滿管于測量(liang)管道的條件(jian)之下的，在實(shi)際流量控制(zhi)中主要是🏒解(jie)決💋傳感🈚器處(chu)🐆于空管狀态(tài)下的流量值(zhi)閉鎖問題［5］，具(jù)體是指當傳(chuán)感器電極部(bù)分或全部從(cong)流體中裸露(lù)出來時，系統(tǒng)應及時檢查(cha)到🧑🏽‍🤝‍🧑🏻這一狀态(tài)✊并掐斷流速(su)，使流量計輸(shū)出爲0。由電磁(ci)流量計（兩電(diàn)極）傳感器與(yǔ)信号放大器(qì)組成如圖4所(suǒ)示💚信号測量(liàng)關系。

　　其中S1、S2分别爲(wei)兩個電極，其(qí)等效原理如(ru)圖5所示。電路(lù)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(hé)對應的流體(tǐ)阻抗，Z0爲放大(da)器的輸入阻(zu)抗。

　　如圖6所示(shì)爲附加激勵(li)的實際原理(li)圖。其中R是流(liu)體🌈電阻🧡，C1是激(ji)💰勵源與傳感(gǎn)器電極及其(qí)放大器輸入(ru)的😘隔直電容(rong)，C2是信号電纜(lǎn)的🐇對地電容(róng)［6］。

　　國内EMF大都采(cai)用密度計跟(gen)流量計配套(tao)使用，當密度(du)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(yú)采用相對電(diàn)導率作爲判(pàn)斷依據，一旦(dàn)管道内有雜(zá)💃物流過或者(zhe)撞擊電極時(shi)，都有🏃‍♀️可能使(shǐ)得相對電導(dao)⛷️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(er)誤判爲空管(guǎn)，導緻正常施(shī)工過程㊙️中，流(liú)速測量值回(huí)零現象時有(yǒu)發生，影響工(gōng)程進度和施(shi)✏️工量的計算(suàn)。
　　采用絕對電(diàn)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(dao)率方法的弊(bì)端。解決的難(nán)點在🏃于：一是(shì)如何将空管(guǎn)檢測信号與(yǔ)正常流速信(xìn)号分離開，二(èr)是如何在信(xin)号線上走電(diàn)源信号。解決(jue)的方法在于(yú)空管檢測信(xìn)号利用高頻(pín)激勵與50Hz流速(su)信号區分開(kāi)，但是頻率過(guo)高容易引起(qi)電極間電容(rong)産生極化效(xiào)應🏃🏻‍♂️且不利于(yú)PCB布闆，最後綜(zōng)合考慮使用(yòng)周期爲16μs的高(gāo)頻正弦波勵(lì)磁。将空管檢(jian)測信号采用(yong)數據流進行(hang)傳輸，實現信(xin)号線的單線(xian)複用。爲了保(bao)證微弱的⭐空(kōng)管檢測信号(hào)不失真傳輸(shu)，在流量🈲計信(xin)☀️号調理闆上(shàng)就近進行信(xìn)号處理後，通(tōng)過屏蔽電纜(lǎn)傳輸至主控(kòng)電路。空管檢(jiǎn)測信号采用(yòng)單片機控制(zhi)，可定時采集(jí)當前流體的(de)電導率，與空(kong)管檢測的阈(yù)值相比較，還(hái)可采樣勵磁(cí)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(liú)體電阻計算(suan)公式如下：

　　由(you)于兩電極之(zhī)間阻值不僅(jin)與溶液自身(shen)有關，還與🧑🏾‍🤝‍🧑🏼管(guǎn)道的内徑、電(diàn)極的截面積(ji)有關，因而将(jiang)空管檢測的(de)阈值設定爲(wei)一個可調💚參(cān)數，使其适用(yong)範圍更廣。這(zhè)款大口徑管(guan)道上的電磁(cí)流量計監測(ce)出管内空管(guan)、勵磁開🏃🏻路或(huo)短路時，或者(zhě)流量超出設(shè)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(suo)述新型挖泥(ni)船電磁流量(liang)計安裝到挖(wā)泥船後，從根(gēn)本上解決了(le)挖泥施工過(guò)程中流速測(ce)量的穩定性(xìng)問題，并且💚測(ce)量數據的實(shí)時性得到極(jí)大💛提高，有效(xiao)測量時間最(zui)短可達☂️到200ms。此(ci)外❌設備精度(du)達到0.5級，在指(zhi)🌈導挖泥施工(gōng)過程中發揮(hui)了良好作用(yòng)。

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