0引言
　　挖(wa)泥船電磁流(liú)量計用來指(zhi)導挖泥船操(cao)作施工，防止(zhǐ)堵管、悶耙，與(yǔ)密度測量設(shè)備一✍️起使用(yòng)構成産量計(jì)，爲施工操作(zuò)與管理提供(gòng)決策數據，有(yǒu)利于提高施(shī)工效率。其測(ce)量介🤞質爲液(yè)固兩相🥵流體(tǐ)，有别于通常(chang)意義🈲下的單(dān)一介⭕質，測量(liang)難度大大增(zeng)加。而電磁流(liú)量計（EMF）是根據(ju)電磁感應定(ding)律制成的一(yī)種測量導電(dian)性流體流🐅量(liàng)的儀表［1］。與現(xian)有各種流量(liang)儀表相比，其(qi)直線性好❓、測(ce)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(qi)他流量計不(bú)易解決的問(wèn)題，如髒污流(liú)、腐蝕流等的(de)測量［2］。
　　目前國(guó)内應用于挖(wā)泥船的電磁(cí)流量計大多(duō)存在零點漂(piao)移、轉♋換精度(dù)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(zhǒng)專門用于挖(wā)泥船❗的電磁(ci)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(xing)挖泥船電✍️磁(cí)流量計。
1電磁(ci)流量計工作(zuò)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(liu)♊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(hào)識别提取并(bìng)進行相關🌈處(chù)理，用于主機(jī)顯示，主要由(you)勵磁電路、信(xìn)🚩号調理電路(lù)、微處理🌍電路(lu)等部🈲分組成(cheng)。圖1爲傳感器(qì)工作原理示(shi)意圖。

　　根據法拉第(dì)電磁感應定(dìng)律，當一導體(tǐ)在磁場中運(yun)動而切割磁(cí)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(chuí)直于磁場方(fāng)向有一個直(zhi)徑爲D的管道(dào)。管道由不導(dao)磁材料制成(cheng)，内表面加絕(jue)緣襯裏。當🌈導(dao)電的液體在(zài)管道中流動(dong)時，導電液體(tǐ)就切割磁力(li)線，因而在磁(ci)🧡場及流動方(fang)🌈向垂直的方(fang)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(liǎng)端安裝一對(dui)電極，隻要管(guǎn)道内流速υ爲(wei)軸對稱分布(bu)，兩極之✔️間就(jiù)會産生感應(yīng)🙇‍♀️電動勢［3］，此感(gǎn)應電動勢與(yǔ)流速具有線(xiàn)性關系。其表(biǎo)達式爲：
E=K·B·D·V（1）
　　式中(zhong)：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(wèi)測量管内直(zhi)徑（m）；
B爲磁感應(yīng)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(dé)出流速信号(hao)。圖2爲電磁流(liu)量計整體設(shè)計示意圖。

　　考慮到傳(chuan)感器出來的(de)微弱信号容(rong)易在傳輸線(xian)上損💁耗，故而(er)電🤩極信号調(diao)理闆和空管(guǎn)檢測功能闆(pǎn)就近放置于(yú)傳感器出線(xian)口，調理後經(jīng)屏蔽線傳輸(shu)至轉換器上(shang)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(xian)圈磁場洩露(lù)，信号采用屏(píng)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(bǎo)證信号的完(wán)整性。
　　電路上(shang)采用雙核主(zhǔ)從式控制，方(fang)便流速測量(liang)及其空管檢(jiǎn)測，克服了以(yi)往電磁流量(liàng)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(jia)智能化，更加(jia)便于管理施(shi)工。
2勵磁方式(shì)的合理選擇(ze)
　　目前國産挖(wā)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(bi)免零點漂移(yí)及無正交幹(gan)擾，抗同相幹(gàn)擾能力較好(hǎo)［4］。但對于液固(gù)兩相流體而(ér)言，當固體顆(kē)粒撞擊電極(jí)，表面電位變(bian)化形成尖峰(fēng)狀噪聲，信号(hào)呈現大幅度(du)波動。而低頻(pin)方波勵磁不(bu)能從硬件技(ji)術上消除這(zhe)種由于沖擊(ji)造成的幹擾(rǎo)，要實現測量(liang)結果的穩定(dìng)，隻能通過調(diào)整勵磁頻率(lǜ)☔外加軟件手(shou)段加以消除(chu)，但有兩方面(mian)的缺陷：
（1）挖泥(ni)船上工況複(fú)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(tong)過現場不斷(duàn)調試較🚶合适(shì)的頻率參數(shu)。同㊙️一工👄地不(bu)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(píng)，要做到💛這一(yi)步非常困難(nan)，目前基本上(shang)采用大體上(shàng)可測量的單(dan)一頻率。
（2）采用(yong)軟件濾波降(jiang)低由沖擊噪(zao)聲産生的波(bo)動幅度，波動(dong)幅度平🌍滑程(chéng)度越高，則測(ce)量結果的真(zhēn)實性和實時(shi)🐉性就🔞越差，很(hen)多情況下會(huì)導緻測量結(jié)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(pín)（50Hz）電源交流勵(li)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(jiāo)變的，所以輸(shū)出信号也是(shì)交變信号，放(fàng)大和轉換低(dī)電平的交流(liú)信号要比直(zhi)流信号容易(yi)得多。但🔱值得(dé)注意的是，用(yòng)交流勵場會(hui)帶來一系列(liè)的電磁幹擾(rǎo)問題。例如正(zheng)交幹擾、同相(xiang)幹擾等，這些(xiē)幹擾信号與(yǔ)有用💃的流量(liang)信号混💰雜在(zài)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(xin)号，就成爲交(jiao)流勵磁電磁(ci)流量計成功(gong)應用于液固(gù)兩相流體測(ce)量的關鍵點(diǎn)。
3信号處理的(de)改進
　　液固兩(liǎng)相流介質（尤(you)其含大塊顆(ke)粒的情況）與(yu)測量管🧡道的(de)💔摩擦及對測(cè)量元件不定(dìng)時的沖擊，會(huì)産生大量強(qiang)度的幹擾信(xìn)号，常規信号(hao)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(di)一，如💰何将微(wei)弱的流量信(xìn)号與幹擾信(xin)号區分開來(lai)；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(he)理的回路結(jie)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(bō)等一系列硬(ying)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(zheng)交幹擾信🔞号(hào)和同相💯幹擾(rao)。　　爲了保證測(ce)量的實時性(xìng)和準确性😍，先(xian)将勵磁信号(hao)和感生✂️電勢(shì)信号進行數(shù)字濾波，再利(li)用軟件算法(fa)進行除法☂️運(yùn)算得到流速(su)信号，借此來(lái)得到穩🔅定的(de)實時流速。
主(zhu)控制電路總(zong)體設計方案(àn)如圖3所示。

　　電(dian)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(shēng)抑制而成爲(wèi)大幅度低阻(zu)抗的電壓信(xìn)号。此信号經(jīng)🌐相敏檢波後(hou)，給CPU進行數字(zi)濾波、處理和(hé)控制，通過利(li)用雙線性變(biàn)換法将模拟(ni)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(ke)靠性高、穩定(dìng)性好。通過編(biān)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(ce)量的全量程(chéng)範圍内分🔅10段(duan)對信号進行(háng)非線性修🈲正(zheng)，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(háng)識别後接收(shou)并判斷出查(cha)🏃詢什😍麽信号(hào)，然後産生應(ying)答信号上傳(chuán)至主控芯片(piàn)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(tong)過控制MOS管開(kāi)關來關斷流(liu)速輸出。在應(ying)用中，對于微(wēi)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(píng)🏒蔽考慮，屏蔽(bì)來自空間磁(ci)場的幹擾、周(zhou)邊設備的輻(fú)射造成的幹(gàn)擾和闆🐆内之(zhī)間的幹擾⛹🏻‍♀️，如(rú)數模分離、強(qiáng)弱電分離等(děng)等。
4空管檢測(ce)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(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(chuan)感器電極部(bù)分🔅或全部從(cóng)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(shu)出爲0。由電磁(cí)流量計（兩電(dian)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(qi)等效原理如(ru)圖5所示。電路(lu)爲對稱⛷️結構(gou)，圖中e1和Z1分别(bie)是傳感器的(de)流量信号和(he)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(lǐ)圖。其中R是流(liu)體電阻，C1是激(ji)勵源與傳感(gan)器電極及其(qi)放大器輸入(rù)的隔直❄️電容(róng)🐕，C2是信号電纜(lan)的對地電容(róng)［6］。

　　國内EMF大都采(cǎi)用密度計跟(gen)流量計配套(tào)使用，當密度(dù)計檢測密度(du)爲0時，判斷爲(wei)空管，關斷流(liú)量計輸出。也(ye)有部分電磁(cí)流✌️量計上使(shi)💋用空管檢測(ce)功能，但由于(yu)采用相對電(dian)導🏃‍♀️率作爲判(pàn)斷依據，一旦(dan)💋管道内有雜(za)物流過或者(zhě)撞擊電🧑🏾‍🤝‍🧑🏼極時(shí)，都有可能使(shi)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(guan)，導緻正常施(shī)工過程中，流(liu)❤️速測量值回(huí)零現象時有(you)發生，影響工(gong)程進度和施(shī)工量的計算(suan)。
　　采用絕對電(dian)導率測量方(fāng)法，既可方便(bian)流量計獨立(lì)使用，也克服(fú)了相對電導(dao)率方法的弊(bì)端。解決的難(nán)🥵點在于：一是(shi)如👈何将空管(guǎn)檢測信号與(yǔ)正常流速信(xìn)💛号分離開，二(er)是如何在信(xìn)号線上走電(dian)源信号。解決(jue)的方法在于(yu)空管檢💔測信(xin)号利用高頻(pín)激勵與50Hz流速(su)信号區分開(kai)，但是頻率過(guo)高容易引起(qǐ)🈲電極間電容(rong)産生極化效(xiao)應🏃‍♂️且不利于(yú)PCB布闆，最後綜(zong)合考慮使用(yòng)周期爲16μs的高(gao)頻正弦波勵(li)磁。将空管檢(jian)測信号采用(yòng)⭐數☂️據流進行(háng)傳輸，實現信(xin)号線的單線(xiàn)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(shang)就近進行信(xìn)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(zhi)，可定時采集(ji)當前流體的(de)電導率，與空(kōng)管檢測的阈(yù)值相比較⛷️，還(hai)可采樣勵磁(ci)電流并判斷(duàn)勵磁是否出(chu)現開路或者(zhě)短路故障。兩(liǎng)電極之間流(liu)體電阻計算(suan)🔞公式如下：

　　由(you)于兩電極之(zhi)間阻值不僅(jǐn)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(jiāng)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(zhe)款大口徑管(guan)道上的電磁(ci)流量計監測(cè)出管内空🎯管(guǎn)、勵磁開路或(huo)短路時，或者(zhe)流量超出設(she)定上、下限🈲值(zhi)時，便會自動(dong)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(wa)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(xìng)問題🔴，并且測(cè)量數據的實(shí)時性得到極(jí)大🐅提高，有效(xiào)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(zhǐ)導挖泥施工(gōng)過程中發揮(huī)了良好作用(yong)。

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