0引言
　　挖(wa)泥船電磁流(liu)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(yong)構成産量計(jì)，爲施工操作(zuò)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(yè)固兩相流體(ti)，有别于通常(cháng)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(yī)種測量導電(dian)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(ce)量精度高、測(ce)🙇‍♀️量範圍和适(shi)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(guo)内應用于挖(wā)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(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(yi)研發出一🛀🏻種(zhong)專門用于挖(wā)泥船的電磁(cí)流量計，在耙(pá)吸式挖泥船(chuan)上成功應用(yòng)，取得了很好(hao)的效果。本文(wén)通過信号處(chù)理和空管檢(jian)測功✌️能詳細(xì)介紹該新型(xing)挖泥船電磁(ci)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(zhuan)換爲電信号(hào)，轉換器是把(ba)傳感器輸出(chū)的電信号進(jìn)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(lu)、微處理電路(lù)等部分組成(cheng)。圖1爲傳感器(qi)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(ti)在磁場中運(yun)動而切割磁(cí)力線時，在導(dao)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(fang)向有一個直(zhi)徑爲D的管道(dào)。管道由不導(dǎo)磁材料制成(chéng)，内表面加絕(jué)緣襯裏。當導(dǎo)電的液體在(zài)管道中流動(dong)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(gǎn)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(guan)道内流速υ爲(wèi)軸對稱分布(bu)，兩極之🙇🏻間就(jiu)會産生感應(ying)電動勢［3］，此感(gǎn)應電動勢🏃‍♂️與(yu)流速具有線(xian)性關系。其表(biao)達式爲：
E=K·B·D·V（1）
　　式中(zhong)：V爲測量管道(dao)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(qi)将此感應電(dian)動勢測出，再(zai)根據線性關(guan)系式即👣可得(de)出👈流速信号(hào)。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(róng)易在傳輸線(xiàn)上🌈損耗，故而(er)電極信号調(diao)理闆和空管(guan)檢測功能闆(pan)就近放置于(yu)傳感器出線(xiàn)口，調理後經(jīng)屏蔽線傳輸(shū)至轉換器上(shàng)的主控電路(lù)。
　　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(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(bǎo)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(tóng)🙇‍♀️時利用微機(ji)技術，使其各(gè)方面性能大(dà)大提高，更加(jiā)智能化，更加(jiā)便于管理施(shī)工。
2勵磁方式(shi)的合理選擇(zé)
　　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(yí)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(ér)言，當固體顆(ke)粒撞擊電極(jí)，表面電位變(biàn)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(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(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(chú)🌈，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(cí)頻率匹配問(wèn)題💯很難🚶‍♀️完美(mei)解決，隻能通(tōng)過現場不斷(duan)調試較合适(shì)的頻👈率參數(shù)。同一工地不(bu)同土質都需(xu)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(yi)步非常困難(nan)，目🏒前基本上(shang)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(ce)量結果的真(zhen)實性和實時(shí)性就越差，很(hěn)多情況下會(hui)導緻測量結(jie)果失真，尤其(qí)當高流速、固(gu)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(xíng)成尖峰狀噪(zao)❓聲能✍️力強。由(yóu)于🧑🏾‍🤝‍🧑🏼磁場是交(jiāo)變的，所以輸(shu)出信号也是(shì)☔交變信号，放(fang)大和轉換低(di)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(yong)交流勵場會(huì)帶來一系列(lie)的電磁幹擾(rao)問題。例如正(zhèng)‼️交幹擾、同相(xiang)幹擾等，這些(xie)幹擾信号與(yǔ)有用的流量(liàng)信号混⛱️雜在(zai)一起。因此，如(rú)何正确區分(fen)流量信号💜與(yǔ)幹擾信号，并(bìng)如何有效地(di)抑制和排除(chú)各種幹擾信(xìn)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(cè)🛀量的關鍵點(dian)。
3信号處理的(de)改進
　　液固兩(liang)相流介質（尤(yóu)其含大塊顆(ke)粒的情況）與(yǔ)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(qiáng)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(bō)動、回零等現(xian)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(wēi)弱的流量信(xin)号與幹擾信(xìn)号區分開來(lai)；第二，如何保(bǎo)證測量的實(shi)時性和正确(que)率。解決幹擾(rǎo)的辦法：
（1）首先(xian)需要設計合(he)理的回路結(jié)構，利用信号(hào)調理電路👉減(jian)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(yìng)件電路⭐再結(jie)🆚合軟件進行(háng)相位補償和(he)零位補償進(jìn)一步消除正(zheng)交幹擾信号(hào)和同相幹擾(rǎo)。　　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(shi)信号進行數(shù)字濾波，再利(li)用軟件算法(fa)進行除法運(yun)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(dian)極檢測出的(de)微弱感應電(diàn)動勢E，先經前(qian)置放大器的(de)放大🌂和噪聲(shēng)抑制而成爲(wei)大幅度低阻(zǔ)抗的電壓信(xin)号。此信号經(jīng)相敏檢波後(hou)，給CPU進行數字(zì)濾波、處理🌈和(hé)控制♌，通過利(li)用雙線性變(bian)換法将模♋拟(ni)的二階巴特(tè)沃斯低通濾(lü)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(dìng)性好。通過編(bian)寫軟件CPU能👨‍❤️‍👨對(dui)放大器的溫(wēn)度漂移及零(ling)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(hang)非線性修正(zhèng)，使得測量值(zhí)更好地拟合(he)真實數據。
　　空(kong)管檢測電路(lù)上，CPU作爲從控(kòng)制器。當主控(kòng)制電路上發(fā)㊙️出☎️空管檢測(cè)查詢信号wire，從(cóng)控制器進行(hang)識别後接收(shou)并判斷✌️出查(cha)🏃詢什🈲麽信号(hao)，然後産生應(yīng)答信号上傳(chuán)至主控芯片(piàn)輸出顯🍓示；當(dāng)檢測爲空管(guan)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(wēi)弱信号的放(fang)大及提取還(hai)需注意PCB闆🌍設(shè)計時EMI電磁屏(píng)蔽考慮，屏蔽(bì)來💔自空間磁(cí)場的幹擾、周(zhou)邊設備的輻(fú)射造成的⛷️幹(gàn)擾和闆内之(zhi)間的幹擾，如(ru)數模分離、強(qiáng)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(tǐ)滿管于測量(liang)管道的條✉️件(jian)之下的，在實(shí)際流量控制(zhi)中主要是解(jie)決傳感👉器處(chu)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(cong)流體中裸露(lù)出來時，系統(tong)應及時檢查(chá)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(yu)信号放大器(qi)🤩組成如圖4所(suǒ)示信号測量(liang)關系。

　　其中S1、S2分别爲(wei)兩個電極，其(qi)等效原理如(ru)圖5所示。電路(lu)爲✏️對稱結構(gòu)，圖中e1和Z1分别(bie)是傳感器的(de)流量信号和(hé)對應的流🍉體(ti)阻抗，Z0爲🚶放大(dà)💘器的輸入阻(zu)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(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(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(gēn)流量計配套(tao)使用，當密度(du)計🔞檢測密度(du)爲0時，判斷爲(wèi)空管，關斷流(liu)量計輸出。也(ye)有部分電🚶磁(cí)流量計上使(shǐ)💋用空管檢測(ce)功能，但由于(yú)🌈采用相❤️對電(dian)導率作爲判(pan)斷依據，一旦(dan)🌈管道内有雜(zá)物流過或者(zhe)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(dòng)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(liú)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(suàn)。
　　采用絕對電(diàn)導率測量方(fāng)法，既可方便(bian)流量計獨立(li)使用，也克⭐服(fu)了相對電導(dǎo)率方法的弊(bi)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(xìn)号線上走電(diàn)源信号。解決(jué)的方法在于(yu)空管檢測信(xin)号利用高頻(pin)激勵與50Hz流速(su)信号區分開(kai)🈚，但是頻率過(guò)🧡高容易引起(qi)電極間電容(róng)⭕産生極化效(xiao)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(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(xìn)号線的單線(xiàn)🈲複用。爲了保(bǎo)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(shang)就近⭐進行信(xin)号處理後，通(tong)過屏蔽電纜(lan)☎️傳輸至主控(kong)電路。空管檢(jian)測信号采用(yòng)單片機控制(zhì)，可定🌂時采集(ji)當前流體的(de)電導率，與空(kong)管檢測的阈(yu)值相比較🐇，還(hái)可采樣勵磁(ci)電流并判斷(duan)勵⁉️磁是否出(chū)現開路或者(zhe)短路故障。兩(liang)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(shēn)有關，還與管(guan)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(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(guǎn)、勵磁開路或(huo)短路時，或者(zhě)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(jie)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(guò)程中流速測(cè)量的穩☁️定性(xìng)問題，并且🥵測(ce)量數據的實(shi)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(dù)達🐇到0.5級，在指(zhǐ)導挖泥施工(gong)過程中🌐發揮(hui)了良好作用(yòng)。

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