0引(yǐn)言
　　挖泥船電磁(cí)流量計用(yòng)來指(zhǐ)導挖泥船操作施工(gōng)，防止(zhǐ)堵管(guǎn)、悶耙(pá)，與密(mì)度測(cè)量設備一(yī)起使用構(gòu)成(chéng)産量計(jì)，爲施工操(cāo)作與(yǔ)管理提(tí)供決策(cè)數據，有利(lì)于提(tí)高施(shī)工效率。其(qí)測量介(jiè)質爲液(yè)固兩(liǎng)相流體(tǐ)，有(yǒu)别于通常意義(yì)下的單(dān)一介質(zhì)，測量難度大大增加(jiā)。而電(diàn)磁流(liú)量計（emf）是根據電(diàn)磁感(gǎn)應定(dìng)律制成的一種(zhǒng)測量導電性流體流(liú)量的(de)儀表［1］。與現有各種流量儀(yí)表相比，其(qí)直線性好(hǎo)、測量精度(dù)高、測量(liàng)範(fàn)圍和适用(yòng)範圍廣、耐(nài)腐蝕(shí)性能強，可(kě)以解決(jué)其他流(liú)量計(jì)不(bú)易(yì)解決的問題，如髒污(wū)流、腐(fǔ)蝕(shí)流等的(de)測量［2］。
　　目前國(guó)内(nèi)應用于(yú)挖(wā)泥船的電磁流(liú)量計(jì)大多存在零點漂移(yí)、轉換精度(dù)不高、流(liú)速不穩(wěn)、空管(guǎn)檢測易失(shī)常等諸(zhū)多(duō)問題。對此(cǐ)，我們進行(háng)了相關(guān)研(yán)究并(bìng)提出相應改進(jìn)措施，現已研發(fā)出一(yī)種專門用(yòng)于挖(wā)泥船(chuán)的電(diàn)磁流量計，在耙(pá)吸式挖泥船(chuán)上成功應用(yòng)，取得了很好(hǎo)的效果。本文(wén)通過信号(hào)處理和(hé)空(kōng)管檢(jiǎn)測功能詳細(xì)介紹該新型挖泥船電磁(cí)流(liú)量計(jì)。
1電磁流(liú)量(liàng)計工作原理
　　電(diàn)磁流(liú)量計(jì)分(fèn)爲傳感(gǎn)器和轉換(huàn)器兩(liǎng)部分。傳(chuán)感器是(shì)把流過管道内(nèi)的導電(diàn)流體的流速(sù)信号轉換(huàn)爲電信(xìn)号，轉換器是把(bǎ)傳感器(qì)輸出的電信号進行有用信号(hào)識别提取(qǔ)并(bìng)進(jìn)行相關(guān)處理，用(yòng)于主機顯(xiǎn)示，主(zhǔ)要由(yóu)勵磁電路(lù)、信号調(diào)理電路(lù)、微處理電路等(děng)部分組成。圖1爲(wèi)傳感器工作原(yuán)理示(shì)意圖(tú)。

　　根據法拉第電磁(cí)感應定(dìng)律，當一導體(tǐ)在磁場中運(yùn)動而切割磁(cí)力線(xiàn)時，在導體(tǐ)兩端便會(huì)産生(shēng)感應電動勢。設(shè)在均勻磁場中(zhōng)，垂直于磁(cí)場方(fāng)向有一個(gè)直徑(jìng)爲d的管道。管道(dào)由不導磁(cí)材料制成(chéng)，内表(biǎo)面加(jiā)絕緣襯裏。當導電的液體在管(guǎn)道中流動(dòng)時，導電液(yè)體就切割(gē)磁力線，因(yīn)而在(zài)磁場(chǎng)及流動方(fāng)向垂直的(de)方(fāng)向(xiàng)将産生感應電動勢(shì)。如(rú)果在管(guǎn)道截(jié)面垂直于(yú)磁(cí)場的直徑兩(liǎng)端安(ān)裝一對電(diàn)極，隻要管(guǎn)道内(nèi)流速(sù)υ爲軸對稱(chēng)分布(bù)，兩極之間(jiān)就會(huì)産生感應(yīng)電動勢［3］，此感應(yīng)電動勢(shì)與流速(sù)具有線性(xìng)關系(xì)。其表達式爲：
e=k·b·d·v（1）
　　式(shì)中：v爲(wèi)測量(liàng)管道(dào)内截(jié)面上的平(píng)均流速（m/s）；
k爲儀表(biǎo)常數；
d爲測量管(guǎn)内直徑（m）；
b爲磁感應強(qiáng)度（t）。
　　轉換器(qì)将此感(gǎn)應(yīng)電動(dòng)勢測出，再根據(jù)線性關(guān)系(xì)式即可得(dé)出流(liú)速信(xìn)号(hào)。圖2爲電(diàn)磁流(liú)量計(jì)整體設計(jì)示意圖。

　　考(kǎo)慮到(dào)傳(chuán)感器(qì)出來的(de)微弱(ruò)信号(hào)容易(yì)在傳輸(shū)線上損耗，故(gù)而電極信号調理闆和空(kōng)管檢(jiǎn)測功(gōng)能闆(pǎn)就近(jìn)放(fàng)置于傳(chuán)感器(qì)出線口，調(diào)理後經屏蔽線(xiàn)傳輸至轉(zhuǎn)換器上的主控電路(lù)。
　　結構上管(guǎn)道本(běn)身就(jiù)是個(gè)大的(de)屏蔽體，防(fáng)止勵(lì)磁線(xiàn)圈磁場洩(xiè)露，信号(hào)采用屏(píng)蔽線(xiàn)傳(chuán)輸，減少線與線之(zhī)間信号幹擾(rǎo)，以(yǐ)及空(kōng)間傳(chuán)播的(de)幹擾(rǎo)，保(bǎo)證(zhèng)信号的完(wán)整性(xìng)。
　　電路(lù)上(shàng)采(cǎi)用雙核(hé)主(zhǔ)從式(shì)控制，方便流速(sù)測量(liàng)及其(qí)空管(guǎn)檢測，克服了以(yǐ)往電磁流量計需要配合密度(dù)計來(lái)使用(yòng)的缺(quē)陷；同時利(lì)用微機技術，使其各(gè)方面性能大大提高，更加智能(néng)化，更加(jiā)便于管理施(shī)工。
2勵磁方式的合理(lǐ)選擇(zé)
　　目前(qián)國産挖泥船流量計(jì)大多(duō)采用低(dī)頻方波(bō)勵磁方式，其主(zhǔ)要特(tè)點是能避(bì)免零點漂移及(jí)無正(zhèng)交幹擾，抗(kàng)同相(xiàng)幹擾能力(lì)較好［4］。但對(duì)于液(yè)固兩相流體而(ér)言，當(dāng)固(gù)體顆(kē)粒(lì)撞擊(jī)電極，表面(miàn)電位變(biàn)化形成(chéng)尖峰狀噪聲，信(xìn)号呈現大(dà)幅度(dù)波動(dòng)。而低(dī)頻(pín)方(fāng)波勵磁(cí)不(bú)能從硬件技術(shù)上消(xiāo)除這(zhè)種由于沖擊(jī)造成的(de)幹擾，要實現測(cè)量結(jié)果的(de)穩定，隻能通過調(diào)整勵磁頻率(lǜ)外加軟件手段(duàn)加以消除(chú)，但有兩方面的(de)缺陷：
（1）挖泥(ní)船上(shàng)工況複雜(zá)，挖泥(ní)工況(kuàng)與合适勵(lì)磁(cí)頻率(lǜ)匹(pǐ)配問題很難(nán)完美解(jiě)決，隻能通過現場不(bú)斷(duàn)調試較(jiào)合适的頻(pín)率參數。同(tóng)一(yī)工地不(bú)同土質都(dōu)需要(yào)改變(biàn)頻率(lǜ)參數(shù)，以目前的現場條件及技術水(shuǐ)平，要做到這一(yī)步非常困難，目前基(jī)本上(shàng)采用(yòng)大體上(shàng)可測量(liàng)的單一(yī)頻(pín)率。
（2）采(cǎi)用軟件濾波降(jiàng)低由(yóu)沖擊(jī)噪(zào)聲(shēng)産生的(de)波動幅(fú)度，波動(dòng)幅度平(píng)滑程(chéng)度(dù)越(yuè)高，則測量結果的真(zhēn)實性和實時性就越差，很多情(qíng)況下會導緻測(cè)量結果失(shī)真，尤(yóu)其當高流速、固(gù)體含量高、大顆粒的(de)工況。
　　而采(cǎi)用工頻（50hz）電源交流勵磁(cí)方式，消(xiāo)除(chú)了電極表面(miàn)的極化于(yú)擾，抗(kàng)固體顆粒(lì)撞擊電極(jí)形成尖峰(fēng)狀噪聲(shēng)能力強(qiáng)。由于磁場(chǎng)是交(jiāo)變的，所以輸(shū)出(chū)信号(hào)也是交變(biàn)信号，放大(dà)和轉(zhuǎn)換低(dī)電(diàn)平的交(jiāo)流信号(hào)要比直流信号容易得(dé)多。但值得注意的是，用交流勵(lì)場會(huì)帶來一系列的(de)電磁幹擾(rǎo)問題。例如(rú)正交(jiāo)幹擾(rǎo)、同相幹擾(rǎo)等，這些幹(gàn)擾信(xìn)号與(yǔ)有用的流(liú)量信号混雜在(zài)一起(qǐ)。因此(cǐ)，如何(hé)正确區分(fèn)流量(liàng)信号與(yǔ)幹(gàn)擾信(xìn)号，并如何有效地抑制和排除(chú)各種幹(gàn)擾信(xìn)号(hào)，就成(chéng)爲交流勵(lì)磁電磁流量計成功應用(yòng)于液(yè)固兩相流體測(cè)量的關鍵點。
3信号處(chù)理(lǐ)的(de)改進(jìn)
　　液固兩(liǎng)相(xiàng)流介質（尤(yóu)其含(hán)大塊顆粒(lì)的情況）與(yǔ)測量(liàng)管道的摩擦及(jí)對測(cè)量元(yuán)件不定(dìng)時的沖擊，會産(chǎn)生大量(liàng)強度的幹擾信号，常(cháng)規信号(hào)處(chù)理技術會造成測量結果大幅(fú)度波(bō)動、回零等(děng)現象(xiàng)，情況嚴重(zhòng)時會失(shī)去測量(liàng)意義(yì)。對于信号(hào)處理(lǐ)有兩個難(nán)點：第(dì)一(yī)，如何将(jiāng)微弱的流量信(xìn)号與幹擾信号區分開來(lái)；第二，如何保(bǎo)證測量(liàng)的實(shí)時性(xìng)和正确率。解(jiě)決幹擾(rǎo)的辦法(fǎ)：
（1）首先需要設(shè)計合(hé)理的(de)回路結構(gòu)，利用信号(hào)調理電路(lù)減少(shǎo)大(dà)部(bù)分幹(gàn)擾信(xìn)号。
（2）主控制(zhì)電路上通過相(xiàng)敏檢波等一系(xì)列硬件電路再(zài)結(jié)合軟(ruǎn)件進行(háng)相位補償和零(líng)位補償進一步(bù)消除正交幹擾(rǎo)信号和同(tóng)相幹擾。　　爲了保(bǎo)證測(cè)量的實時性和(hé)準确性，先将勵(lì)磁信(xìn)号和感生電勢(shì)信号進行數字(zì)濾波，再利(lì)用軟件(jiàn)算(suàn)法進行除(chú)法運算得(dé)到流速信号，借此來(lái)得到穩定(dìng)的實時流速。
主控制電路(lù)總體(tǐ)設計(jì)方案如圖(tú)3所示。

　　電(diàn)極檢測(cè)出的(de)微弱(ruò)感應電動(dòng)勢(shì)e，先經前(qián)置放(fàng)大器的放大和(hé)噪聲抑制(zhì)而成爲大(dà)幅度低阻抗的電壓(yā)信号。此信号經(jīng)相敏檢波後，給(gěi)cpu進行數字(zì)濾波(bō)、處理(lǐ)和控制，通(tōng)過利用雙線性(xìng)變換(huàn)法将模拟(nǐ)的二階巴特沃(wò)斯低通濾波器(qì)轉換爲數字式濾波器(qì)，既簡化電(diàn)路設計，且可(kě)靠性高(gāo)、穩定性好。通過編寫軟(ruǎn)件cpu能對(duì)放大器(qì)的溫(wēn)度(dù)漂(piāo)移及(jí)零點(diǎn)漂移給予(yǔ)補償，并(bìng)在測量的全量程範圍内分(fèn)10段對(duì)信号(hào)進行非(fēi)線性修(xiū)正(zhèng)，使得測量值(zhí)更好地拟(nǐ)合(hé)真(zhēn)實數(shù)據。
　　空管檢(jiǎn)測電路上(shàng)，cpu作爲從控制器。當主(zhǔ)控制電路上發(fā)出空管檢測查詢信号wire，從(cóng)控制(zhì)器進行(háng)識(shí)别後(hòu)接收并判斷出(chū)查詢什麽(me)信号(hào)，然後産生應答(dá)信号(hào)上(shàng)傳(chuán)至主控芯(xīn)片輸出顯(xiǎn)示；當檢(jiǎn)測(cè)爲空(kōng)管信(xìn)号時，從cpu發(fā)出的zero信号通過(guò)控制(zhì)mos管開(kāi)關來關斷流速(sù)輸出(chū)。在應用(yòng)中，對于(yú)微弱信号的放(fàng)大及(jí)提取還需(xū)注意pcb闆(pǎn)設(shè)計時(shí)emi電磁屏蔽考慮(lǜ)，屏蔽來自空間磁場(chǎng)的幹擾、周(zhōu)邊設(shè)備的輻射(shè)造成的幹擾和闆内(nèi)之間(jiān)的幹(gàn)擾，如數(shù)模(mó)分離(lí)、強(qiáng)弱電分(fèn)離等(děng)等。
4空管檢測功(gōng)能的實現(xiàn)方法研究
　　電(diàn)磁流量(liàng)計的測量(liàng)方程是建(jiàn)立(lì)在流體(tǐ)滿管于(yú)測(cè)量管(guǎn)道的條(tiáo)件(jiàn)之下(xià)的，在(zài)實際流量(liàng)控制(zhì)中主(zhǔ)要是(shì)解(jiě)決傳感(gǎn)器處(chù)于空管狀态下(xià)的流量值(zhí)閉鎖問題［5］，具(jù)體是指(zhǐ)當傳(chuán)感器電極(jí)部(bù)分(fèn)或(huò)全部從(cóng)流體中裸(luǒ)露出來時，系統應及(jí)時檢查到這一(yī)狀态(tài)并掐(qiā)斷流(liú)速，使(shǐ)流量計輸(shū)出爲0。由電磁流(liú)量計(jì)（兩電極）傳(chuán)感器與信号放大器(qì)組成如圖(tú)4所(suǒ)示信(xìn)号測量(liàng)關系(xì)。

　　其中s1、s2分(fèn)别爲兩個(gè)電極(jí)，其等效原(yuán)理如(rú)圖5所示。電路爲(wèi)對稱結構，圖中e1和z1分别是(shì)傳感(gǎn)器的(de)流量信号(hào)和(hé)對(duì)應的流體(tǐ)阻抗，z0爲放(fàng)大器(qì)的輸入阻(zǔ)抗。

　　如(rú)圖6所示(shì)爲附加(jiā)激勵(lì)的實際原(yuán)理圖。其中r是流(liú)體電(diàn)阻，c1是激(jī)勵(lì)源與傳感(gǎn)器電(diàn)極及(jí)其(qí)放大器輸入的(de)隔(gé)直電(diàn)容，c2是(shì)信号電纜(lǎn)的對(duì)地電容［6］。

　　國内emf大都(dōu)采(cǎi)用密度計跟(gēn)流量計配套使用，當密度計檢(jiǎn)測密(mì)度爲0時，判(pàn)斷爲空(kōng)管(guǎn)，關斷(duàn)流(liú)量計輸出。也(yě)有部(bù)分電(diàn)磁(cí)流(liú)量計上(shàng)使用空(kōng)管檢(jiǎn)測功能，但由于采用相對(duì)電導率作(zuò)爲判(pàn)斷依據，一(yī)旦管(guǎn)道内有雜(zá)物流(liú)過或者撞擊電(diàn)極時，都有可能(néng)使得(dé)相對電導(dǎo)率急劇變化。由(yóu)于挖(wā)泥船管道(dào)内流動的(de)是液(yè)固兩(liǎng)相流(liú)體，從(cóng)而誤判(pàn)爲(wèi)空管(guǎn)，導緻正常(cháng)施工(gōng)過程中，流速測(cè)量值回零現象(xiàng)時有(yǒu)發生(shēng)，影響(xiǎng)工(gōng)程進度(dù)和施(shī)工量的計算。
　　采(cǎi)用絕對電(diàn)導率(lǜ)測量方(fāng)法(fǎ)，既可方便(biàn)流量計獨(dú)立使用，也(yě)克服(fú)了相對電(diàn)導率(lǜ)方法的弊端。解(jiě)決的(de)難(nán)點(diǎn)在于：一是(shì)如何将空(kōng)管檢測信号與(yǔ)正常流速(sù)信号(hào)分離開，二是如(rú)何在(zài)信(xìn)号線上走電源(yuán)信号。解(jiě)決的方法在于(yú)空管檢測信号利用高頻激勵(lì)與50hz流速信号區分開(kāi)，但是頻率(lǜ)過高容易引起(qǐ)電極(jí)間電(diàn)容産(chǎn)生極化效應且不利于pcb布闆，最(zuì)後綜(zōng)合考慮使(shǐ)用周期(qī)爲16μs的高頻正弦波勵磁。将空(kōng)管(guǎn)檢(jiǎn)測信(xìn)号采用(yòng)數據流(liú)進行傳輸，實現(xiàn)信号(hào)線的單線(xiàn)複用。爲了保證(zhèng)微弱的空(kōng)管檢測信号不失真(zhēn)傳輸，在流量計(jì)信号調理闆上(shàng)就近進行信(xìn)号(hào)處理後(hòu)，通過屏(píng)蔽電纜傳輸至(zhì)主控電路。空管檢(jiǎn)測信号采用(yòng)單片機控制(zhì)，可(kě)定時(shí)采集當前(qián)流體的(de)電(diàn)導率(lǜ)，與空(kōng)管檢測的(de)阈值相比(bǐ)較，還(hái)可采(cǎi)樣勵磁電流并(bìng)判斷勵磁(cí)是否(fǒu)出現開路(lù)或者短(duǎn)路故障。兩電極之間流(liú)體電阻計(jì)算公(gōng)式如(rú)下(xià)：

　　由(yóu)于兩(liǎng)電極之間阻值不僅(jǐn)與溶液自(zì)身(shēn)有關，還與管(guǎn)道的内(nèi)徑(jìng)、電極(jí)的截(jié)面積(jī)有關，因而将空(kōng)管檢(jiǎn)測的(de)阈值設定(dìng)爲一(yī)個可調參(cān)數，使(shǐ)其适用範圍更廣。這(zhè)款大(dà)口徑管道(dào)上的(de)電磁流量計監(jiān)測(cè)出管(guǎn)内(nèi)空管(guǎn)、勵磁(cí)開路或(huò)短(duǎn)路時，或者流量(liàng)超出設定上、下(xià)限值(zhí)時(shí)，便(biàn)會自動(dòng)報(bào)警并(bìng)作出(chū)相應動(dòng)作。
5結論(lùn)
　　将本(běn)文所(suǒ)述新(xīn)型挖泥(ní)船電磁(cí)流量計安(ān)裝到(dào)挖(wā)泥(ní)船後(hòu)，從根(gēn)本上解(jiě)決(jué)了(le)挖(wā)泥施(shī)工過(guò)程中流速(sù)測量的穩(wěn)定性問題(tí)，并且(qiě)測量數(shù)據(jù)的實(shí)時性得到(dào)極大(dà)提高(gāo)，有效(xiào)測量時間最短(duǎn)可達(dá)到200ms。此(cǐ)外(wài)設備精(jīng)度達到0.5級，在指(zhǐ)導挖泥(ní)施工過(guò)程中發(fā)揮了良好作用。

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