挖泥船上使用新型電磁污水流量計的應用案例分析

電磁污水流量計在工業(yè)生產(chǎn)有著(zhù)泛的應用，在挖泥船作業(yè)過(guò)程中，電磁污水流量計也是一個(gè)重要控制與監測生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)量的儀表，挖泥船電磁污水流量計用來(lái)指導挖泥船操作施工，防止堵管、悶耙，與密度測量設備一起使用構成產(chǎn)量計，為施工操作與管理提供決策數據，有利于提高施工效率。其測量介質(zhì)為液固兩相流體，有別于通常意義下的單一介質(zhì)，測量難度大大增加。而電磁污水流量計（EMF）是根據電磁感應定律制成的一種測量導電性流體流量的儀表。與現有各種流量?jì)x表相比，其直線(xiàn)性好、測量準確度高、測量范圍和適用范圍廣、耐腐蝕性能強，可以解決其他流量計不易解決的問(wèn)題，如臟污流、腐蝕流等的測量。目前國內應用于挖泥船的電磁污水流量計大多存在零點(diǎn)漂移、轉換精度不高、流速不穩、空管檢測易失常等諸多問(wèn)題。對此，我們進(jìn)行了相關(guān)研究并提出相應改進(jìn)措施，現已研發(fā)出一種專(zhuān)門(mén)用于挖泥船的新型電磁污水流量計，研究了適用于挖泥船上電磁污水流量計的空管檢測功能的實(shí)現方法。該型流量計采用工頻交流勵磁，結合微機技術(shù)，利用微機進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和分段線(xiàn)性擬合數據，大大提高流速測量的精度和穩定性。采用軟硬件結合的手段進(jìn)行多方面改進(jìn)措施，解決工頻干擾和零點(diǎn)穩定性的問(wèn)題，克服了通用型電磁污水流量計應用于挖泥船的弊病。實(shí)際應用表明，這些措施取得較好的干擾抑制效果，測量精度和產(chǎn)品性能得到很大提高。在“航浚18”耙吸式挖泥船上成功應用，取得了很好的效果
本文通過(guò)信號處理和空管檢測功能詳細介紹該新型挖泥船電磁污水流量計。
1、電磁污水流量計工作原理
電磁污水流量計分為傳感器和轉換器兩部分。傳感器是把流過(guò)管道內的導電流體的流速信號轉換為電信號，轉換器是把傳感器輸出的電信號進(jìn)行有用信號識別提取并進(jìn)行相關(guān)處理，用于主機顯示，主要由勵磁電路、信號調理電路、微處理電路等部分組成。

根據法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場(chǎng)中運動(dòng)而切割磁力線(xiàn)時(shí)，在導體兩端便會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。設在均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向有一個(gè)直徑為D 的管道。管道由不導磁材料制成，內表面加絕緣襯里。當導電的液體在管道中流動(dòng)時(shí)，導電液體就切割磁力線(xiàn)，因而在磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向將產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。如果在管道截面垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對電極， 只要管道內流速υ 為軸對稱(chēng)分布，兩極之間就會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，此感應電動(dòng)勢與流速具有線(xiàn)性關(guān)系。其表達式為：
E=K·B·D·V （1）
式中：V 為測量管道內截面上的平均流速（m/s）；
K 為儀表常數；
D 為測量管內直徑（m）；
B 為磁感應強度（T）。
轉換器將此感應電動(dòng)勢測出，再根據線(xiàn)性關(guān)系式即可得出流速信號。

考慮到傳感器出來(lái)的微弱信號容易在傳輸線(xiàn)上損耗，故而電極信號調理板和空管檢測功能板就近放置于傳感器出線(xiàn)口，調理后經(jīng)屏蔽線(xiàn)傳輸至轉換器上的主控電路。
結構上管道本身就是個(gè)大的屏蔽體，防止勵磁線(xiàn)圈磁場(chǎng)泄露，信號采用屏蔽線(xiàn)傳輸，減少線(xiàn)與線(xiàn)之間信號干擾，以及空間傳播的干擾，保證信號的完整性。
電路上采用雙核主從式控制，方便流速測量及其空管檢測，克服了以往電磁污水流量計需要配合密度計來(lái)使用的缺陷；同時(shí)利用微機技術(shù)，使其各方面性能大大提高，更加智能化，更加便于管理施工。
2 、勵磁方式的合理選擇目前國產(chǎn)挖泥船流量計大多采用低頻方波勵磁方式，其主要特點(diǎn)是能避免零點(diǎn)漂移及無(wú)正交干擾，抗同相干擾能力較好。但對于液固兩相流體而言，當固體顆粒撞擊電極，表面電位變化形成尖峰狀噪聲，信號呈現大幅度波動(dòng)。而低頻方波勵磁不能從硬件技術(shù)上消除這種由于沖擊造成的干擾，要實(shí)現測量結果的穩定，只能通過(guò)調整勵磁頻率外加軟件手段加以消除，但有兩方面的缺陷：
（1） 挖泥船上工況復雜，挖泥工況與合適勵磁頻率匹配問(wèn)題很難完美解決，只能通過(guò)現場(chǎng)不斷調試較合適的頻率參數。同一工地不同土質(zhì)都需要改變頻率參數，以目前的現場(chǎng)條件及技術(shù)水平，要做到這一步非常困難，目前基本上采用大體上可測量的單一頻率。
（2） 采用軟件濾波降低由沖擊噪聲產(chǎn)生的波動(dòng)幅度，波動(dòng)幅度平滑程度越高，則測量結果的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性就越差，很多情況下會(huì )導致測量結果失真，尤其當高流速、固體含量高、大顆粒的工況。而采用工頻（50 Hz）電源交流勵磁方式，消除了電極表面的極化于擾，抗固體顆粒撞擊電極形成尖峰狀噪聲能力強。由于磁場(chǎng)是交變的，所以輸出信號也是交變信號，放大和轉換低電平的交流信號要比直流信號容易得多。但值得注意的是，用交流磁場(chǎng)會(huì )帶來(lái)一系列的電磁干擾問(wèn)題。例如正交干擾、同相干擾等，這些干擾信號與有用的流量信號混雜在一起。因此，如何正確區分流量信號與干擾信號，并如何有效地抑制和排除各種干擾信號，就成為交流勵磁電磁污水流量計成功應用于液固兩相流體測量的關(guān)鍵點(diǎn)。
3、信號處理的改進(jìn)液固兩相流介質(zhì)（尤其含大塊顆粒的情況）與測量管道的摩擦及對測量元件不定時(shí)的沖擊，會(huì )產(chǎn)生大量高強度的干擾信號，常規信號處理技術(shù)會(huì )造成測量結果大幅度波動(dòng)、回零等現象，情況嚴重時(shí)會(huì )失去測量意義。對于信號處理有兩個(gè)難點(diǎn)：第一，如何將微弱的流量信號與干擾信號區分開(kāi)來(lái)；第二，如何保證測量的實(shí)時(shí)性和準確性。解決干擾的辦法：
（1） 首先需要設計合理的回路結構，利用信號調理電路減少大部分干擾信號。
（2） 主控制電路上通過(guò)相敏檢波等一系列硬件電路再結合軟件進(jìn)行相位補償和零位補償進(jìn)一步消除正交干擾信號和同相干擾。為了保證測量的實(shí)時(shí)性和準確性，先將勵磁信號和感生電勢信號進(jìn)行數字濾波，再利用軟件算法進(jìn)行除法運算得到流速信號，借此來(lái)得到穩定的實(shí)時(shí)流速。

電極檢測出的微弱感應電動(dòng)勢E， 先經(jīng)前置放大器的放大和噪聲抑制而成為大幅度低阻抗的電壓信號。此信號經(jīng)相敏檢波后，給CPU 進(jìn)行數字濾波、處理和控制，通過(guò)利用雙線(xiàn)性變換法將模擬的二階巴特沃斯低通濾波器轉換為數字式濾波器，既簡(jiǎn)化電路設計，且可靠性高、穩定性好。通過(guò)編寫(xiě)軟件CPU 能對放大器的溫度漂移及零點(diǎn)漂移給予補償， 并在測量的全量程范圍內分10 段對信號進(jìn)行非線(xiàn)性修正，使得測量值更好地擬合真實(shí)數據?？展軝z測電路上，CPU 作為從控制器。當主控制電路上發(fā)出空管檢測查詢(xún)信號wire， 從控制器進(jìn)行識別后接收并判斷出查詢(xún)什么信號，然后產(chǎn)生應答信號上傳至主控芯片輸出顯示；當檢測為空管信號時(shí)， 從CPU 發(fā)出的zero 信號通過(guò)控制MOS 管開(kāi)關(guān)來(lái)關(guān)斷流速輸出。在應用中，對于微弱信號的放大及提取還需注意PCB 板設計時(shí)EMI 電磁屏蔽考慮，屏蔽來(lái)自空間磁場(chǎng)的干擾、周邊設備的輻射造成的干擾和板內之間的干擾，如數模分離、強弱電分離等等。
4 空管檢測功能的實(shí)現方法研究
電磁污水流量計的測量方程是建立在流體滿(mǎn)管于測量管道的條件之下的，在實(shí)際流量控制中主要是解決傳感器處于空管狀態(tài)下的流量值閉鎖問(wèn)題，具體是指當傳感器電極部分或全部從流體中裸露出來(lái)時(shí)， 系統應及時(shí)檢查到這一狀態(tài)并掐斷流速，使流量計輸出為0。
由電磁污水流量計（兩電極）傳感器與信號放大器組成如圖4 所示

信號測量關(guān)系。其中S1、S2分別為兩個(gè)電極，其等效原理如圖5所示。

電路為對稱(chēng)結構，圖中e1和Z1分別是傳感器的流量信號和對應的流體阻抗，Z0為放大器的輸入阻抗。

如圖6 所示為附加激勵的實(shí)際原理圖。其中R是流體電阻，C1是激勵源與傳感器電極及其放大器輸入的隔直電容，C2是信號電纜的對地電容。
國內EMF 大都采用密度計跟流量計配套使用，當密度計檢測密度為0 時(shí)，判斷為空管，關(guān)斷流量計輸出。也有部分電磁污水流量計上使用空管檢測功能，但由于采用相對電導率作為判斷依據， 一旦管道內有雜物流過(guò)或者撞擊電極時(shí)，都有可能使得相對電導率急劇變化。由于挖泥船管道內流動(dòng)的是液固兩相流體，從而誤判為空管，導致正常施工過(guò)程中，流速測量值回零現象時(shí)有發(fā)生，影響工程進(jìn)度和施工量的計算。
采用絕對電導率測量方法，既可方便流量計獨立使用，也克服了相對電導率方法的弊端。解決的難點(diǎn)在于：一是如何將空管檢測信號與正常流速信號分離開(kāi)，二是如何在信號線(xiàn)上走電源信號。解決的方法在于空管檢測信號利用高頻激勵與50 Hz流速信號區分開(kāi)，但是頻率過(guò)高容易引起電極間電容產(chǎn)生極化效應且不利于PCB 布板，最后綜合考慮使用周期為16 μs 的高頻正弦波勵磁。將空管檢測信號采用數據流進(jìn)行傳輸， 實(shí)現信號線(xiàn)的單線(xiàn)復用。為了保證微弱的空管檢測信號不失真傳輸，在流量計信號調理板上就近進(jìn)行信號處理后，通過(guò)屏蔽電纜傳輸至主控電路?？展軝z測信號采用單片機控制，可定時(shí)采集當前流體的電導率，與空管檢測的閾值相比較，還可采樣勵磁電流并判斷勵磁是否出現開(kāi)路或者短路故障。兩電極之間流體電阻計算
公式如下：

由于兩電極之間阻值不僅與溶液自身有關(guān)，還與管道的內徑、電極的截面積有關(guān)，因而將空管檢測的閾值設定為一個(gè)可調參數， 使其適用范圍更廣。這款大口徑管道上的電磁污水流量計監測出管內空管、勵磁開(kāi)路或短路時(shí)，或者流量超出設定上、下限值時(shí)，便會(huì )自動(dòng)報警并作出相應動(dòng)作。
5 結論
將本文所述新型挖泥船電磁污水流量計安裝到“航浚18”挖泥船后，從根本上解決了挖泥施工過(guò)程中流速測量的穩定性問(wèn)題，并且測量數據的實(shí)時(shí)性得到極大提高，有效測量時(shí)間最短可達到200 ms。此外設備精度達到0.5 級，在指導挖泥施工過(guò)程中發(fā)揮了良好作用。

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