新型電磁流量計(jì)在挖泥船上的應(yīng)用研究

王 軍鄧 逵吳楚才王 敏查戀池

（1.長(zhǎng)江宜昌航道局 宜昌443000；2.長(zhǎng)江宜昌航道工程局 宜昌443003；3.華中科技大學(xué) 武漢430074）

0 引 言

挖泥船電磁流量計(jì)用來(lái)指導(dǎo)挖泥船操作施工，防止堵管、悶耙，與密度測(cè)量設(shè)備一起使用構(gòu)成產(chǎn)量計(jì)，為施工操作與管理提供決策數(shù)據(jù)，有利于提高施工效率。其測(cè)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(cè)量難度大大增加。而電磁流量計(jì)（EMF）是根據(jù)電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性流體流量的儀表［1］。與現(xiàn)有各種流量?jī)x表相比，其直線性好、測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍和適用范圍廣、耐腐蝕性能強(qiáng)，可以解決其他流量計(jì)不易解決的問(wèn)題，如臟污流、腐蝕流等的測(cè)量［2］。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于挖泥船的電磁流量計(jì)大多存在零點(diǎn)漂移、轉(zhuǎn)換精度不高、流速不穩(wěn)、空管檢測(cè)易失常等諸多問(wèn)題。對(duì)此，我們進(jìn)行了相關(guān)研究并提出相應(yīng)改進(jìn)措施，現(xiàn)已研發(fā)出一種專門(mén)用于挖泥船的新型電磁流量計(jì)，在“航浚18”耙吸式挖泥船上成功應(yīng)用，取得了很好的效果。本文通過(guò)信號(hào)處理和空管檢測(cè)功能詳細(xì)介紹該新型挖泥船電磁流量計(jì)。

1 電磁流量計(jì)工作原理

電磁流量計(jì)分為傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分。傳感器是把流過(guò)管道內(nèi)的導(dǎo)電流體的流速信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換器是把傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行有用信號(hào)識(shí)別提取并進(jìn)行相關(guān)處理，用于主機(jī)顯示，主要由勵(lì)磁電路、信號(hào)調(diào)理電路、微處理電路等部分組成。圖1為傳感器工作原理示意圖。

圖1 傳感器工作原理示意圖

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體兩端便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。設(shè)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(dǎo)磁材料制成，內(nèi)表面加絕緣襯里。當(dāng)導(dǎo)電的液體在管道中流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體就切割磁力線，因而在磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向?qū)a(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果在管道截面垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極，只要管道內(nèi)流速υ為軸對(duì)稱分布，兩極之間就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)［3］，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流速具有線性關(guān)系。其表達(dá)式為：

式中：V為測(cè)量管道內(nèi)截面上的平均流速（m/s）；

K為儀表常數(shù)；

D為測(cè)量管內(nèi)直徑（m）；

B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）。

轉(zhuǎn)換器將此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)出，再根據(jù)線性關(guān)系式即可得出流速信號(hào)。圖2為電磁流量計(jì)整體設(shè)計(jì)示意圖。

圖2 電磁流量計(jì)整體設(shè)計(jì)示意圖

考慮到傳感器出來(lái)的微弱信號(hào)容易在傳輸線上損耗，故而電極信號(hào)調(diào)理板和空管檢測(cè)功能板就近放置于傳感器出線口，調(diào)理后經(jīng)屏蔽線傳輸至轉(zhuǎn)換器上的主控電路。

結(jié)構(gòu)上管道本身就是個(gè)大的屏蔽體，防止勵(lì)磁線圈磁場(chǎng)泄露，信號(hào)采用屏蔽線傳輸，減少線與線之間信號(hào)干擾，以及空間傳播的干擾，保證信號(hào)的完整性。

電路上采用雙核主從式控制，方便流速測(cè)量及其空管檢測(cè)，克服了以往電磁流量計(jì)需要配合密度計(jì)來(lái)使用的缺陷；同時(shí)利用微機(jī)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(lì)磁方式的合理選擇

目前國(guó)產(chǎn)挖泥船流量計(jì)大多采用低頻方波勵(lì)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［4］。但對(duì)于液固兩相流體而言，當(dāng)固體顆粒撞擊電極，表面電位變化形成尖峰狀噪聲，信號(hào)呈現(xiàn)大幅度波動(dòng)。而低頻方波勵(lì)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(xiàn)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定，只能通過(guò)調(diào)整勵(lì)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(fù)雜，挖泥工況與合適勵(lì)磁頻率匹配問(wèn)題很難完美解決，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不斷調(diào)試較合適的頻率參數(shù)。同一工地不同土質(zhì)都需要改變頻率參數(shù)，以目前的現(xiàn)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(cè)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(cè)量結(jié)果的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性就越差，很多情況下會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真，尤其當(dāng)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(lì)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(qiáng)。由于磁場(chǎng)是交變的，所以輸出信號(hào)也是交變信號(hào)，放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號(hào)要比直流信號(hào)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(hào)與有用的流量信號(hào)混雜在一起。因此，如何正確區(qū)分流量信號(hào)與干擾信號(hào)，并如何有效地抑制和排除各種干擾信號(hào)，就成為交流勵(lì)磁電磁流量計(jì)成功應(yīng)用于液固兩相流體測(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)。

3 信號(hào)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(cè)量管道的摩擦及對(duì)測(cè)量元件不定時(shí)的沖擊，會(huì)產(chǎn)生大量高強(qiáng)度的干擾信號(hào)，常規(guī)信號(hào)處理技術(shù)會(huì)造成測(cè)量結(jié)果大幅度波動(dòng)、回零等現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)失去測(cè)量意義。對(duì)于信號(hào)處理有兩個(gè)難點(diǎn)：第一，如何將微弱的流量信號(hào)與干擾信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)；第二，如何保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。解決干擾的辦法：

（1）首先需要設(shè)計(jì)合理的回路結(jié)構(gòu)，利用信號(hào)調(diào)理電路減少大部分干擾信號(hào)。

（2）主控制電路上通過(guò)相敏檢波等一系列硬件電路再結(jié)合軟件進(jìn)行相位補(bǔ)償和零位補(bǔ)償進(jìn)一步消除正交干擾信號(hào)和同相干擾。

為了保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，先將勵(lì)磁信號(hào)和感生電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，再利用軟件算法進(jìn)行除法運(yùn)算得到流速信號(hào)，借此來(lái)得到穩(wěn)定的實(shí)時(shí)流速。

主控制電路總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 主控電路總體設(shè)計(jì)方案

電極檢測(cè)出的微弱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(hào)。此信號(hào)經(jīng)相敏檢波后，給CPU進(jìn)行數(shù)字濾波、處理和控制，通過(guò)利用雙線性變換法將模擬的二階巴特沃斯低通濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字式濾波器，既簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，且可靠性高、穩(wěn)定性好。通過(guò)編寫(xiě)軟件CPU能對(duì)放大器的溫度漂移及零點(diǎn)漂移給予補(bǔ)償，并在測(cè)量的全量程范圍內(nèi)分10段對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性修正，使得測(cè)量值更好地?cái)M合真實(shí)數(shù)據(jù)。

空管檢測(cè)電路上，CPU作為從控制器。當(dāng)主控制電路上發(fā)出空管檢測(cè)查詢信號(hào)wire，從控制器進(jìn)行識(shí)別后接收并判斷出查詢什么信號(hào)，然后產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)上傳至主控芯片輸出顯示；當(dāng)檢測(cè)為空管信號(hào)時(shí)，從CPU發(fā)出的zero信號(hào)通過(guò)控制MOS管開(kāi)關(guān)來(lái)關(guān)斷流速輸出。在應(yīng)用中，對(duì)于微弱信號(hào)的放大及提取還需注意PCB板設(shè)計(jì)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(shè)備的輻射造成的干擾和板內(nèi)之間的干擾，如數(shù)模分離、強(qiáng)弱電分離等等。

4 空管檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)方法研究

電磁流量計(jì)的測(cè)量方程是建立在流體滿管于測(cè)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［5］，具體是指當(dāng)傳感器電極部分或全部從流體中裸露出來(lái)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)檢查到這一狀態(tài)并掐斷流速，使流量計(jì)輸出為0。由電磁流量計(jì)（兩電極）傳感器與信號(hào)放大器組成如圖4所示信號(hào)測(cè)量關(guān)系。

圖4 電導(dǎo)率測(cè)量連接圖

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(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖中e1和Z1分別是傳感器的流量信號(hào)和對(duì)應(yīng)的流體阻抗，Z0為放大器的輸入阻抗。

圖5 電導(dǎo)率測(cè)量等效原理圖

如圖6所示為附加激勵(lì)的實(shí)際原理圖。其中R是流體電阻，C1是激勵(lì)源與傳感器電極及其放大器輸入的隔直電容，C2是信號(hào)電纜的對(duì)地電容［6］。

圖6 附加激勵(lì)的實(shí)際原理圖

國(guó)內(nèi)EMF大都采用密度計(jì)跟流量計(jì)配套使用，當(dāng)密度計(jì)檢測(cè)密度為0時(shí)，判斷為空管，關(guān)斷流量計(jì)輸出。也有部分電磁流量計(jì)上使用空管檢測(cè)功能，但由于采用相對(duì)電導(dǎo)率作為判斷依據(jù)，一旦管道內(nèi)有雜物流過(guò)或者撞擊電極時(shí)，都有可能使得相對(duì)電導(dǎo)率急劇變化。由于挖泥船管道內(nèi)流動(dòng)的是液固兩相流體，從而誤判為空管，導(dǎo)致正常施工過(guò)程中，流速測(cè)量值回零現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，影響工程進(jìn)度和施工量的計(jì)算。

采用絕對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量方法，既可方便流量計(jì)獨(dú)立使用，也克服了相對(duì)電導(dǎo)率方法的弊端。解決的難點(diǎn)在于：一是如何將空管檢測(cè)信號(hào)與正常流速信號(hào)分離開(kāi)，二是如何在信號(hào)線上走電源信號(hào)。解決的方法在于空管檢測(cè)信號(hào)利用高頻激勵(lì)與50 Hz流速信號(hào)區(qū)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(yīng)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(lì)磁。將空管檢測(cè)信號(hào)采用數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)信號(hào)線的單線復(fù)用。為了保證微弱的空管檢測(cè)信號(hào)不失真?zhèn)鬏?，在流量?jì)信號(hào)調(diào)理板上就近進(jìn)行信號(hào)處理后，通過(guò)屏蔽電纜傳輸至主控電路?？展軝z測(cè)信號(hào)采用單片機(jī)控制，可定時(shí)采集當(dāng)前流體的電導(dǎo)率，與空管檢測(cè)的閾值相比較，還可采樣勵(lì)磁電流并判斷勵(lì)磁是否出現(xiàn)開(kāi)路或者短路故障。兩電極之間流體電阻計(jì)算公式如下：

式中：ρ為被測(cè)流體的電導(dǎo)率；

S為電極截面積；

L為兩電極之間的距離。

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(nèi)徑、電極的截面積有關(guān)，因而將空管檢測(cè)的閾值設(shè)定為一個(gè)可調(diào)參數(shù)，使其適用范圍更廣。這款大口徑管道上的電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)出管內(nèi)空管、勵(lì)磁開(kāi)路或短路時(shí)，或者流量超出設(shè)定上、下限值時(shí)，便會(huì)自動(dòng)報(bào)警并作出相應(yīng)動(dòng)作。

5 結(jié) 論

將本文所述新型挖泥船電磁流量計(jì)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(cè)量的穩(wěn)定性問(wèn)題，并且測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性得到極大提高，有效測(cè)量時(shí)間最短可達(dá)到200 ms。此外設(shè)備精度達(dá)到0.5級(jí)，在指導(dǎo)挖泥施工過(guò)程中發(fā)揮了良好作用。

［1］蔡武昌.電磁流量計(jì)應(yīng)用近況和技術(shù)發(fā)展［J］.儀器儀表與應(yīng)用，1997（4）：52-56.

［2］黃寶森.電磁流量計(jì)［M］.北京：原子能出版社，1981.

［3］高小鵬，杜鴻雁，鄭貴堂.電磁流量計(jì)的干擾產(chǎn)生及其抑制和消除［J］.計(jì)量技術(shù)，2007（3）：72-74.

［4］曾為民，李斌.電磁流量計(jì)綜述［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997（S1）：267-270.

［5］ABB.Electromagnetic Flowmeter with Pulsed DC Magnetic Field Instruction Bulletin［M］.ABB Automation Products GmbH，D184B070U02 Rev.Ladenburg，Germany：2001.

［6］曹金亮，李斌.電磁流量計(jì)空管檢測(cè)方法研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：643-647.