挖泥船上使用新型电磁流量计的应用案例分析

　　0 引言
电磁流量计在工业生产有着泛的应用，在挖泥船作业过程中，电磁流量计也是一个重要控制与监测生产进度和产量的仪表，挖泥船电磁流量计用来指导挖泥船操作施工，防止堵管、闷耙，与密度测量设备一起使用构成产量计，为施工操作与管理提供决策数据，有利于提高施工效率。其测量介质为液固两相流体，有别于通常意义下的单一介质，测量难度大大增加。而电磁流量计（EMF）是根据电磁感应定律制成的一种测量导电性流体流量的仪表［1］。与现有各种流量仪表相比，其直线性好、测量准确度高、测量范围和适用范围广、耐腐蚀性能强，可以解决其他流量计不易解决的问题，如脏污流、腐蚀流等的测量。目前国内应用于挖泥船的电磁流量计大多存在零点漂移、转换精度不高、流速不稳、空管检测易失常等诸多问题。对此，我们进行了相关研究并提出相应改进措施，现已研发出一种专门用于挖泥船的新型电磁流量计，研究了适用于挖泥船上电磁流量计的空管检测功能的实现方法。该型流量计采用工频交流励磁，结合微机技术，利用微机进行实时采样和分段线性拟合数据，大大提高流速测量的精度和稳定性。采用软硬件结合的手段进行多方面改进措施，解决工频干扰和零点稳定性的问题，克服了通用型电磁流量计应用于挖泥船的弊病。实际应用表明，这些措施取得较好的干扰抑制效果，测量精度和产品性能得到很大提高。在“航浚18”耙吸式挖泥船上成功应用，取得了很好的效果
 
本文通过信号处理和空管检测功能详细介绍该新型挖泥船电磁流量计。
 
　　1、电磁流量计工作原理
电磁流量计分为传感器和转换器两部分。传感器是把流过管道内的导电流体的流速信号转换为电信号，转换器是把传感器输出的电信号进行有用信号识别提取并进行相关处理，用于主机显示，主要由励磁电路、信号调理电路、微处理电路等部分组成。
 
　　图1 为传感器工作原理示意图。
　　根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动而切割磁力线时，在导体两端便会产生感应电动势。设在均匀磁场中，垂直于磁场方向有一个直径为D 的管道。管道由不导磁材料制成，内表面加绝缘衬里。当导电的液体在管道中流动时，导电液体就切割磁力线，因而在磁场及流动方向垂直的方向将产生感应电动势。如果在管道截面垂直于磁场的直径两端安装一对电极， 只要管道内流速υ 为轴对称分布，两极之间就会产生感应电动势［3］，此感应电动势与流速具有线性关系。其表达式为：
　　E=K·B·D·V （1）
　　式中：V 为测量管道内截面上的平均流速（m/s）；
　　K 为仪表常数；
　　D 为测量管内直径（m）；
　　B 为磁感应强度（T）。
　　转换器将此感应电动势测出，再根据线性关系式即可得出流速信号。


　　图2 为电磁流量计整体设计示意图。
　　考虑到传感器出来的微弱信号容易在传输线上损耗，故而电极信号调理板和空管检测功能板就近放置于传感器出线口，调理后经屏蔽线传输至转换器上的主控电路。
　　结构上管道本身就是个大的屏蔽体，防止励磁线圈磁场泄露，信号采用屏蔽线传输，减少线与线之间信号干扰，以及空间传播的干扰，保证信号的完整性。
电路上采用双核主从式控制，方便流速测量及其空管检测，克服了以往电磁流量计需要配合密度计来使用的缺陷；同时利用微机技术，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 、励磁方式的合理选择目前国产挖泥船流量计大多采用低频方波励磁方式，其主要特点是能避免零点漂移及无正交干扰，抗同相干扰能力较好［4］。但对于液固两相流体而言，当固体颗粒撞击电极，表面电位变化形成尖峰状噪声，信号呈现大幅度波动。而低频方波励磁不能从硬件技术上消除这种由于冲击造成的干扰，要实现测量结果的稳定，只能通过调整励磁频率外加软件手段加以消除，但有两方面的缺陷：（1） 挖泥船上工况复杂，挖泥工况与合适励磁频率匹配问题很难完美解决，只能通过现场不断调试较合适的频率参数。同一工地不同土质都需要改变频率参数，以目前的现场条件及技术水平，要做到这一步非常困难，目前基本上采用大体上可测量的单一频率。
（2） 采用软件滤波降低由冲击噪声产生的波动幅度，波动幅度平滑程度越高，则测量结果的真实性和实时性就越差，很多情况下会导致测量结果失真，尤其当高流速、固体含量高、大颗粒的工况。而采用工频（50 Hz）电源交流励磁方式，消除了电极表面的极化于扰，抗固体颗粒撞击电极形成尖峰状噪声能力强。由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多。但值得注意的是，用交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题。例如正交干扰、同相干扰等，这些干扰信号与有用的流量信号混杂在一起。因此，如何正确区分流量信号与干扰信号，并如何有效地抑制和排除各种干扰信号，就成为交流励磁电磁流量计成功应用于液固两相流体测量的关键点。
 
　　3、信号处理的改进液固两相流介质（尤其含大块颗粒的情况）与测量管道的摩擦及对测量元件不定时的冲击，会产生大量高强度的干扰信号，常规信号处理技术会造成测量结果大幅度波动、回零等现象，情况严重时会失去测量意义。对于信号处理有两个难点：*先，如何将微弱的流量信号与干扰信号区分开来；二，如何保证测量的实时性和准确性。解决干扰的办法：
　　（1） *先需要设计合理的回路结构，利用信号调理电路减少大部分干扰信号。
　　（2） 主控制电路上通过相敏检波等一系列硬件电路再结合软件进行相位补偿和零位补偿进一步消除正交干扰信号和同相干扰。为了保证测量的实时性和准确性，先将励磁信号和感生电势信号进行数字滤波，再利用软件算法进行除法运算得到流速信号，借此来得到稳定的实时流速。
主控制电路总体设计方案如图3 所示。


电极检测出的微弱感应电动势E， 先经前置放大器的放大和噪声抑制而成为大幅度低阻抗的电压信号。此信号经相敏检波后，给CPU 进行数字滤波、处理和控制，通过利用双线性变换法将模拟的二阶巴特沃斯低通滤波器转换为数字式滤波器，既简化电路设计，且可靠性高、稳定性好。通过编写软件CPU 能对放大器的温度漂移及零点漂移给予补偿， 并在测量的全量程范围内分10 段对信号进行非线性修正，使得测量值更好地拟合真实数据。空管检测电路上，CPU 作为从控制器。当主控制电路上发出空管检测查询信号wire， 从控制器进行识别后接收并判断出查询什么信号，然后产生应答信号上传至主控芯片输出显示；当检测为空管信号时， 从CPU 发出的zero 信号通过控制MOS 管开关来关断流速输出。在应用中，对于微弱信号的放大及提取还需注意PCB 板设计时EMI 电磁屏蔽考虑，屏蔽来自空间磁场的干扰、周边设备的辐射造成的干扰和板内之间的干扰，如数模分离、强弱电分离等等。
 
　　4 空管检测功能的实现方法研究
　　电磁流量计的测量方程是建立在流体满管于测量管道的条件之下的，在实际流量控制中主要是解决传感器处于空管状态下的流量值闭锁问题［5］，具体是指当传感器电极部分或全部从流体中裸露出来时， 系统应及时检查到这一状态并掐断流速，使流量计输出为0。

由电磁流量计（两电极）传感器与信号放大器组成如图4 所示


信号测量关系。其中S1、S2分别为两个电极，其等效原理如图5所示。

电路为对称结构，图中e1和Z1分别是传感器的流量信号和对应的流体阻抗，Z0为放大器的输入阻抗。

如图6 所示为附加激励的实际原理图。其中R是流体电阻，C1是激励源与传感器电极及其放大器输入的隔直电容，C2是信号电缆的对地电容［6］。
　　国内EMF 大都采用密度计跟流量计配套使用，当密度计检测密度为0 时，判断为空管，关断流量计输出。也有部分电磁流量计上使用空管检测功能，但由于采用相对电导率作为判断依据， 一旦管道内有杂物流过或者撞击电极时，都有可能使得相对电导率急剧变化。由于挖泥船管道内流动的是液固两相流体，从而误判为空管，导致正常施工过程中，流速测量值回零现象时有发生，影响工程进度和施工量的计算。
　　采用**电导率测量方法，既可方便流量计独立使用，也克服了相对电导率方法的弊端。解决的难点在于：一是如何将空管检测信号与正常流速信号分离开，二是如何在信号线上走电源信号。解决的方法在于空管检测信号利用高频激励与50 Hz流速信号区分开，但是频率过高容易引起电极间电容产生极化效应且不利于PCB 布板，后综合考虑使用周期为16 μs 的高频正弦波励磁。将空管检测信号采用数据流进行传输， 实现信号线的单线复用。为了保证微弱的空管检测信号不失真传输，在流量计信号调理板上就近进行信号处理后，通过屏蔽电缆传输至主控电路。空管检测信号采用单片机控制，可定时采集当前流体的电导率，与空管检测的阈值相比较，还可采样励磁电流并判断励磁是否出现开路或者短路故障。两电极之间流体电阻计算
　　公式如下：
　
由于两电极之间阻值不仅与溶液自身有关，还与管道的内径、电极的截面积有关，因而将空管检测的阈值设定为一个可调参数， 使其适用范围更广。这款大口径管道上的电磁流量计监测出管内空管、励磁开路或短路时，或者流量超出设定上、下限值时，便会自动报警并作出相应动作。
 
　　5 结论
　　将本文所述新型挖泥船电磁流量计安装到“航浚18”挖泥船后，从根本上解决了挖泥施工过程中流速测量的稳定性问题，并且测量数据的实时性得到极大提高，有效测量时间短可达到200 ms。此外设备精度达到0.5 级，在指导挖泥施工过程中发挥了良好作用。

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