新型電磁流量計在挖泥船上的應用研究

王 軍鄧 逵吳楚才王 敏查戀池

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

0 引 言

挖泥船電磁流量計用來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(shù)據(jù)，有利于提高施工效率。其測量介質為液固兩相流體，有別于通常意義下的單一介質，測量難度大大增加。而電磁流量計（EMF）是根據(jù)電磁感應定律制成的一種測量導電性流體流量的儀表［1］。與現(xiàn)有各種流量儀表相比，其直線性好、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題，如臟污流、腐蝕流等的測量［2］。

目前國內應用于挖泥船的電磁流量計大多存在零點漂移、轉換精度不高、流速不穩(wěn)、空管檢測易失常等諸多問題。對此，我們進行了相關研究并提出相應改進措施，現(xiàn)已研發(fā)出一種專門用于挖泥船的新型電磁流量計，在“航浚18”耙吸式挖泥船上成功應用，取得了很好的效果。本文通過信號處理和空管檢測功能詳細介紹該新型挖泥船電磁流量計。

1 電磁流量計工作原理

電磁流量計分為傳感器和轉換器兩部分。傳感器是把流過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行有用信號識別提取并進行相關處理，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。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)法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場中運動而切割磁力線時，在導體兩端便會產(chǎn)生感應電動勢。設在均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為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時，導電液體就切割磁力線，因而在磁場及流動方向垂直的方向將產(chǎn)生感應電動勢。如果在管道截面垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，只要管道內流速υ為軸對稱分布，兩極之間就會產(chǎn)生感應電動勢［3］，此感應電動勢與流速具有線性關系。其表達式為：

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(shù)；

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勢測出，再根據(jù)線性關系式即可得出流速信號。圖2為電磁流量計整體設計示意圖。

圖2 電磁流量計整體設計示意圖

考慮到傳感器出來的微弱信號容易在傳輸線上損耗，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口，調理后經(jīng)屏蔽線傳輸至轉換器上的主控電路。

結構上管道本身就是個大的屏蔽體，防止勵磁線圈磁場泄露，信號采用屏蔽線傳輸，減少線與線之間信號干擾，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，克服了以往電磁流量計需要配合密度計來使用的缺陷；同時利用微機技術，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，其主要特點是能避免零點漂移及無正交干擾，抗同相干擾能力較好［4］。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(xiàn)大幅度波動。而低頻方波勵磁不能從硬件技術上消除這種由于沖擊造成的干擾，要實現(xiàn)測量結果的穩(wěn)定，只能通過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題很難完美解決，只能通過現(xiàn)場不斷調試較合適的頻率參數(shù)。同一工地不同土質都需要改變頻率參數(shù)，以目前的現(xiàn)場條件及技術水平，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)生的波動幅度，波動幅度平滑程度越高，則測量結果的真實性和實時性就越差，很多情況下會導致測量結果失真，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，用交流磁場會帶來一系列的電磁干擾問題。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(qū)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流量計成功應用于液固兩相流體測量的關鍵點。

3 信號處理的改進

液固兩相流介質（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的沖擊，會產(chǎn)生大量高強度的干擾信號，常規(guī)信號處理技術會造成測量結果大幅度波動、回零等現(xiàn)象，情況嚴重時會失去測量意義。對于信號處理有兩個難點：第一，如何將微弱的流量信號與干擾信號區(qū)分開來；第二，如何保證測量的實時性和準確性。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）主控制電路上通過相敏檢波等一系列硬件電路再結合軟件進行相位補償和零位補償進一步消除正交干擾信號和同相干擾。

為了保證測量的實時性和準確性，先將勵磁信號和感生電勢信號進行數(shù)字濾波，再利用軟件算法進行除法運算得到流速信號，借此來得到穩(wěn)定的實時流速。

主控制電路總體設計方案如圖3所示。

圖3 主控電路總體設計方案

電極檢測出的微弱感應電動勢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進行數(shù)字濾波、處理和控制，通過利用雙線性變換法將模擬的二階巴特沃斯低通濾波器轉換為數(shù)字式濾波器，既簡化電路設計，且可靠性高、穩(wěn)定性好。通過編寫軟件CPU能對放大器的溫度漂移及零點漂移給予補償，并在測量的全量程范圍內分10段對信號進行非線性修正，使得測量值更好地擬合真實數(shù)據(jù)。

空管檢測電路上，CPU作為從控制器。當主控制電路上發(fā)出空管檢測查詢信號wire，從控制器進行識別后接收并判斷出查詢什么信號，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，從CPU發(fā)出的zero信號通過控制MOS管開關來關斷流速輸出。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EMI電磁屏蔽考慮，屏蔽來自空間磁場的干擾、周邊設備的輻射造成的干擾和板內之間的干擾，如數(shù)模分離、強弱電分離等等。

4 空管檢測功能的實現(xiàn)方法研究

電磁流量計的測量方程是建立在流體滿管于測量管道的條件之下的，在實際流量控制中主要是解決傳感器處于空管狀態(tài)下的流量值閉鎖問題［5］，具體是指當傳感器電極部分或全部從流體中裸露出來時，系統(tǒng)應及時檢查到這一狀態(tài)并掐斷流速，使流量計輸出為0。由電磁流量計（兩電極）傳感器與信號放大器組成如圖4所示信號測量關系。

圖4 電導率測量連接圖

其中S1、S2分別為兩個電極，其等效原理如圖5所示。電路為對稱結構，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。

圖5 電導率測量等效原理圖

如圖6所示為附加激勵的實際原理圖。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［6］。

圖6 附加激勵的實際原理圖

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，判斷為空管，關斷流量計輸出。也有部分電磁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(jù)，一旦管道內有雜物流過或者撞擊電極時，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的是液固兩相流體，從而誤判為空管，導致正常施工過程中，流速測量值回零現(xiàn)象時有發(fā)生，影響工程進度和施工量的計算。

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。解決的難點在于：一是如何將空管檢測信號與正常流速信號分離開，二是如何在信號線上走電源信號。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(qū)分開，但是頻率過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(shù)據(jù)流進行傳輸，實現(xiàn)信號線的單線復用。為了保證微弱的空管檢測信號不失真?zhèn)鬏敚诹髁坑嬓盘栒{理板上就近進行信號處理后，通過屏蔽電纜傳輸至主控電路。空管檢測信號采用單片機控制，可定時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(xiàn)開路或者短路故障。兩電極之間流體電阻計算公式如下：

式中：ρ為被測流體的電導率；

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，還與管道的內徑、電極的截面積有關，因而將空管檢測的閾值設定為一個可調參數(shù)，使其適用范圍更廣。這款大口徑管道上的電磁流量計監(jiān)測出管內空管、勵磁開路或短路時，或者流量超出設定上、下限值時，便會自動報警并作出相應動作。

5 結 論

將本文所述新型挖泥船電磁流量計安裝到“航浚18”挖泥船后，從根本上解決了挖泥施工過程中流速測量的穩(wěn)定性問題，并且測量數(shù)據(jù)的實時性得到極大提高，有效測量時間最短可達到200 ms。此外設備精度達到0.5級，在指導挖泥施工過程中發(fā)揮了良好作用。

［1］蔡武昌.電磁流量計應用近況和技術發(fā)展［J］.儀器儀表與應用，1997（4）：52-56.

［2］黃寶森.電磁流量計［M］.北京：原子能出版社，1981.

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

［4］曾為民，李斌.電磁流量計綜述［J］.上海大學學報（自然科學版），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.電磁流量計空管檢測方法研究［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：643-647.