挖泥船上电磁流量计的运用

　　挖泥船电磁流量计用于指导挖泥船的操作，防止堵塞和阴燃。与密度测量设备配套使用，形成生产计量表，为施工作业和管理提供决策数据，有利于提高施工效率。测量介质是一种液体 - 固体两相流体，与一般意义上的单一介质不同，测量难度大大增加。电磁流量计（EMF）是根据电磁感应定律测量导电流体流量的仪表[1]。与现有的流量计相比，具有线性度好，测量精度高，量程范围宽，适用范围广，耐腐蚀性强等特点，可以解决其他流量计不易解决的问题，如脏流量，腐蚀流量，等测量[2]。

　　目前国内大部分挖泥船用电磁流量计存在零漂，转换精度不高，流速不稳定，空中交通管制易发生故障等问题。在这方面，我们进行了相关的研究并提出了相应的改进措施。开发了一种专门为挖泥船设计的新型电磁流量计，已成功应用于挖泥船上，取得了较好的效果。本文通过信号处理和气管检测详细介绍了新型挖泥船电磁流量计的详细介绍。

1、电磁流量计的工作原理

　　电磁流动仪表分为两部分：传感器和转换器。传感器将管道中流动的导电流体的流量信号转换为电信号。转换器主要由激励电路和信号调理电路提取传感器输出的电信号，并对主机显示器进行相关处理。 ，微处理电路等组成。图1显示了传感器的工作原理。

 

电磁流量计传感器工作原理图

　　根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中移动并切割磁力线时，在导体的两端产生感应电动势。在均匀的磁场中，有一个垂直于磁场方向的直径为D的管道。管道由非磁性材料制成，内表面用绝缘衬里绝缘。当导电液体在管中流动时，导电液体切割磁力线，从而在垂直于磁场和流动方向的方向上产生感应电动势。如果一对电极安装在垂直于磁场直径的管道两端，只要流速v对称分布在管道中，两极之间就会产生感应电动势[3] 。该感应电动势与流速呈线性关系。它的表达是：

E = K·乙·d·V（1）

在公式中：V是测量管横截面上的平均流速（m / s）;K是仪器常数;

D是测量管的内径（m）;

B是磁感应（T）。

转换器测量感应电动势，然后根据线性关系导出流量信号。图2显示了电磁流量计的总体设计。

 

 

电磁流量计总体设计原理图

　　考虑到来自传感器的弱信号很容易在传输线上丢失，电极信号调节板和空管检测功能板放置在靠近传感器出口端口处，并且在调节之后，传输到主控制电路通过屏蔽线在转换器上。

　　管道本身的结构是一个很大的屏蔽层，为防止磁场线圈泄漏，信号传输采用屏蔽线，以减少线路与线路之间的信号干扰，以及干扰的空间传播，保证完整性信号。

　　在电路上使用双核主从控制有助于测量流速和检测风道。它克服了必须与密度计一起使用的电磁流量计的缺陷。同时，微电脑技术的使用大大提高了各方面的性能，并且更加智能化。管理施工更容易。

2、合理选择激励方法

　　目前国内挖泥船用流量计大多采用低频方波激励，其主要特点是避免了零点漂移和无正交性。干扰，更好的抗相位干扰能力[4]。然而，对于液固两相流体，当固体颗粒撞击电极时，表面电位发生变化，形成尖峰状噪声，信号波动很大。低频方波激励无法消除硬件技术带来的干扰。为了实现测量结果的稳定性，只能通过调整激励频率加软件手段来消除，但存在两个缺陷：

（1）挖泥船的工作条件复杂。解决疏浚条件与适当的激励频率匹配的问题是困难的。只有合适的频率参数可以通过该站点连续调试。同一地点的不同土壤材料需要改变频率参数。根据当前的现场条件和技术水平，这一步骤非常困难。目前，基本上使用基本上可以测量的单个频率。

（2）使用软件滤波来减少冲击噪声引起的波动幅度。波动幅度的平滑度越高，测量结果的真实性和实时性越差。在很多情况下，测量结果会失真，特别是当流量很高时。高含量，大颗粒的工作条件。

　　采用工频（50Hz）电源的交流频率激励消除了电极表面的极化干扰，并且高度抵抗影响电极的固体颗粒，形成尖峰状噪声。因为磁场是交替，所以输出信号是交流信号，低电平交流信号的放大和转换比直流信号容易得多。 但值得注意的是，使用交流励磁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交通信号混合在一起。 因此，如何正确区分流量信号与干扰信号，以及如何有效抑制和消除各种干扰信号，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。

3、信号处理改进

　　液固两相流动介质（特别是在大颗粒的情况下）和测量管道摩擦力以及测量元件的不时冲击，会产生大量的高强度干扰信号，传统的信号处理技术会造成测量结果的大幅波动，情况严重时，原点回归等现象将失去测量意义。信号处理有两个难点：一是如何区分弱流信号和干扰信号;第二，如何确保测量的实时性和准确性。干扰解决方案：

（1）首先，有必要设计合理的电路结构，并使用信号调理电路来减少大部分干扰信号。

（2）主控电路采用相敏检测和一系列硬件电路结合软件进行相位补偿和零点补偿，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，首先对激励信号和感应电位信号进行数字滤波，然后用软件算法对流量信号进行分频，得到稳定的实时流量。

　　主控制电路的整体设计如图3所示。

 

 

 

　　由电极检测到的弱感应电动势E首先被前置放大器放大并被噪声抑制，并且变为很低的阻抗。电压信号。在相敏检测之后，信号由CPU进行数字滤波，处理和控制，模拟二阶巴特沃斯低通滤波器通过双线性变换方法转换为数字滤波器，简化了电路设计，并且可靠性和稳定性。通过对软件进行编程，CPU可以补偿放大器的温度漂移和零点漂移，并且可以在整个测量范围内以10段对信号进行校正，以使测量值更好地符合实际数据。

　　在空管检测电路上，CPU充当从控制器。当主控制电路发出空管检测查询信号线时，在接收到来自控制器的标识后，接收并确定查询了什么信号，然后生成响应信号上传到主控芯片输出显示器;当检测到空管信号时，从控制器发出零信号通过控制MOS管开关关闭流量输出。在应用中，对于微弱信号的放大和提取，有必要注意PCB板设计的EMI屏蔽，屏蔽空间磁场的干扰，外围设备辐射造成的干扰，以及电路板之间的干扰，例如数字到模拟分离。强弱电分离等。

4、空气管道检测功能研究方法

　　电磁流量计的测量方程为在流体完全填充在测量管道下的条件下建立，在实际流量控制中，传感器在空管状态下的流量值阻塞问题主要得到解决[5]，特别是当部分或全部传感器电极时从流体暴露。出现时，系统应及时检查该状态并切断流量，使流量计输出为0.电磁流量计（双电极）传感器和信号放大器形成图3所示的信号测量关系。 4。

 

 

 

 

　　电磁流量计电导率测量连接图

　　S1和S2分别是两个电极。等效原理如图5所示。该电路是一个对称结构。在图中，e1和Z1分别是传感器的流量信号和相应的流体阻抗，Z0是放大器的输入阻抗。

 

 

 

 

　　图6显示了额外刺激的实际原理图。其中，R是流体阻抗，C1是激励源和传感器电极及其放大器输入的隔直电容，C2是信号电缆对地电容[6]。

 

 

 

　　电磁流量计额外励磁的实际原理图

　　当密度计检测密度为0时，大多数国内EMF密度计与流量计一起使用，确定空管，关闭流量计输出。有一些使用空管检测功能的电磁流量计，但由于使用相对功率电导率被用作判断的基础。一旦管道中有杂物或电极被击中，相对电导率可能会迅速变化。由于液体 - 固体两相流体在挖泥船管道中流动，误判为空管，导致施工过程正常，出现零流量测量现象，影响工程进度和计算建设量。

　　绝对电导率测量方法不仅能够方便流量计的独立使用，还能克服相对电导率法的缺点。要解决的难点是：首先，如何将ATC检测信号与正常流量信号分离，以及如何在信号线上取得功率信号。解决方案是使用高频激励将空管的检测信号与50Hz的流量信号区分开。但是，如果频率太高，则可能导致电极之间的极化效应，并且PCB布局可能是有害的。最后，综合考虑周期为16μs的高频正弦波。波激发。使用数据流传输空管检测信号以实现信号线的单线复用。为了确保弱空气管道检测信号无失真地传输，信号处理在流量计的信号调节板上进行，并通过屏蔽电缆传输到主控制电路。空管检测信号由单片机控制，可定期收集流体的当前电导率和空管检测的阈值。相比之下，激励电流也可以被采样，激励可以被判断是否存在开路或短路故障。两个电极之间的流体阻力计算如下：

 

 

　　由于两个电极之间的电阻不仅与溶液本身有关，而且还与管道的内径和电极的横截面积有关，空管检测的阈值被设置为可调参数使其更加广泛适用。当该大口径管道上的电磁流量计检测到管道中的空管，励磁线路开路或短路，或流量超过设定的上下限值时，会自动报警并采取相应措施。

5结论

　　将本文所述的新型挖泥船电磁流量计安装在挖泥船上后，从根本上解决了疏浚施工过程中流速测量的稳定性，大大提高了测量数据的实时性能，有效测量时间是最短的。它可以达到200ms。此外，设备精度达到0.5，对指导疏浚施工起到了很好的作用。