挖泥船（chuán）上使用新型砂（shā）泥漿流量計的應用案例分析

砂泥漿流（liú）量計在工業生產有著（zhe）泛的應用，在（zài）挖泥船作業過程中，砂泥漿流量計（jì）也是一個重要控製（zhì）與監測生產進度和（hé）產量的（de）儀表，挖泥（ní）船砂（shā）泥漿流量計用來指導挖泥船操作施工，防止（zhǐ）堵管、悶耙，與（yǔ）密度測量設備一起使用構成產量計，為施工操作與管理提供決策數據，有利於提高施工效率（lǜ）。其（qí）測量介質為液固兩相流體，有別於通常意義下的單一介質，測量難度大大增加。而砂（shā）泥漿流量計（EMF）是根據電磁感應定律製成的一種測量導（dǎo）電性（xìng）流體流量的儀表。與現（xiàn）有各種流量儀表相比，其直線性好、測量準確度高、測量範（fàn）圍和適用範圍廣、耐腐蝕性能強，可以解（jiě）決其他流量計不易解（jiě）決的問（wèn）題（tí），如髒汙流、腐蝕流等的（de）測（cè）量。目前國內應用於挖泥船的砂泥（ní）漿流量計大多存在零點漂移、轉換精度不高、流速不穩、空管檢測易（yì）失常等諸多問題。對此，我們進（jìn）行了（le）相關研究並提（tí）出相（xiàng）應改進措施，現已研發出一種專門用於挖泥船的新型砂泥（ní）漿流量計，研究了適用於挖泥船上（shàng）砂泥漿流量計的空管檢測功能的實現方法。該型流量計采用工頻交流勵磁，結（jié）合微機技術，利用微機進行實時采樣和分段線（xiàn）性（xìng）擬合數據，大大提（tí）高流（liú）速測量的精度和穩定性。采用軟硬件結（jié）合的手段進行多（duō）方麵改進措施，解決工頻幹擾和零點穩定性（xìng）的問題，克服了通（tōng）用型砂泥漿流量計應用於挖泥船的弊病。實際應（yīng）用表明，這些措施取得較好的幹擾抑製效果，測量精度和產品性能得到很大提高。在“航浚18”耙（pá）吸式挖泥船上（shàng）成功應用，取得了很好的效果
本文通（tōng）過信號處理和空管檢測功能詳細介紹該新型挖泥（ní）船砂泥漿流（liú）量計。
1、砂泥漿流量（liàng）計工作原理
砂（shā）泥漿流量計分為傳感器和（hé）轉（zhuǎn）換（huàn）器兩（liǎng）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（gǎn）器輸出的電（diàn）信（xìn）號（hào）進行有用信（xìn）號識別提取並進行相關（guān）處理，用於主機顯示（shì），主要由勵磁電路、信號調理電（diàn）路（lù）、微處理電路等部分組成。

根據法拉（lā）*電磁感應定律，當一（yī）導體在磁場中運動而切割磁力線（xiàn）時，在導體（tǐ）兩端便會產生感應電動勢。設在均勻磁場中，垂直於磁場方向有一個（gè）直徑（jìng）為D 的管道。管道由不導磁材料製成，內表麵加絕緣襯裏。當導電的液體在管道中流（liú）動時，導電液體（tǐ）就切割磁力線，因而（ér）在磁場及流動方向垂（chuí）直的方向將產生感應電（diàn）動（dòng）勢。如果在管道截麵垂直於磁場的直徑兩端安裝一對電*， 隻要管道內流速υ 為軸對稱分布，兩*之（zhī）間就會產生感應電動勢，此感應電動勢與流速具有線性關係。其表達式為：
E=K·B·D·V （1）
式中：V 為測（cè）量管道（dào）內截麵上（shàng）的（de）平均（jun1）流速（m/s）；
K 為儀表常數；
D 為測量管（guǎn）內直徑（m）；
B 為磁感應強（qiáng）度（T）。
轉換器將此感應電動勢測出，再根據線性關係式即可得出流速信號。

考慮到傳感器出來的微弱信號容易在傳輸線上損耗（hào），故而電*信號調理板和空管檢測功能板就近放置於傳感器出線口，調理後經屏（píng）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（jiǎn）少線與線（xiàn）之間（jiān）信（xìn）號幹擾，以及空間傳播的幹擾，保證信號的完整（zhěng）性。
電路上采用雙核主從式控製，方便流速測量及其空管檢測，克服了（le）以往砂泥漿流量計需要配合密（mì）度計來使用的缺陷；同時利用微（wēi）機技術，使其各方麵性能大大提高，更加智能化，更加便於管理施工。
2 、勵（lì）磁方式（shì）的合理（lǐ）選擇目前國產（chǎn）挖泥船流量（liàng）計大多采用低頻方波勵磁方式，其主要特點是能避免零點（diǎn）漂移及無正（zhèng）交幹擾，抗同相幹擾能（néng）力較好。但對於（yú）液固兩（liǎng）相（xiàng）流體而言，當固體顆粒撞擊電*，表麵電位變化形成尖峰狀噪聲，信號呈現（xiàn）大幅度波動。而低頻（pín）方波勵磁不能（néng）從硬件技術上消除這（zhè）種由於（yú）衝擊造成的幹擾，要實現測量（liàng）結果的穩定，隻能通過調整勵磁頻率外加軟件手段加以消除，但有兩方麵的（de）缺陷：
（1） 挖泥船上工況複雜，挖（wā）泥工況與合適勵磁頻率匹配問題（tí）很（hěn）難完美解決，隻能（néng）通過現場不斷調試（shì）較合適的頻率參數。同一（yī）工地不同土質都需要改變頻率參數，以目前的現場條件（jiàn）及（jí）技術水（shuǐ）平，要做到這一步非常困難，目前（qián）基本上采用大體上可（kě）測量的單一頻率。
（2） 采用軟件濾波降低由衝擊噪聲產生的波動幅度，波動幅度平滑程度越高，則測量結果的真實性和實時性就（jiù）越差，很多情況下（xià）會導致測量結果失真，尤其當高流速、固體含量高、大顆（kē）粒的（de）工（gōng）況。而采（cǎi）用工頻（50 Hz）電（diàn）源交流勵磁方式，消除了電*表麵的*化（huà）於擾，抗固體顆粒撞擊電*形（xíng）成尖峰狀噪聲（shēng）能力強。由於磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信（xìn）號，放大和轉換低電（diàn）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）會帶（dài）來一係列的電磁幹擾問題。例如正交幹擾、同相幹擾等，這些幹擾信號與有用（yòng）的流量信號混（hún）雜在一起。因此，如何正確區分流量信號與幹擾（rǎo）信號，並如何有效地抑製和排除各種幹擾信號，就成為交流勵磁砂泥漿流量計成功應（yīng）用於液固兩（liǎng）相流（liú）體測量的關鍵點。
3、信號處（chù）理的改進液固兩（liǎng）相流介質（尤其含大塊顆粒的情況）與測量管道的摩（mó）擦及（jí）對測量元件不定時（shí）的衝擊，會（huì）產生大量高強度的幹擾信號，常規信號處理技術（shù）會造成測量結果大（dà）幅度波動、回零等現象，情況嚴重時會（huì）失去測量意義。對（duì）於信（xìn）號處理有兩個難點：*一，如何將微弱的流量信（xìn）號與（yǔ）幹擾信號（hào）區分開來；*二，如（rú）何保證測量的實時性和準確性。解決幹擾的辦法（fǎ）：
（1） *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幹擾信號。
（2） 主（zhǔ）控製電路上通過相敏檢波等一係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幹擾信號和同相幹（gàn）擾。為了保證測量（liàng）的實時（shí）性和準確性，先（xiān）將勵磁信（xìn）號（hào）和感生電勢信號進行（háng）數字濾波，再利用軟件算法進行除法運算得到流（liú）速信號，借此來得（dé）到穩定的實時流速。

電*檢測出的微弱感應（yīng）電動（dòng）勢E， 先經（jīng）前置放大器的放（fàng）大（dà）和噪聲抑製而成（chéng）為大（dà）幅度低阻抗的電（diàn）壓信號。此（cǐ）信號經相敏檢波後，給CPU 進行數字濾波、處理和控製，通過利用（yòng）雙線性變換法將模擬的二階巴特沃斯低通濾（lǜ）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。通過編寫軟件CPU 能對放大器的溫度漂移及零（líng）點漂移給予補償， 並在（zài）測量的全量程範圍內分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據。空管檢測電路上，CPU 作為從控製器。當主控製電路上（shàng）發（fā）出空管（guǎn）檢測查詢（xún）信號wire， 從控製器進行識別後接收並判斷（duàn）出查詢什麽信號，然後產生應答信號上傳至主（zhǔ）控芯片輸出顯示；當檢測為空管信號時， 從（cóng）CPU 發（fā）出的zero 信號通過控製MOS 管開關來關斷（duàn）流速輸出。在應（yīng）用中，對於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（cí）場的幹擾（rǎo）、周（zhōu）邊設備的輻射造成的幹擾和板內之間的幹擾，如數模分離（lí）、強弱電分離等等。
4 空管（guǎn）檢測功能的實現（xiàn）方法研究
砂泥漿流量計的測量方程是（shì）建立在（zài）流（liú）體滿管於測（cè）量管道的條件之下的，在實際流量控製中主要是解決傳感器（qì）處（chù）於空管狀態下的流量值（zhí）閉鎖問題，具體是指當傳（chuán）感器電*部分或（huò）全部從（cóng）流體（tǐ）中裸露出來時， 係統應及時檢查到這一狀態（tài）並掐斷流速，使流量計輸出為0。
由砂泥漿流量計（jì）（兩電（diàn）*）傳（chuán）感器與信號放大器組成如圖4 所（suǒ）示（shì）

信號測量關係。其中（zhōng）S1、S2分別為兩個電（diàn）*，其等效（xiào）原理如圖5所（suǒ）示。

電路為對稱結構，圖中e1和Z1分別是傳感器的流量信（xìn）號和對應（yīng）的（de）流體（tǐ）阻抗，Z0為放大器的輸入阻抗。

如圖（tú）6 所示為附加激勵的實際原理圖。其中R是流體（tǐ）電阻，C1是激勵源與傳感器電*及其放大器輸（shū）入的隔（gé）直電容，C2是信（xìn）號電纜的對地電容。
國內EMF 大（dà）都采用密（mì）度計跟流量計配套使用，當密度計檢測密（mì）度為（wéi）0 時，判斷為空管，關斷流量計（jì）輸出。也有部分砂泥漿流（liú）量計上使用空管檢測功能，但由於（yú）采用相對電導（dǎo）率作為判斷依據， 一旦管道內有雜物流過或者撞擊電*時，都（dōu）有可能使得相對電導率急劇變化。由於挖泥船管道內流動的是（shì）液固兩相流體，從而誤判為（wéi）空（kōng）管，導致正常施工過程中，流（liú）速測量值回零現象時有發生，影響工程進度和施工量的（de）計算。
采用絕對電導率測量方法（fǎ），既可方便（biàn）流量計獨立使用（yòng），也克服了相對電導率方法的弊端。解決的難點在於：一（yī）是如何將空管檢測（cè）信號（hào）與（yǔ）正常流速信號分（fèn）離開，二是如何在信（xìn）號線上走（zǒu）電源信號。解決的方法在（zài）於空管檢測信號利用高頻激勵與50 Hz流速信號區分開，但是頻率過高容易引起電*間電容產生*化效應且不利於PCB 布板，*後綜合（hé）考慮使用周期（qī）為16 μs 的高頻正（zhèng）弦波（bō）勵磁。將空管檢測信號采用數據流進行傳輸， 實現信號線的單線複用。為了保證微弱（ruò）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）行信號處理後（hòu），通（tōng）過屏蔽電（diàn）纜傳輸至主控電路。空管檢測信（xìn）號采用單片機控製，可定時采集當前（qián）流體的電導率，與空管檢（jiǎn）測（cè）的閾值相比較，還可（kě）采樣（yàng）勵磁（cí）電流並（bìng）判斷勵磁是否出（chū）現開路或者短路（lù）故障。兩電*之間（jiān）流體電（diàn）阻計算（suàn）
公式如下：

由於兩電*之間阻值不僅與溶液（yè）自身有關，還與管道的內徑、電*的截麵積有關，因（yīn）而將空管檢測的閾值設定為一個可調參數， 使其適用範圍更（gèng）廣。這款大口徑管道上（shàng）的砂泥漿流（liú）量計監測出管內空管、勵磁開路或短路時，或者流（liú）量超出設定上、下限值時，便會自動報警並作出相應動作。
5 結論
將本文（wén）所述新（xīn）型挖泥船（chuán）砂泥漿流量計安裝到“航浚18”挖泥船後，從根本上解決了挖泥施工過程中流速測量（liàng）的穩定性問題，並且測量數據的實時性得到*大提高，有效測量時間*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）程中發揮了良（liáng）好作用。

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