井水流量計的工作原理與應用案例分析
點擊次數：2463 發布時間：2021-09-08 00:49:54
1、井水流量計工作原理
井水流量計（jì）分為傳感器（qì）和轉換器兩部分。傳感器是把流過管道內的導電（diàn）流體的流速（sù）信號轉換為電信號，轉（zhuǎn）換器是把傳感器輸出的電（diàn）信號（hào）進行有用信號識別提取並進行相關（guān）處理，用於主機顯（xiǎn）示，主要由勵磁電路、信號調理電路、微（wēi）處理電路等部分組成。
根據法拉*電磁感（gǎn）應定律，當一導體在磁場中運動而（ér）切割磁力線時，在導體兩（liǎng）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直徑為（wéi）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（yè）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（dòng）方向垂（chuí）直的方向（xiàng）將產生感應電動勢。如果在管道（dào）截麵垂直於磁場的（de）直（zhí）徑（jìng）兩端安裝一對（duì）電*， 隻要管道內流速υ 為軸對稱分布，兩*之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（biǎo）達式為：
E=K·B·D·V （1）
式中：V 為測量管道內截麵上的平均流速（m/s）；
K 為儀表常（cháng）數；
D 為測量管內直徑（m）；
B 為磁感應強度（dù）（T）。
轉換器（qì）將此感應電動勢測出，再（zài）根據線性關係式即可得出流速信號。
考慮到（dào）傳感器出來的微弱（ruò）信號容易（yì）在傳輸線上損（sǔn）耗，故而電*信號（hào）調（diào）理板和（hé）空管檢測功能（néng）板（bǎn）就（jiù）近放置於傳感器出線口，調理後經屏蔽（bì）線傳（chuán）輸至轉換器上的主控電路。
結構上管道本（běn）身（shēn）就是個大（dà）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（yǔ）線之間信號幹擾，以及空間傳播的幹擾，保證信號的完整性。
電路上采用雙核主從式控製，方便流速測量及其空管檢（jiǎn）測，克服了以往井水流量計需要配合密度計來使用的缺陷；同時利用微（wēi）機（jī）技術，使其各方麵性能大大提高，更加智能化，更加便於（yú）管理施工。
2 、勵磁方式（shì）的合理選擇目前國產挖泥船流量計大多采（cǎi）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幹擾，抗同相幹擾能力較好。但對於液固兩相流體而（ér）言，當固體顆粒撞擊電*，表麵電位變化形成尖峰狀噪聲，信號呈現大（dà）幅度波動。而低頻（pín）方波勵磁不能從硬件技術上消除這種由於衝擊造成的幹擾，要實現測量結果的穩定，隻能（néng）通過（guò）調整勵（lì）磁頻率（lǜ）外加軟件手段加以消除，但有兩方麵的缺陷：
（1） 挖泥船（chuán）上工況複雜，挖泥工況與合適勵磁頻率匹配問題很難完美解決，隻能通（tōng）過現場不斷調試較（jiào）合適的頻率參數。同一工地不（bú）同土質都需（xū）要改變頻率參數，以目前的現場條（tiáo）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（cè）量（liàng）的單一頻率。
（2） 采用軟件濾波降低由衝擊（jī）噪聲產生的波動幅度，波動幅度平滑（huá）程度越（yuè）高，則測量結果的（de）真實性和實時性就（jiù）越（yuè）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（pín）（50 Hz）電源交流（liú）勵磁方式，消（xiāo）除了電*表麵的（de）*化於擾，抗固體顆粒撞擊電*形成尖峰（fēng）狀噪聲能力強。由於磁場是交變的，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（xìn）號容易得多。但值得注意的是，用交流磁場會帶來一係列的電（diàn）磁幹擾問題。例如正交幹擾（rǎo）、同相（xiàng）幹擾等，這些（xiē）幹擾信號與有用的流量信號混雜（zá）在（zài）一起。因此，如何正確區分流量信（xìn）號與幹擾信號，並如何有（yǒu）效地抑製和排除各（gè）種幹擾信號（hào），就成為交流勵磁井水流量計（jì）成功應用於液固兩相流（liú）體測量的關鍵點。
3、信號處（chù）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衝擊，會產生大量高強（qiáng）度的幹擾（rǎo）信號，常規信號處理技術會造成（chéng）測（cè）量結果大幅（fú）度波動、回零（líng）等（děng）現（xiàn）象，情況（kuàng）嚴重（chóng）時會失去測量意義（yì）。對於信號處理有兩個難點（diǎn）：*一，如何將微（wēi）弱的流（liú）量信號與幹擾信號區分開來；*二，如何（hé）保（bǎo）證測量的實時性和準確性。解決幹擾的辦法：
（1） *先需要設計合（hé）理的回路結構，利用信號調理電路減少大部分幹擾信號。
（2） 主控製電路上（shàng）通過相敏檢波等一係列硬件電路（lù）再結合（hé）軟件進行（háng）相位（wèi）補償和零位補償進一步消（xiāo）除正交幹擾信號和同相幹擾。為了保證測量（liàng）的實時性和準確性，先將勵磁信號和感生電勢信號進行數字濾波，再利用軟件算法進行除法運算得到流速信號，借此來得到穩定的實時流速。
電*檢測出的微弱感應電動勢E， 先經前（qián）置放大器的放大和（hé）噪聲（shēng）抑製而成（chéng）為大幅度低阻抗的電壓信號。此信號經相敏檢波後，給（gěi）CPU 進行數字濾波、處理（lǐ）和控製（zhì），通（tōng）過利用雙線性變換法將模擬的二階巴特（tè）沃（wò）斯低通濾波器轉（zhuǎn）換為數字式濾波器，既簡（jiǎn）化電路（lù）設計，且（qiě）可靠性高（gāo）、穩定性好（hǎo）。通過編寫軟件CPU 能對放大（dà）器的溫度漂移及零點漂移給予補償， 並在測量的全量（liàng）程範圍內分10 段對信號進行非線性修正，使（shǐ）得測量值更好地擬合真實數據。空管檢測電路上，CPU 作（zuò）為從控製器。當主控製電路上（shàng）發出空管檢測查詢信號wire， 從控製器進行識別後接收並判斷出查詢什麽信號，然後產生（shēng）應答信（xìn）號上傳至主控芯片輸出顯（xiǎn）示；當檢測為空管信號時（shí）， 從CPU 發出的zero 信號通過控製MOS 管開關來關斷流速輸出。在應用中，對於微弱信號的放大及提取還需注意PCB 板（bǎn）設計時EMI 電磁屏蔽考（kǎo）慮，屏蔽來自空間磁場（chǎng）的幹擾、周邊設備的輻（fú）射造成的（de）幹擾和板內之間的幹擾，如數（shù）模分離、強弱電分離等等。
4 空管檢測功能的實現方法研究（jiū）
井水流量計（jì）的測量方程是建立在（zài）流體滿管於（yú）測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處於（yú）空管狀態下的流量值閉鎖問題，具體是指當傳感器電*部分或全（quán）部從流體中裸露（lù）出來時， 係統應及時檢查到這一狀態（tài）並掐斷流速，使流（liú）量計輸出為0。
由井水流量（liàng）計（jì）（兩電*）傳感器與信號放大器組成如圖4 所示
信號測量關係。其中S1、S2分別為（wéi）兩個電*，其等效原理如圖5所示。
電路為（wéi）對稱結構，圖中e1和（hé）Z1分別是傳感（gǎn）器的流量信號和對應的流體阻抗，Z0為放大器（qì）的（de）輸入阻抗。
如圖6 所示為附加激勵的實際原理（lǐ）圖。其中R是（shì）流（liú）體電阻，C1是激勵源與傳感器電*及其放大器輸入的（de）隔直電容，C2是信號（hào）電纜的對地電容。
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（guǎn），關斷流量計輸出。也有（yǒu）部分井水流量計上使用空（kōng）管檢測功能，但由於采用相對電導率作為判斷依據， 一旦管道內有雜物（wù）流過或者撞擊電*時，都有可能使得相對電導率急劇（jù）變化。由於挖泥船管道內流（liú）動的（de）是液固（gù）兩相流體，從而誤判為空管，導致正常施工過（guò）程中，流速（sù）測量值（zhí）回零現（xiàn）象時有發生（shēng），影（yǐng）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（kě）方便流量計獨立使用，也克服了相對電導率方法的弊端。解決的難點在於：一是如（rú）何將空管檢測（cè）信號與正常流速信號（hào）分離開，二是如何在信號線上走電源信號。解決的方法在（zài）於空管檢（jiǎn）測（cè）信號利用（yòng）高頻激（jī）勵與50 Hz流速信號區分開（kāi），但（dàn）是頻率（lǜ）過高容易引起電*間電容產生*化效應（yīng）且不利於PCB 布板（bǎn），*後綜合考慮使用周期為（wéi）16 μs 的高頻正弦（xián）波勵磁。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。為了保證微弱的空管檢測信號不失真傳輸，在流量計信號調理板上就（jiù）近進行信號處（chù）理後，通過屏蔽電（diàn）纜傳（chuán）輸至主（zhǔ）控電路（lù）。空管檢測信號采用單片機控製，可定時采集當前流體（tǐ）的電導率，與空管檢測的閾值相比較，還可采樣勵磁電流並判斷勵磁是否出現（xiàn）開路或者短路故障（zhàng）。兩電*之間流體（tǐ）電阻計（jì）算
公式如下（xià）：
由於兩電*之間阻值不僅與溶液自身有關，還與管道的內（nèi）徑（jìng）、電*的截麵積有關，因而將（jiāng）空管（guǎn）檢測（cè）的閾值設定為一個可調參數， 使其適用範圍更廣（guǎng）。這款大口徑管道上的井水流量計監測出管內空管、勵磁開路或短路時，或者流量超出設定上、下限值時，便會自（zì）動報警並作出（chū）相應動作。
5 結論
將本文所（suǒ）述新型挖泥船井水流量計安裝到“航浚18”挖泥船（chuán）後（hòu），從根本上解決了挖泥（ní）施工過（guò）程中（zhōng）流速測量的穩定性問題，並且測量數據的（de）實時性得到*大（dà）提高，有效測量時間*短可達到200 ms。此外設備精度（dù）達到0.5 級，在指導挖泥施工過程中發揮了良好作用。
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井水流量計（jì）分為傳感器（qì）和轉換器兩部分。傳感器是把流過管道內的導電（diàn）流體的流速（sù）信號轉換為電信號，轉（zhuǎn）換器是把傳感器輸出的電（diàn）信號（hào）進行有用信號識別提取並進行相關（guān）處理，用於主機顯（xiǎn）示，主要由勵磁電路、信號調理電路、微（wēi）處理電路等部分組成。
根據法拉*電磁感（gǎn）應定律，當一導體在磁場中運動而（ér）切割磁力線時，在導體兩（liǎng）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直徑為（wéi）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（yè）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（dòng）方向垂（chuí）直的方向（xiàng）將產生感應電動勢。如果在管道（dào）截麵垂直於磁場的（de）直（zhí）徑（jìng）兩端安裝一對（duì）電*， 隻要管道內流速υ 為軸對稱分布，兩*之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（biǎo）達式為：
E=K·B·D·V （1）
式中：V 為測量管道內截麵上的平均流速（m/s）；
K 為儀表常（cháng）數；
D 為測量管內直徑（m）；
B 為磁感應強度（dù）（T）。
轉換器（qì）將此感應電動勢測出，再（zài）根據線性關係式即可得出流速信號。
考慮到（dào）傳感器出來的微弱（ruò）信號容易（yì）在傳輸線上損（sǔn）耗，故而電*信號（hào）調（diào）理板和（hé）空管檢測功能（néng）板（bǎn）就（jiù）近放置於傳感器出線口，調理後經屏蔽（bì）線傳（chuán）輸至轉換器上的主控電路。
結構上管道本（běn）身（shēn）就是個大（dà）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（yǔ）線之間信號幹擾，以及空間傳播的幹擾，保證信號的完整性。
電路上采用雙核主從式控製，方便流速測量及其空管檢（jiǎn）測，克服了以往井水流量計需要配合密度計來使用的缺陷；同時利用微（wēi）機（jī）技術，使其各方麵性能大大提高，更加智能化，更加便於（yú）管理施工。
2 、勵磁方式（shì）的合理選擇目前國產挖泥船流量計大多采（cǎi）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幹擾，抗同相幹擾能力較好。但對於液固兩相流體而（ér）言，當固體顆粒撞擊電*，表麵電位變化形成尖峰狀噪聲，信號呈現大（dà）幅度波動。而低頻（pín）方波勵磁不能從硬件技術上消除這種由於衝擊造成的幹擾，要實現測量結果的穩定，隻能（néng）通過（guò）調整勵（lì）磁頻率（lǜ）外加軟件手段加以消除，但有兩方麵的缺陷：
（1） 挖泥船（chuán）上工況複雜，挖泥工況與合適勵磁頻率匹配問題很難完美解決，隻能通（tōng）過現場不斷調試較（jiào）合適的頻率參數。同一工地不（bú）同土質都需（xū）要改變頻率參數，以目前的現場條（tiáo）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（cè）量（liàng）的單一頻率。
（2） 采用軟件濾波降低由衝擊（jī）噪聲產生的波動幅度，波動幅度平滑（huá）程度越（yuè）高，則測量結果的（de）真實性和實時性就（jiù）越（yuè）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（pín）（50 Hz）電源交流（liú）勵磁方式，消（xiāo）除了電*表麵的（de）*化於擾，抗固體顆粒撞擊電*形成尖峰（fēng）狀噪聲能力強。由於磁場是交變的，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（xìn）號容易得多。但值得注意的是，用交流磁場會帶來一係列的電（diàn）磁幹擾問題。例如正交幹擾（rǎo）、同相（xiàng）幹擾等，這些（xiē）幹擾信號與有用的流量信號混雜（zá）在（zài）一起。因此，如何正確區分流量信（xìn）號與幹擾信號，並如何有（yǒu）效地抑製和排除各（gè）種幹擾信號（hào），就成為交流勵磁井水流量計（jì）成功應用於液固兩相流（liú）體測量的關鍵點。
3、信號處（chù）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衝擊，會產生大量高強（qiáng）度的幹擾（rǎo）信號，常規信號處理技術會造成（chéng）測（cè）量結果大幅（fú）度波動、回零（líng）等（děng）現（xiàn）象，情況（kuàng）嚴重（chóng）時會失去測量意義（yì）。對於信號處理有兩個難點（diǎn）：*一，如何將微（wēi）弱的流（liú）量信號與幹擾信號區分開來；*二，如何（hé）保（bǎo）證測量的實時性和準確性。解決幹擾的辦法：
（1） *先需要設計合（hé）理的回路結構，利用信號調理電路減少大部分幹擾信號。
（2） 主控製電路上（shàng）通過相敏檢波等一係列硬件電路（lù）再結合（hé）軟件進行（háng）相位（wèi）補償和零位補償進一步消（xiāo）除正交幹擾信號和同相幹擾。為了保證測量（liàng）的實時性和準確性，先將勵磁信號和感生電勢信號進行數字濾波，再利用軟件算法進行除法運算得到流速信號，借此來得到穩定的實時流速。
電*檢測出的微弱感應電動勢E， 先經前（qián）置放大器的放大和（hé）噪聲（shēng）抑製而成（chéng）為大幅度低阻抗的電壓信號。此信號經相敏檢波後，給（gěi）CPU 進行數字濾波、處理（lǐ）和控製（zhì），通（tōng）過利用雙線性變換法將模擬的二階巴特（tè）沃（wò）斯低通濾波器轉（zhuǎn）換為數字式濾波器，既簡（jiǎn）化電路（lù）設計，且（qiě）可靠性高（gāo）、穩定性好（hǎo）。通過編寫軟件CPU 能對放大（dà）器的溫度漂移及零點漂移給予補償， 並在測量的全量（liàng）程範圍內分10 段對信號進行非線性修正，使（shǐ）得測量值更好地擬合真實數據。空管檢測電路上，CPU 作（zuò）為從控製器。當主控製電路上（shàng）發出空管檢測查詢信號wire， 從控製器進行識別後接收並判斷出查詢什麽信號，然後產生（shēng）應答信（xìn）號上傳至主控芯片輸出顯（xiǎn）示；當檢測為空管信號時（shí）， 從CPU 發出的zero 信號通過控製MOS 管開關來關斷流速輸出。在應用中，對於微弱信號的放大及提取還需注意PCB 板（bǎn）設計時EMI 電磁屏蔽考（kǎo）慮，屏蔽來自空間磁場（chǎng）的幹擾、周邊設備的輻（fú）射造成的（de）幹擾和板內之間的幹擾，如數（shù）模分離、強弱電分離等等。
4 空管檢測功能的實現方法研究（jiū）
井水流量計（jì）的測量方程是建立在（zài）流體滿管於（yú）測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處於（yú）空管狀態下的流量值閉鎖問題，具體是指當傳感器電*部分或全（quán）部從流體中裸露（lù）出來時， 係統應及時檢查到這一狀態（tài）並掐斷流速，使流（liú）量計輸出為0。
由井水流量（liàng）計（jì）（兩電*）傳感器與信號放大器組成如圖4 所示
信號測量關係。其中S1、S2分別為（wéi）兩個電*，其等效原理如圖5所示。
電路為（wéi）對稱結構，圖中e1和（hé）Z1分別是傳感（gǎn）器的流量信號和對應的流體阻抗，Z0為放大器（qì）的（de）輸入阻抗。
如圖6 所示為附加激勵的實際原理（lǐ）圖。其中R是（shì）流（liú）體電阻，C1是激勵源與傳感器電*及其放大器輸入的（de）隔直電容，C2是信號（hào）電纜的對地電容。
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（guǎn），關斷流量計輸出。也有（yǒu）部分井水流量計上使用空（kōng）管檢測功能，但由於采用相對電導率作為判斷依據， 一旦管道內有雜物（wù）流過或者撞擊電*時，都有可能使得相對電導率急劇（jù）變化。由於挖泥船管道內流（liú）動的（de）是液固（gù）兩相流體，從而誤判為空管，導致正常施工過（guò）程中，流速（sù）測量值（zhí）回零現（xiàn）象時有發生（shēng），影（yǐng）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（kě）方便流量計獨立使用，也克服了相對電導率方法的弊端。解決的難點在於：一是如（rú）何將空管檢測（cè）信號與正常流速信號（hào）分離開，二是如何在信號線上走電源信號。解決的方法在（zài）於空管檢（jiǎn）測（cè）信號利用（yòng）高頻激（jī）勵與50 Hz流速信號區分開（kāi），但（dàn）是頻率（lǜ）過高容易引起電*間電容產生*化效應（yīng）且不利於PCB 布板（bǎn），*後綜合考慮使用周期為（wéi）16 μs 的高頻正弦（xián）波勵磁。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。為了保證微弱的空管檢測信號不失真傳輸，在流量計信號調理板上就（jiù）近進行信號處（chù）理後，通過屏蔽電（diàn）纜傳（chuán）輸至主（zhǔ）控電路（lù）。空管檢測信號采用單片機控製，可定時采集當前流體（tǐ）的電導率，與空管檢測的閾值相比較，還可采樣勵磁電流並判斷勵磁是否出現（xiàn）開路或者短路故障（zhàng）。兩電*之間流體（tǐ）電阻計（jì）算
公式如下（xià）：
由於兩電*之間阻值不僅與溶液自身有關，還與管道的內（nèi）徑（jìng）、電*的截麵積有關，因而將（jiāng）空管（guǎn）檢測（cè）的閾值設定為一個可調參數， 使其適用範圍更廣（guǎng）。這款大口徑管道上的井水流量計監測出管內空管、勵磁開路或短路時，或者流量超出設定上、下限值時，便會自（zì）動報警並作出（chū）相應動作。
5 結論
將本文所（suǒ）述新型挖泥船井水流量計安裝到“航浚18”挖泥船（chuán）後（hòu），從根本上解決了挖泥（ní）施工過（guò）程中（zhōng）流速測量的穩定性問題，並且測量數據的（de）實時性得到*大（dà）提高，有效測量時間*短可達到200 ms。此外設備精度（dù）達到0.5 級，在指導挖泥施工過程中發揮了良好作用。
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