電磁流量計(jì)在挖泥船上的應(yīng)用

2017-05-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

0引言

挖泥船電磁流量計(jì)用來指導(dǎo)挖泥船操作施工,防止堵管、悶耙,與密度測量設(shè)備一起使用構(gòu)成產(chǎn)量計(jì),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(zhì)為液固兩相流體,有別于通常意義下的單一介質(zhì),測量難度大大增加。而電磁流量計(jì)(EMF)是根據(jù)電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)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(zhǔn)確度高、測量范圍和適用范圍廣、耐腐蝕性能強(qiáng),可以解決其他流量計(jì)不易解決的問題,如臟污流、腐蝕流等的測量。

目前國內(nèi)應(yīng)用于挖泥船的電磁流量計(jì)大多存在零點(diǎn)漂移、轉(zhuǎn)換精度不高、流速不穩(wěn)、空管檢測易失常等諸多問題。對(duì)此,我們進(jìn)行了相關(guān)研究并提出相應(yīng)改進(jìn)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(jì),在耙吸式挖泥船上成功應(yīng)用,取得了很好的效果。本文通過信號(hào)處理和空管檢測功能詳細(xì)介紹該新型挖泥船電磁流量計(jì)。

1電磁流量計(jì)工作原理

電磁流量計(jì)分為傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分。傳感器是把流過管道內(nèi)的導(dǎo)電流體的流速信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),轉(zhuǎn)換器是把傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行有用信號(hào)識(shí)別提取并進(jìn)行相關(guān)處理,用于主機(jī)顯示,主要由勵(lì)磁電路、信號(hào)調(diào)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。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)而切割磁力線時(shí),在導(dǎo)體兩端便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。設(shè)在均勻磁場中,垂直于磁場方向有一個(gè)直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成,內(nèi)表面加絕緣襯里。當(dāng)導(dǎo)電的液體在管道中流動(dòng)時(shí),導(dǎo)電液體就切割磁力線,因而在磁場及流動(dòng)方向垂直的方向?qū)a(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果在管道截面垂直于磁場的直徑兩端安裝一對(duì)電極,只要管道內(nèi)流速υ為軸對(duì)稱分布,兩極之間就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[3],此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流速具有線性關(guān)系。其表達(dá)式為:

E=K·B·D·V(1)

式中:V為測量管道內(nèi)截面上的平均流速(m/s);

K為儀表常數(shù);

D為測量管內(nèi)直徑(m);

B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)。

轉(zhuǎn)換器將此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測出,再根據(jù)線性關(guān)系式即可得出流速信號(hào)。圖2為電磁流量計(jì)整體設(shè)計(jì)示意圖。

考慮到傳感器出來的微弱信號(hào)容易在傳輸線上損耗,故而電極信號(hào)調(diào)理板和空管檢測功能板就近放置于傳感器出線口,調(diào)理后經(jīng)屏蔽線傳輸至轉(zhuǎn)換器上的主控電路。

結(jié)構(gòu)上管道本身就是個(gè)大的屏蔽體,防止勵(lì)磁線圈磁場泄露,信號(hào)采用屏蔽線傳輸,減少線與線之間信號(hào)干擾,以及空間傳播的干擾,保證信號(hào)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(jì)需要配合密度計(jì)來使用的缺陷;同時(shí)利用微機(jī)技術(shù),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(lì)磁方式的合理選擇

目前國產(chǎn)挖泥船流量計(jì)大多采用低頻方波勵(lì)磁方式,其主要特點(diǎn)是能避免零點(diǎn)漂移及無正交干擾,抗同相干擾能力較好[4]。但對(duì)于液固兩相流體而言,當(dāng)固體顆粒撞擊電極,表面電位變化形成尖峰狀噪聲,信號(hào)呈現(xiàn)大幅度波動(dòng)。而低頻方波勵(lì)磁不能從硬件技術(shù)上消除這種由于沖擊造成的干擾,要實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的穩(wěn)定,只能通過調(diào)整勵(lì)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(fù)雜,挖泥工況與合適勵(lì)磁頻率匹配問題很難完美解決,只能通過現(xiàn)場不斷調(diào)試較合適的頻率參數(shù)。同一工地不同土質(zhì)都需要改變頻率參數(shù),以目前的現(xiàn)場條件及技術(shù)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(dòng)幅度,波動(dòng)幅度平滑程度越高,則測量結(jié)果的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性就越差,很多情況下會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果失真,尤其當(dāng)高流速、固體含量高、大顆粒的工況。

而采用工頻(50Hz)電源交流勵(lì)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(qiáng)。由于磁場是交變的,所以輸出信號(hào)也是交變信號(hào),放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號(hào)要比直流信號(hào)容易得多。但值得注意的是,用交流勵(lì)場會(huì)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(hào)與有用的流量信號(hào)混雜在一起。因此,如何正確區(qū)分流量信號(hào)與干擾信號(hào),并如何有效地抑制和排除各種干擾信號(hào),就成為交流勵(lì)磁電磁流量計(jì)成功應(yīng)用于液固兩相流體測量的關(guān)鍵點(diǎn)。

3信號(hào)處理的改進(jìn)

液固兩相流介質(zhì)(尤其含大塊顆粒的情況)與測量管道的摩擦及對(duì)測量元件不定時(shí)的沖擊,會(huì)產(chǎn)生大量高強(qiáng)度的干擾信號(hào),常規(guī)信號(hào)處理技術(shù)會(huì)造成測量結(jié)果大幅度波動(dòng)、回零等現(xiàn)象,情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)失去測量意義。對(duì)于信號(hào)處理有兩個(gè)難點(diǎn):第一,如何將微弱的流量信號(hào)與干擾信號(hào)區(qū)分開來;第二,如何保證測量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。解決干擾的辦法:

(1)首先需要設(shè)計(jì)合理的回路結(jié)構(gòu),利用信號(hào)調(diào)理電路減少大部分干擾信號(hào)。

(2)主控制電路上通過相敏檢波等一系列硬件電路再結(jié)合軟件進(jìn)行相位補(bǔ)償和零位補(bǔ)償進(jìn)一步消除正交干擾信號(hào)和同相干擾。為了保證測量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,先將勵(lì)磁信號(hào)和感生電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波,再利用軟件算法進(jìn)行除法運(yùn)算得到流速信號(hào),借此來得到穩(wěn)定的實(shí)時(shí)流速。

主控制電路總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

電極檢測出的微弱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(hào)。此信號(hào)經(jīng)相敏檢波后,給CPU進(jìn)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(zhuǎn)換為數(shù)字式濾波器,既簡化電路設(shè)計(jì),且可靠性高、穩(wěn)定性好。通過編寫軟件CPU能對(duì)放大器的溫度漂移及零點(diǎn)漂移給予補(bǔ)償,并在測量的全量程范圍內(nèi)分10段對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性修正,使得測量值更好地?cái)M合真實(shí)數(shù)據(jù)。

空管檢測電路上,CPU作為從控制器。當(dāng)主控制電路上發(fā)出空管檢測查詢信號(hào)wire,從控制器進(jìn)行識(shí)別后接收并判斷出查詢什么信號(hào),然后產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)上傳至主控芯片輸出顯示;當(dāng)檢測為空管信號(hào)時(shí),從CPU發(fā)出的zero信號(hào)通過控制MOS管開關(guān)來關(guān)斷流速輸出。在應(yīng)用中,對(duì)于微弱信號(hào)的放大及提取還需注意PCB板設(shè)計(jì)時(shí)EMI電磁屏蔽考慮,屏蔽來自空間磁場的干擾、周邊設(shè)備的輻射造成的干擾和板內(nèi)之間的干擾,如數(shù)模分離、強(qiáng)弱電分離等等。

4空管檢測功能的實(shí)現(xiàn)方法研究

電磁流量計(jì)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(shí)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(dāng)傳感器電極部分或全部從流體中裸露出來時(shí),系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)檢查到這一狀態(tài)并掐斷流速,使流量計(jì)輸出為0。由電磁流量計(jì)(兩電極)傳感器與信號(hào)放大器組成如圖4所示信號(hào)測量關(guān)系。

其中S1、S2分別為兩個(gè)電極,其等效原理如圖5所示。電路為對(duì)稱結(jié)構(gòu),圖中e1和Z1分別是傳感器的流量信號(hào)和對(duì)應(yīng)的流體阻抗,Z0為放大器的輸入阻抗。

如圖6所示為附加激勵(lì)的實(shí)際原理圖。其中R是流體電阻,C1是激勵(lì)源與傳感器電極及其放大器輸入的隔直電容,C2是信號(hào)電纜的對(duì)地電容[6]。

國內(nèi)EMF大都采用密度計(jì)跟流量計(jì)配套使用,當(dāng)密度計(jì)檢測密度為0時(shí),判斷為空管,關(guān)斷流量計(jì)輸出。也有部分電磁流量計(jì)上使用空管檢測功能,但由于采用相對(duì)電導(dǎo)率作為判斷依據(jù),一旦管道內(nèi)有雜物流過或者撞擊電極時(shí),都有可能使得相對(duì)電導(dǎo)率急劇變化。由于挖泥船管道內(nèi)流動(dòng)的是液固兩相流體,從而誤判為空管,導(dǎo)致正常施工過程中,流速測量值回零現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,影響工程進(jìn)度和施工量的計(jì)算。

采用絕對(duì)電導(dǎo)率測量方法,既可方便流量計(jì)獨(dú)立使用,也克服了相對(duì)電導(dǎo)率方法的弊端。解決的難點(diǎn)在于:一是如何將空管檢測信號(hào)與正常流速信號(hào)分離開,二是如何在信號(hào)線上走電源信號(hào)。解決的方法在于空管檢測信號(hào)利用高頻激勵(lì)與50Hz流速信號(hào)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(yīng)且不利于PCB布板,最后綜合考慮使用周期為16μs的高頻正弦波勵(lì)磁。將空管檢測信號(hào)采用數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸,實(shí)現(xiàn)信號(hào)線的單線復(fù)用。為了保證微弱的空管檢測信號(hào)不失真?zhèn)鬏?在流量計(jì)信號(hào)調(diào)理板上就近進(jìn)行信號(hào)處理后,通過屏蔽電纜傳輸至主控電路。空管檢測信號(hào)采用單片機(jī)控制,可定時(shí)采集當(dāng)前流體的電導(dǎo)率,與空管檢測的閾值相比較,還可采樣勵(lì)磁電流并判斷勵(lì)磁是否出現(xiàn)開路或者短路故障。兩電極之間流體電阻計(jì)算公式如下:

由于兩電極之間阻值不僅與溶液自身有關(guān),還與管道的內(nèi)徑、電極的截面積有關(guān),因而將空管檢測的閾值設(shè)定為一個(gè)可調(diào)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(jì)監(jiān)測出管內(nèi)空管、勵(lì)磁開路或短路時(shí),或者流量超出設(shè)定上、下限值時(shí),便會(huì)自動(dòng)報(bào)警并作出相應(yīng)動(dòng)作。

5結(jié)論

將本文所述新型挖泥船電磁流量計(jì)安裝到挖泥船后,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(shí)時(shí)性得到極大提高,有效測量時(shí)間最短可達(dá)到200ms。此外設(shè)備精度達(dá)到0.5級(jí),在指導(dǎo)挖泥施工過程中發(fā)揮了良好作用。原文轉(zhuǎn)載于www.sanchangyb.com/news/hy/684.html

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才