CN112050871A - 一种挖泥船管道输送无源产量计 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种挖泥船管道输送无源产量计，无Cs137、Co60核同位素设计，克服了船员担心核辐射的心理恐惧，消除了异地施工报备和报废之后放射源的处理问题，采用基于电学层析成像法的无源传感器提升了液固两相流体管道输送浓度与流量测量精度的准确性；用工频交流励磁方式，可以消除电极表面的极化影响；由于工频交流信号为连续信号，其建立的磁场为连续交变磁场，其采样速度快，并且采集结果仅与流量相关；适用于不同的介质状况的施工地，无需调整电磁流量计的励磁频率；采用工频交流励磁方式测量电极输出电动势，非常容易放大和转换，相对比直流信号容易处理。

Description

一种挖泥船管道输送无源产量计

技术领域

本发明涉及疏浚介质输送过程中流量、浓度测量技术领域，尤其涉及一种挖泥船管道输送无源产量计。

背景技术

挖泥船产量计是用于控制挖泥船(绞吸挖泥船、耙吸挖泥船、抽沙船)的耙头和绞刀的深度的主要疏浚装备，指导挖泥船疏竣作业，防止堵管、闷耙现象的发生，并为施工操作与管理提供决策数据，有利于提高施工效率，降低成本增加效益。产量计由流量计和浓度计两部分组成。产量计是用来提高挖泥效益与产量。

随着核子技术的不断进步，此前国内外在大型挖泥船中已普遍使用了γ射线产量计来指导疏竣作业。使用Cs-137或Co-6作为其放射源，利用γ射线穿透被测物质后，其强度随密度变化而相应变化的规律，来测量物质的浓度和密度。可将密度参数转换成电压或电流信号输出，实现疏浚控制。

但挖泥船水力输送介质为液/固两相流体，液体为海水或淡水，固体为疏浚土，包括淤泥、细粉沙、中粗砂、黏土、卵石、岩石、珊瑚礁等介质及其混合物，由于介质及输送特性，这类液固两相流体为典型的非均匀混合两相流体，混合均匀度与流速、介质种类、管道方位及管线布置相关。核子浓度计测量区域为放射源与探测器感应器件形成的扇形区，该区域与整个横截面面积之比为近似100/(3.14D)(其中D为排泥管内径，单位为mm)。以排泥管内径800mm为例，测量区域与整个横截面面积占比不足4％。且使用核技术完成一次测量的时间单位通常为1s。由于泥浆流体组分分散不均匀、测量区域占比不足、测量速度慢等诸多因素影响，以及经验公式法难以进行准确描述，导致检测结果精度不佳。

另一方面，放射性元素系统的安装设计和维护等，船员无法进行自主操作，都会影响系统维护周期；且使用过程中Cs137、Co60核同位素的核辐射对人体存在一定危害；随着环保安全要求日益提高，异地施工报备和报废之后放射源的处理问题也非常棘手。

因此，为解决上述问题，本发明提供一种基于电学层析成像法与工频交流励磁技术的挖泥船管道输送无源产量计，避免由于泥浆流体组分分散不均匀、测量区域占比不足、测量速度慢等因素造成测量精度低的问题，避免了核辐射对工作人员以及环境的危害。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种挖泥船管道输送无源产量计，采用基于电学层析成像法的浓度测量无源传感器，提高了液固两相流体管道输送浓度与流量测量速度的快速性；采用工频交流励磁方式的电磁流量计，消除了电极表面的极化影响，攻克了识别流量信号与干扰信号的难题。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种挖泥船管道输送无源产量计，包括：

无源传感器，连通输送管道，基于电学层析成像法检测管道内流体浓度；无源传感器包括沿无源传感器内壁的周向方向排列的电极阵列，取其中任意相邻的两电极为公共电极对，其它相邻的两个电极对为第一测量电极对；

电磁流量计，检测管道内流体的流量；电磁流量计包括激励线圈和第二测量电极对，第二测量电极对沿管道的管径方向穿通管壁固定在管道上；其中，第二测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；

工频交流激励源，输出交流激励信号，并施加在公共电极对和激励线圈上，在管道内建立敏感场；

电位计，测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接，其中，测量电极S、导线A和电位计构成第一回路，回路中的电流记为IA；测量电极S、导线B和电位计构成第二回路，回路中的电流记为IB；当管道为空管或者管道内流体流速为0时，调节电位计的电位，使得电流IA和IB的值相等，开始检测第二测量电极对上的电动势；

信号调理电路，分别检测工频交流激励源输出的交流激励信号，以及第一测量电极对和第二测量电极对上的电动势，并对其进行放大、滤波、解调、相位补偿和零位补偿处理；

控制器，对信号调理电路处理后的信号以及无源传感器输出的图像数据进行图像处理；对图像数据的异常数据进行判断并清洗，利用数据拟合法补充异常数据。

在以上技术方案的基础上，优选的，信号调理电路包括第一仪表放大器、第二仪表放大器、第一相敏检波器、第二相敏检波器和第一滞回比较器；

第一测量电极对或第二测量电极对上的电动势经过第一仪表放大器进行放大和噪声抑制处理，处理后的电动势经过第一相敏检波器进行相位补偿和零位补偿后，消除电动势中的正交干扰信号和同相干扰，第一相敏检波器输出感生电势信号，该感生电势信号输出至控制器进行数字滤波和处理；

第二仪表放大器检测工频交流激励源输出的交流激励信号，并对该交流激励信号进行放大和滤波处理，处理后的交流激励信号通过第二相敏检波器检波后输出至控制器进行数字滤波和处理，同时通过第一滞回比较器将该交流激励信号转变为同频率的方波信号，该方波信号作为第一相敏检波器和第二相敏检波器同步检波的同步头，并输出至控制器，控制器对经过数字滤波后感生电势信号和交流激励信号进行除法运算得到实时流速信号。

在以上技术方案的基础上，优选的，控制器包括：

从CPU模块，接收信号调理电路处理后的信号，并根据该信号实时计算敏感场的灵敏度；调整工频交流激励源的激励模式；对无源传感器输出的图像数据做图像重建初步处理；

主CPU模块，接收从CPU模块图像重建初步处理后的图像数据；对图像数据进行图像重建算法处理，得到两相流各相占比及重建图像数据。

进一步优选的，从CPU模块对无源传感器输出的图像数据做图像重建初步处理具体包括：将图像数据划分为异常数据和非异常数据，对每个异常数据采用曲线拟合滤波算法求取与该异常数据吻合的计算值，并用该计算值代替该异常值，最后输出精确的图像数据。

进一步优选的，曲线拟合滤波算法包括以下步骤：

S101、将单个异常数据记为(x_i,y_i)，其中，x_i为该异常数据的位置坐标，y_i为其测量值；取x_i的前两个位置和后两个位置的图像数据，分别记为x_i+1、x_i+2、x_i-1和x_i-2，取这四个图像数据测量值的平均值，记为

S102、计算这四个图像数据的偏移总值以及偏离值，将偏移总值记为M，将偏离值记为N，其中，

S103、预设偏离值阈值，当偏离值N超过预设偏离值阈值时，去除偏离值N对应的测量值，并选取二次曲线

做曲线拟合如下：

确定使方程式(1)达到最小的待定系数值a、b和c，将该异常数据的x_i和y_i代入方程式(1)，得到用于替换该异常值的计算值。

进一步优选的还包括：

参考点测量系统，输出参考点实时电导率数据，并将该电导率数据输入至主CPU模块；

主CPU模块接收参考点测量系统输出的参考点实时电导率数据，将图像重建算法处理后的数据与参考点测量系统输出的参考数据进行图像重建算法处理，处理后的图像数据与参考点实时电导率数据进行图像重建迭代拟合处理。

进一步优选的，还包括：

脉冲滤波器，预设阈值滤波约束条件，判断图像重建迭代拟合处理后的数据是否满足阈值滤波约束条件；当主CPU模块图像重建算法处理后的图像数据不满足滤波约束条件，则对主CPU模块图像重建算法处理后的图像数据进行滤波以满足阈值滤波约束条件。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括：

蓄电池供电系统，为电磁流量计提供工作电压；蓄电池供电系统包括充电电源、级联蓄电池组、DC/DC电源、阻抗匹配电路、工频功率放大电路和单片机；

充电电源对级联蓄电池组进行充电，级联蓄电池组输出直流电压信号至DC/DC电源，DC/DC电源将该直流电压转换为阻抗匹配电路和工频功率放大电路所需的工作电压；

单片机输出开关量信号，控制阻抗匹配电路实现阻抗匹配后输出至励磁线圈的一端；单片机输出方波信号，经工频功率放大电路将方波信号转换为工频交流电后输出至励磁线圈的另一端。

进一步优选的，阻抗匹配电路包括双向可控硅投切电容电路、双向可控硅触发电路和电流采集电路；

单片机输出的开关量信号经双向可控硅触发电路控制双向可控硅投切电容电路实现励磁线圈的阻抗匹配，电流采集电路检测流过励磁线圈电流的大小。

进一步优选的，工频功率放大电路包括：第二滞回比较器、积分放大器、功率放大电路和电压采集电路；

第二滞回比较器将主控制器输出的方波信号转换为上下对称的50Hz方波信号；

积分放大器将该上下对称的50Hz方波信号平滑输出为50Hz正弦波信号；

功率放大电路对该50Hz正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的正弦波输出至励磁线圈的另一端；

电压采集电路采集励磁线圈的另一端的电压信号，并将采集结果输出至主控制器的第二输入端。

本发明的一种挖泥船管道输送无源产量计相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)无Cs137、Co60核同位素设计，克服了船员担心核辐射的心理恐惧，消除了异地施工报备和报废之后放射源的处理问题，采用基于电学层析成像法的无源传感器提升了液固两相流体管道输送浓度与流量测量精度的准确性；

(2)用工频交流励磁方式，可以消除电极表面的极化影响；由于工频交流信号为连续信号，其建立的磁场为连续交变磁场，其采样速度快，并且采集结果仅与流量相关；适用于不同的介质状况的施工地，无需调整电磁流量计的励磁频率；采用工频交流励磁方式测量电极输出电动势，非常容易放大和转换，相对比直流信号容易处理；

(3)通过设置电位计，从测量电极中引出两根线分别连接电位计的两端，并且构成两个回路，当电流IA和IB的值相等时，正交干扰信号和同相干扰信号的幅值相等，因此，在电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号相位相反时，电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号可以相互抵消，进而消除由于工频交流激励方式引入的正交干扰和同相干扰信号；

(4)通过采用工频交流激励方式，使得测量电极对的采样信号为连续曲线，其信号采集速度很快，当电动势与干扰信号互相叠加时，采样曲线出现毛刺，利用本发明的滤波算法，可以滤除噪声的干扰，对异常数据进行判断并清洗，利用数据拟合法补充异常数据，提高图像的精确度；

(5)通过设置脉冲滤波器，在主CPU模块图像重建迭代拟合处理后的图像数据不满足阈值滤波约束条件时，则通过脉冲滤波器进行滤波以满足阈值滤波约束条件，使得重建图像准确度提升；

(6)设置阻抗匹配电路，利用双向可控硅投切电容，采用串联电容进行阻抗匹配，改善负载传感器的功率因数，以减小电源的负荷，减少励磁线圈产生的无功功率，提高励磁线圈的输出功率；设置工频功率放大电路将获得的直流电转换为工频交流电，保证励磁线圈中的励磁电流大于1A电流；通过阻抗匹配电路和工频功率放大电路将原有交流励磁电磁流量计视在功率由500VA降为13VA，大大降低了使用功耗，从而使得交流励磁系统实现电池供电成为可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为矩形波励磁与工频正弦波励磁的比较图；

图2本发明一种挖泥船管道输送无源产量计的结构图；

图3为本发明一种挖泥船管道输送无源产量计中阻抗匹配电路和工频功率放大电路的结构图；

图4为本发明一种挖泥船管道输送无源产量计中无源传感器的扫描示意图；

图5为本发明一种挖泥船管道输送无源产量计中从CPU模块的处理流程图；

图6为本发明一种挖泥船管道输送无源产量计中主CPU模块的处理流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2所示，本发明的一种挖泥船管道输送无源产量计，包括无源传感器、电磁流量计、工频交流激励源、电位计、信号调理电路和控制器。

无源传感器，连通输送管道，基于电学层析成像法检测管道内流体浓度；无源传感器包括沿无源传感器内壁的周向方向排列的电极阵列，取其中任意相邻的两电极为公共电极对，其它相邻的两个电极对为第一测量电极对。无Cs137、Co60核同位素设计，克服了船员担心核辐射的心理恐惧，消除了异地施工报备和报废之后放射源的处理问题。提升了液固两相流体管道输送浓度与流量测量精度的准确性。以16电极为例，在适当的激励模式下可在任意两对电极之间建立测量电路，在全断面实现多路扫描，其扫描路径和区域如图4所示，其中线段代表扫描路径，灰色区域代表一对电极的扫描区域，若电极尺寸为截面周长的32分之一，测量面积与横截面面积之比可达到85％以上。

电磁流量计，检测管道内流体的流量；电磁流量计包括激励线圈和第二测量电极对，第二测量电极对沿管道的管径方向穿通管壁固定在管道上；其中，第二测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；

工频交流激励源，输出交流激励信号，并施加在公共电极对和激励线圈上，在管道内建立敏感场。目前电磁流量计以及无源传感器大多采用低频方波励磁方式，其主要特点是能避免零点漂移及无正交干扰，抗同相干扰能力较好。但是本实施例中，一方面，电磁流量计以及无源传感器被测介质为液固两相流体(泥浆，甚至有大块石头等固体颗粒)，对于液固两相流体而言，当固体颗粒撞击电极，表面电位变化形成尖峰状噪声，信号呈现大幅度波动，而低频方波励磁不能从硬件技术上消除这种由于冲击造成的干扰；另一方面，如图1所示，采用低频方波励磁方式由于是采用方波激励，其激励信号波形是离散的，因此，只能离散采样，其测量窗口只占波形的小部分，而且采样信号不稳定，一秒只能采样50-100次，无法满足挖泥船应用工程对数据采样的要求。本实施例中，由于电磁流量计测量的液固两相流体，其测量环境特殊，造成现有的方波激励方式不适用于液固两相流体测量。因此，为了解决电极表面形成尖峰状噪声、信号呈现大幅度波动以及采样速度慢的问题，本实施例中，采用工频交流激励源进行激励，其激励频率为50Hz，工频交流激励源输出的交流激励信号通过励磁线圈对注入测量管内，测量管内壁建立连续交变磁场，在第二测量电极对上测量电动势。优选的，本实施例中，也可以采用波形类似于正弦波的激励信号解决本实施例的技术问题，例如阶梯多值波形，其波形经过数据拟合以后类似于正弦波，但是其波形没有本实施例中工频交流信号波形平滑，无法对由于固体颗粒撞击电极形成的尖峰状噪声进行平滑处理，而且其滤波时间长，采样信号的实时性和真实性差。本实施例中，采用工频交流励磁方式，可以消除电极表面的极化影响；由于工频交流信号为连续信号，其建立的磁场为连续交变磁场，正弦波波形的任意位置均属于测量窗口，其采样速度快，并且采集结果仅与流量相关；适用于不同的介质状况的施工地，无需调整电磁流量计的励磁频率；采用工频交流励磁方式测量电极输出电动势，非常容易放大和转换，相对比直流信号容易处理。

若采用工频交流励磁方式，则会产生以下两个问题：一是，会引入交流励磁的工频干扰、正交干扰和同相干扰等一系列电磁干扰问题，常规信号处理技术会造成测量结果大幅度波动、回零等现象，情况严重时会失去测量意义，这些干扰信号与有用的流量信号混杂在一起，无法精确的区分流量信号和干扰信号；二是，无法保证测量结果的真实性和实时性，很多情况下会导致测量结果失真，尤其当高流速、固体含量高、大颗粒的工况。以上两个问题是目前交流励磁电磁流量计成功应用于液固两相流体测量的技术难点。因此，采用工频交流励磁方式并不是本领域的常规技术手段，也无法通过简单的置换即可将工频交流励磁方式应用在挖泥船所处液固两相流体环境检测的领域上，为了解决上述问题，本实施例优化了信号处理电路的结构，使其可以消除引入交流励磁带来的工频干扰、正交干扰和同相干扰等一系列电磁干扰问题，以及得到稳定的实时流速。

为了解决采用工频交流励磁方式产生的两个问题，本实施例中，提供两种硬件解决方案。

一是，使用电位计，如图2所示，测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接，其中，测量电极S、导线A和电位计构成第一回路，回路中的电流记为IA；测量电极S、导线B和电位计构成第二回路，回路中的电流记为IB；当管道为空管或者管道内流体流速为0时，调节电位计的电位，使得电流IA和IB的值相等，开始检测第二测量电极对上的电动势。当电流IA和IB的值相等时，正交干扰信号和同相干扰信号的幅值相等，因此，在电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号相位相反时，电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号可以相互抵消，进而消除由于工频交流激励方式引入的正交干扰和同相干扰信号。

二是，采用信号调理电路滤除，如图2所示，信号调理电路包括第一仪表放大器、第二仪表放大器、第一相敏检波器、第二相敏检波器和第一滞回比较器。具体的，第一测量电极对或第二测量电极对上的电动势经过第一仪表放大器进行放大和噪声抑制处理，处理后的电动势经过第一相敏检波器进行相位补偿和零位补偿后，消除电动势中的正交干扰信号和同相干扰，第一相敏检波器输出感生电势信号，该感生电势信号输出至控制器进行数字滤波和处理；

第二仪表放大器检测工频交流激励源输出的交流激励信号，并对该交流激励信号进行放大和滤波处理，处理后的交流激励信号通过第二相敏检波器检波后输出至控制器进行数字滤波和处理，同时通过第一滞回比较器将该交流激励信号转变为同频率的方波信号，该方波信号作为第一相敏检波器和第二相敏检波器同步检波的同步头，并输出至控制器，控制器对经过数字滤波后感生电势信号和交流激励信号进行除法运算得到实时流速信号。

控制器，对信号调理电路处理后的信号以及无源传感器输出的图像数据进行图像处理；对图像数据的异常数据进行判断并清洗，利用数据拟合法补充异常数据。

本实施例的工作原理为：工频交流激励源输出的交流激励信号施加在励磁线圈和公共电极对上，实时监测电位计两端的电流IA和IB，当IA和IB幅值相等时，开始测量，此时，通过信号调理电路检测第一测量电极对和第二测量电极对上的电动势，并对该电动势进行滤波和解调处理，最后输出图像数据至CPU芯片，CPU芯片基于电学层析成像法得出流体浓度参数，并且通过电磁流量计得出流量参数。

本实施例的有益效果为：用工频交流励磁方式，可以消除电极表面的极化影响；由于工频交流信号为连续信号，其建立的磁场为连续交变磁场，其采样速度快，并且采集结果仅与流量相关；适用于不同的介质状况的施工地，无需调整电磁流量计的励磁频率；采用工频交流励磁方式测量电极输出电动势，非常容易放大和转换，相对比直流信号容易处理；

通过设置电位计，从测量电极中引出两根线分别连接电位计的两端，并且构成两个回路，当电流IA和IB的值相等时，正交干扰信号和同相干扰信号的幅值相等，因此，在电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号相位相反时，电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号可以相互抵消，进而消除由于工频交流激励方式引入的正交干扰和同相干扰信号；

第一仪表放大器对第一测量电极对或第二测量电极对上电动势进行放大和噪声抑制处理，处理后的电动势经过第一相敏检波器进行相位补偿和零位补偿后，可以消除电动势中的正交干扰信号和同相干扰，正确的区分流量信号和干扰信号；

第二仪表放大器检测工频交流激励源输出的交流激励信号，并对该交流激励信号进行放大和滤波处理，处理后的交流激励信号通过第二相敏检波器检波后输出交流激励信号，该交流激励信号输出至控制器进行数字滤波和处理，同时通过第一滞回比较器该交流激励信号转变为同频率的方波信号，该方波信号作为第一相敏检波器和第二相敏检波器同步检波的同步头，并输出至控制器，控制器对经过数字滤波后感生电势信号和交流激励信号进行除法运算得到实时流速信号，保证测量结果的真实性和实时性。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供一种基于数字信号处理器技术的主、从双CPU结构的信号处理系统以及一体化的ERT测量系统，开发了输送过程中水体电导率参数的实时获取技术，进行了根据所获取的电学信号进行图像重构的算法研究。

本实施例中，如图2所示，控制器包括：从CPU模块和主CPU模块。

如图5所示，从CPU模块，接收信号调理电路处理后的信号，并根据该信号实时计算敏感场的灵敏度；调整工频交流激励源的激励模式；对无源传感器输出的图像数据做图像重建初步处理。其中，从CPU模块对无源传感器输出的图像数据做图像重建初步处理具体包括：将图像数据划分为异常数据和非异常数据，对每个异常数据采用曲线拟合滤波算法求取与该异常数据吻合的计算值，并用该计算值代替该异常值，最后输出精确的图像数据。其中，曲线拟合滤波算法具体包括以下步骤：

S101、将单个异常数据记为(x_i,y_i)，其中，x_i为该异常数据的位置坐标，y_i为其测量值；取x_i的前两个位置和后两个位置的图像数据，分别记为x_i+1、x_i+2、x_i-1和x_i-2，取这四个图像数据测量值的平均值，记为

S102、计算这四个图像数据的偏移总值以及偏离值，将偏移总值记为M，将偏离值记为N，其中，

S103、预设偏离值阈值，当偏离值N超过预设偏离值阈值时，去除偏离值N对应的测量值，并选取二次曲线

做曲线拟合如下：

确定使方程式(1)达到最小的待定系数值a、b和c，将该异常数据的x_i和y_i代入方程式(1)，得到用于替换该异常值的计算值。

主CPU模块，还包括参考点测量系统和脉冲滤波器。如图6所示，主CPU模块接收从CPU模块输出的图像数据并对其进行图像重建算法处理；接收参考点测量系统输出的参考点实时电导率数据，将图像重建算法处理后的数据与参考点测量系统输出的参考数据进行图像重建算法处理，处理后的图像数据与参考点实时电导率数据进行图像重建迭代拟合处理；脉冲滤波器预设阈值滤波约束条件，判断图像重建迭代拟合处理后的图像数据是否满足阈值滤波约束条件，若满足，则进行卷积运算处理和最小二乘法约束递归，得到两相流各相占比及重建图像数据；若不满足，则通过脉冲滤波器进行滤波以满足阈值滤波约束条件。

本实施例的有益效果为：通过设置主从CPU架构，主CPU模块主要负责成像与成像结果的处理和传递，从CPU模块主要负责数据的采集与敏感场的优化，这两部分工作相对独立，将原本一个CPU的工作交给两个CPU承担，减少一个CPU的工作量，提高数据获取速度以及成像速度；

通过采用工频交流激励方式，使得测量电极对的采样信号为连续曲线，其信号采集速度很快，当电动势与干扰信号互相叠加时，采样曲线出现毛刺，利用本实施例的滤波算法，可以滤除噪声的干扰，对异常数据进行判断并清洗，利用数据拟合法补充异常数据，提高图像的精确度；

通过设置脉冲滤波器，在主CPU模块图像重建迭代拟合处理后的图像数据不满足阈值滤波约束条件时，则通过脉冲滤波器进行滤波以满足阈值滤波约束条件，使得重建图像准确度提升；

通过设置参考点测量系统，将参考点的实时电导率数据作为参考，可以降低检测数据的偏移量，提高测量精度。

实施例3

对于采用交流励磁方式的挖泥船电磁流量计，励磁功耗大且一般方法无法实现连续检测，实现电池供电相对困难，目前还没有可以解决采用交流励磁方式的挖泥船电磁流量计供电问题的技术方案。因此，为解决上述问题，本实施例提供一种蓄电池供电系统，为电磁流量计提供工作电压。

本实施例中，蓄电池供电系统包括充电电源、级联蓄电池组、DC/DC电源、阻抗匹配电路、工频功率放大电路和单片机；

充电电源，由于挖泥船必须长期在海面上进行施工，而蓄电池的容量有限，因而必须适时对蓄电池进行充电，本实施例中设置充电电源对级联蓄电池组进行充电。优选的，本实施例中采用兼容式设计，充电电源包括：手摇式永磁发电机、DC/DC变换器、220V交流源和AC/DC变换器，并且提供两种充电方案，方案一：手摇式永磁发电机输出12V直流信号至DC/DC变换器，DC/DC变换器将该12V直流信号升压至56VDC_4A信号，56VDC_4A信号给级联蓄电池组充电；方案二：220V交流源输出220V交流电至AC/DC变换器，AC/DC变换器将该220V交流电降压以及变化成56VDC_4A信号，该56VDC_4A信号给级联蓄电池组充电。

级联蓄电池组，提供电能。本实施例中，级联蓄电池组选用48V级联蓄电池组，为后级电路提供48CDC的稳定直流信号。可采用现有技术实现，在此不再累述。

DC/DC电源，将48V级联蓄电池组输出的48CDC的稳定直流信号转换为阻抗匹配电路和工频功率放大电路所需的工作电压。本实施例中，阻抗匹配电路和工频功率放大电路所需的工作电压为15V，因此，DC/DC电源将48V级联蓄电池组输出的48CDC的稳定直流信号转换为15V的直流信号，不仅可以提供稳定的电压源，还能实现电源通断控制，从而延长蓄电池供电时间，同时还可以实现各级电路输入与输出之间的有效隔离，大大衰减各级电路之间的耦合和干扰。可采用现有技术实现，在此不再累述。

阻抗匹配电路，对于交流励磁系统，其励磁线圈基本上等效为感性负载，感抗在数值上比线圈铜电阻大得多，励磁线圈中的励磁电流大小取决于线圈的电阻和电感，而且主要决定于电感。采用单片机控制可控硅投切超级电容的方式进行串联谐振，降低电感感抗消耗的无功功率，提高励磁线圈的输出功率，因此，本实施例中，设置阻抗匹配电路减少励磁线圈产生的无功功率。优选的，本实施例中，如图3所示，阻抗匹配电路包括双向可控硅投切电容电路、双向可控硅触发电路和电流采集电路。双向可控硅投切电容电路，利用双向可控硅投切电容，采用串联电容进行阻抗匹配，减少励磁线圈产生的无功功率，提高励磁线圈的输出功率。双向可控硅触发电路，用于控制双向可控硅的开或关。电流采集电路，检测流过励磁线圈的电流。

工频功率放大电路，由于励磁电流必须保证为大于1A电流，因此，本实施例中设置工频功率放大电路将获得的直流电转换为工频交流电。本实施例中，如图3所示，工频功率放大电路包括：第二滞回比较器、积分放大器、功率放大电路和电压采集电路。第二滞回比较器，将单片机输出的方波信号转换为上下对称的50Hz方波信号。积分放大器，将上下对称的方波信号平滑输出为50Hz正弦波信号。功率放大电路，将积分放大器输出的50Hz正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的正弦波输出至励磁线圈的另一端。电压采集电路，将采集的电压作为同步头，进行电流采样，得到等效电路中电压与电流的相位差，以及电流幅值，通过主控制器计算并判断投切电容的多少，实现在线监测线圈匹配状态和自动投切电容进行匹配。

本实施例的工作原理为：单片机输出开关量信号，以触发双向可控硅触发电路控制双向可控硅投切电容电路进行串联谐振，降低谐振线圈的电感感抗消耗的无功功率，提高励磁电路的输出功率；单片机输出方波信号，经过第二滞回比较器可得到高电平为+2.5V，低电平为-2.5V上下对称的50Hz方波信号，积分放大器将上下对称的方波信号平滑输出为50Hz正弦波信号，功率放大电路将积分放大器输出的50Hz正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的正弦波输出至励磁线圈的另一端，保证励磁线圈中的励磁电流大于1A电流；当投切电容与励磁线圈电感达到阻抗匹配时，其等效电阻为纯电阻R，等效电路中电压与电流同相位，此时，以电压采集电路输出的方波信号作为同步头，进行电流采样，得到等效电路中电压与电流的相位差，以及电流幅值，通过主控制器计算并判断投切电容的多少，实现在线监测线圈匹配状态和自动投切电容进行匹配。

本实施例的有益效果为：设置阻抗匹配电路，利用双向可控硅投切电容，采用串联电容进行阻抗匹配，改善负载传感器的功率因数，以减小电源的负荷，减少励磁线圈产生的无功功率，提高励磁线圈的输出功率；设置工频功率放大电路将获得的直流电转换为工频交流电，保证励磁线圈中的励磁电流大于1A电流；通过阻抗匹配电路和工频功率放大电路将原有交流励磁电磁流量计视在功率由500VA降为13VA，大大降低了使用功耗，从而使得交流励磁系统实现电池供电成为可能；

在阻抗匹配电路中设置双向可控硅投切电容电路，利用双向可控硅投切电容，采用串联电容进行阻抗匹配，减少励磁线圈产生的无功功率，提高励磁线圈的输出功率；

通过在工频功率放大电路中设置第二滞回比较器、积分放大器、功率放大电路和电压采集电路，主控制器输出的50Hz方波信号，幅值为0～5V，该方波信号经过第二滞回比较器可得到高电平为+2.5V，低电平为-2.5V上下对称的50Hz方波信号，积分放大器将上下对称的方波信号平滑输出为50Hz正弦波信号，功率放大电路将积分放大器输出的50Hz正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的正弦波输出至励磁线圈的另一端，保证励磁线圈中的励磁电流大于1A电流。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于，包括：

无源传感器，连通输送管道，基于电学层析成像法检测管道内流体浓度；无源传感器包括沿无源传感器内壁的周向方向排列的电极阵列，取其中任意相邻的两电极为公共电极对，其它相邻的两个电极对为第一测量电极对；

电磁流量计，检测管道内流体的流量；电磁流量计包括激励线圈和第二测量电极对，第二测量电极对沿管道的管径方向穿通管壁固定在管道上；其中，第二测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；

工频交流激励源，输出交流激励信号，并施加在公共电极对和激励线圈上，在管道内建立敏感场；

电位计，测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接，其中，测量电极S、导线A和电位计构成第一回路，回路中的电流记为IA；测量电极S、导线B和电位计构成第二回路，回路中的电流记为IB；当管道为空管或者管道内流体流速为0时，调节电位计的电位，使得电流IA和IB的值相等，开始检测第二测量电极对上的电动势；

信号调理电路，分别检测工频交流激励源输出的交流激励信号，以及第一测量电极对和第二测量电极对上的电动势，并对其进行放大、滤波、解调、相位补偿和零位补偿处理；

控制器，对信号调理电路处理后的信号以及无源传感器输出的图像数据进行图像处理；对图像数据的异常数据进行判断并清洗，利用数据拟合法补充异常数据。

2.如权利要求1所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：所述信号调理电路包括第一仪表放大器、第二仪表放大器、第一相敏检波器、第二相敏检波器和第一滞回比较器；

所述第一测量电极对或第二测量电极对上的电动势经过第一仪表放大器进行放大和噪声抑制处理，处理后的电动势经过第一相敏检波器进行相位补偿和零位补偿后，消除电动势中的正交干扰信号和同相干扰，第一相敏检波器输出感生电势信号，该感生电势信号输出至控制器进行数字滤波和处理；

所述第二仪表放大器检测工频交流激励源输出的交流激励信号，并对该交流激励信号进行放大和滤波处理，处理后的交流激励信号通过第二相敏检波器检波后输出至控制器进行数字滤波和处理，同时通过第一滞回比较器将该交流激励信号转变为同频率的方波信号，该方波信号作为第一相敏检波器和第二相敏检波器同步检波的同步头，并输出至控制器，控制器对经过数字滤波后感生电势信号和交流激励信号进行除法运算得到实时流速信号。

3.如权利要求1所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：所述控制器包括：

从CPU模块，接收信号调理电路处理后的信号，并根据该信号实时计算敏感场的灵敏度；调整工频交流激励源的激励模式；对无源传感器输出的图像数据做图像重建初步处理；

主CPU模块，接收从CPU模块图像重建初步处理后的图像数据；对图像数据进行图像重建算法处理，得到两相流各相占比及重建图像数据。

4.如权利要求3所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：所述：从CPU模块对无源传感器输出的图像数据做图像重建初步处理具体包括：将图像数据划分为异常数据和非异常数据，对每个异常数据采用曲线拟合滤波算法求取与该异常数据吻合的计算值，并用该计算值代替该异常值，最后输出精确的图像数据。

5.如权利要求4所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：所述曲线拟合滤波算法包括以下步骤：

S101、将单个异常数据记为(x_i,y_i)，其中，x_i为该异常数据的位置坐标，y_i为其测量值；取x_i的前两个位置和后两个位置的图像数据，分别记为x_i+1、x_i+2、x_i-1和x_i-2，取这四个图像数据测量值的平均值，记为

S102、计算这四个图像数据的偏移总值以及偏离值，将偏移总值记为M，将偏离值记为N，其中，

S103、预设偏离值阈值，当偏离值N超过预设偏离值阈值时，去除偏离值N对应的测量值，并选取二次曲线ax_i ²+bx_i+c做曲线拟合如下：

确定使方程式(1)达到最小的待定系数值a、b和c，将该异常数据的x_i和y_i代入方程式(1)，得到用于替换该异常值的计算值。

6.如权利要求3所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：还包括：

参考点测量系统，输出参考点实时电导率数据，并将该电导率数据输入至主CPU模块；

所述主CPU模块接收参考点测量系统输出的参考点实时电导率数据，将图像重建算法处理后的数据与参考点测量系统输出的参考数据进行图像重建算法处理，处理后的图像数据与参考点实时电导率数据进行图像重建迭代拟合处理。

7.如权利要求6所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：还包括：

脉冲滤波器，预设阈值滤波约束条件，判断图像重建迭代拟合处理后的数据是否满足阈值滤波约束条件；当主CPU模块图像重建算法处理后的图像数据不满足滤波约束条件，则对主CPU模块图像重建算法处理后的图像数据进行滤波以满足阈值滤波约束条件。

8.如权利要求1所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：还包括：

蓄电池供电系统，为电磁流量计提供工作电压；蓄电池供电系统包括充电电源、级联蓄电池组、DC/DC电源、阻抗匹配电路、工频功率放大电路和单片机；

充电电源对级联蓄电池组进行充电，级联蓄电池组输出直流电压信号至DC/DC电源，DC/DC电源将该直流电压转换为阻抗匹配电路和工频功率放大电路所需的工作电压；

单片机输出开关量信号，控制阻抗匹配电路实现阻抗匹配后输出至励磁线圈的一端；单片机输出方波信号，经工频功率放大电路将方波信号转换为工频交流电后输出至励磁线圈的另一端。

9.如权利要求8所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：所述阻抗匹配电路包括双向可控硅投切电容电路、双向可控硅触发电路和电流采集电路；

所述单片机输出的开关量信号经双向可控硅触发电路控制双向可控硅投切电容电路实现励磁线圈的阻抗匹配，电流采集电路检测流过励磁线圈电流的大小。

10.如权利要求8所述的一种挖泥船管道输送无源产量计，其特征在于：所述工频功率放大电路包括：第二滞回比较器、积分放大器、功率放大电路和电压采集电路；

所述第二滞回比较器将主控制器输出的方波信号转换为上下对称的50Hz方波信号；

所述积分放大器将该上下对称的50Hz方波信号平滑输出为50Hz正弦波信号；

所述功率放大电路对该50Hz正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的正弦波输出至励磁线圈的另一端；

所述电压采集电路采集励磁线圈的另一端的电压信号，并将采集结果输出至主控制器的第二输入端。

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