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基于諧波分析的煤漿電磁流量計(jì)信號(hào)處理方法 
發(fā)布時(shí)間:2018-08-20

摘要:針對(duì)國(guó)內(nèi)漿液型電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿流量時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)大、甚至回零的問(wèn)題,采集現(xiàn)場(chǎng)水煤漿信號(hào),進(jìn)行時(shí)域和頻域分析,找出其無(wú)法穩(wěn)定測(cè)量水煤漿流量的原因。根據(jù)水煤漿信號(hào)的特征,提出基于勵(lì)磁頻率高次諧波分析的信號(hào)處理方法,選取受漿液噪聲干擾小的高次諧波幅值來(lái)反映流量信號(hào)的大小,有效地避開了水煤漿噪聲的干擾。
0引言
  水煤漿是一種由55%~65%的煤粉、34%~43%的水和1%的化學(xué)添加劑,經(jīng)過(guò)一定的工藝加工而成的固液混合物,既可作為燃料代替油、氣和煤用于發(fā)電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐,緩解石油短缺的能源安全問(wèn)題,又可作為制備合成氣的原料,通過(guò)氣化生成CO、CO2和H2等氣體,作為工藝過(guò)程中的反應(yīng)氣。水煤漿在生產(chǎn)過(guò)程中使用煤漿泵輸送,在生產(chǎn)時(shí),煤漿泵工作在額定轉(zhuǎn)速下,所以,水煤漿的流速基本保持不變。但是,水煤漿是一種非牛頓流體,并且存在固體顆粒的沉淀,加上流速低,所以,可能會(huì)導(dǎo)致煤漿泵堵塞,使煤漿泵出口壓力大幅跳動(dòng),引起水煤漿流速出現(xiàn)大幅波動(dòng),影響正常生產(chǎn)。因此,為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全,需要監(jiān)測(cè)管道內(nèi)水煤漿的流速,以及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤漿泵的異常。電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)不存在阻礙流體的部件,且受密度、粘度影響較小,適宜測(cè)量這類高濃度的固液混合物。解決漿液型電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿時(shí)波動(dòng)較大的問(wèn)題,不僅能大大減少國(guó)內(nèi)煤化工企業(yè)的生產(chǎn)成本,還是保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。某國(guó)外著名廠家的電磁流量計(jì)通過(guò)選用耐沖刷,耐磨損的增強(qiáng)聚四氟乙烯作為襯里材料、低噪音電極以及抗噪音轉(zhuǎn)換器來(lái)降低測(cè)量流量的波動(dòng)[2]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量類似紙漿的漿液流量在信號(hào)處理方面進(jìn)行過(guò)一定的研究[3-7],但是,均沒(méi)有關(guān)于水煤漿測(cè)量信號(hào)處理方面的參考文獻(xiàn)。
  針對(duì)煤漿型電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)、甚至回零的問(wèn)題,采集現(xiàn)場(chǎng)電磁流量計(jì)輸出的水煤漿信號(hào);在時(shí)域和頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析,找出了電磁流量計(jì)不能穩(wěn)定測(cè)量水煤漿流量的原因;根據(jù)水煤漿信號(hào)特征,提出了基于勵(lì)磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計(jì)信號(hào)處理方法;在基于DSP的電磁流量計(jì)變送器上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)該算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定,驗(yàn)證了所提出的算法的有效性。
1數(shù)據(jù)采集分析
1.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
  針對(duì)煤漿型電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng),甚至回零這一問(wèn)題,特去某煤化工企業(yè)甲醇分公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。該公司所使用的對(duì)置式四噴嘴氣化爐有4個(gè)噴嘴,噴嘴管道口徑為125mm,管中水煤漿流量基本穩(wěn)定在19m3/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3臺(tái)煤漿型電磁流量計(jì),每臺(tái)煤漿型電磁流量計(jì)由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1臺(tái)電磁流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,因?yàn)樵撆_(tái)電磁流量計(jì)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大,甚至出現(xiàn)回零的現(xiàn)象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號(hào)線和勵(lì)磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵(lì)磁線圈上,組合成完整的電磁流量計(jì),進(jìn)行水煤漿數(shù)據(jù)采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心,采用高頻勵(lì)磁方案,其硬件主要包括勵(lì)磁控制系統(tǒng)和信號(hào)采集處理系統(tǒng),具體的模塊有勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)調(diào)理采集模塊、信號(hào)處理控制模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊及電源管理模塊[8-12]。信號(hào)調(diào)理采集模塊中的調(diào)理電路對(duì)一次儀表輸出的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,截止頻率是2kHz,放大倍數(shù)約為230倍。通過(guò)NI公司USB-6216型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,把調(diào)理電路的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)差分輸入端,并設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡工作在差分的測(cè)量模式,設(shè)置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號(hào)數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度為5min。
1.2數(shù)據(jù)分析
  現(xiàn)場(chǎng)采集了25Hz方波勵(lì)磁下的水煤漿信號(hào),發(fā)現(xiàn)水煤漿信號(hào)的幅值非常大,甚至接近AD的量程上限,如圖1所示。水煤漿信號(hào)主要由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和電極噪聲組成。其中,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是由導(dǎo)電液體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的,其幅值和相同流量下介質(zhì)為水的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值相同,僅約為數(shù)十毫伏。這是因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)不受被測(cè)導(dǎo)電介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及導(dǎo)電率的影響,只要經(jīng)過(guò)水標(biāo)定后,就可以用來(lái)測(cè)量其他導(dǎo)電液體的流量[13]。電極噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過(guò)電極而引起的信號(hào)跳變,也稱為漿液噪聲,具有強(qiáng)非平穩(wěn)性、隨機(jī)性,頻域具有近似1/f的特性[14]。水煤漿信號(hào)中的漿液噪聲幅值非常大,峰峰值可達(dá)數(shù)伏,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào),如圖2所示。這給流量信號(hào)的提取造成了極大的困難。
煤漿型電磁流量計(jì)信號(hào)整體圖
煤漿型電磁流量計(jì)信號(hào)細(xì)節(jié)圖
  采用方波勵(lì)磁的電磁流量計(jì),其傳感器輸出的與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的波形也類似于方波。針對(duì)與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)f(t)的特點(diǎn),可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對(duì)于一個(gè)給定單峰值為Em的矩形波信號(hào),其傅里葉展開為:

  在傳感器輸出的信號(hào)中只有與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)才是有用信號(hào),被用來(lái)計(jì)算流量。而提取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)就需要包含頻率等于fe,3fe,5fe,…等頻率點(diǎn)的信號(hào)。但是,從水煤漿信號(hào)的頻譜圖可以看出,漿液噪聲頻帶較寬,在頻率點(diǎn)fe處的幅值較大,甚至將基波淹沒(méi),如圖3所示。選擇一組采集的水煤漿信號(hào),把其等分成數(shù)段,利用MATLAB計(jì)算每段數(shù)據(jù)在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數(shù)組中,使用繪圖工具畫出來(lái),如圖4所示。可見,基波幅值在1~9mV波動(dòng),波動(dòng)較大,而基波幅值在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中所占的比重又最大,所以,必然導(dǎo)致計(jì)算出的流量波動(dòng)劇烈,出現(xiàn)測(cè)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。從圖3水煤漿信號(hào)的頻譜圖中還可以看出,隨著頻率的遞增,水煤漿信號(hào)中的漿液噪聲逐漸衰減,使高次諧波開始凸顯。由式(1)可知,高次諧波的幅值也是與流量成線性關(guān)系的,因此,煤漿型電磁流量計(jì)可以通過(guò)提取高次諧波計(jì)算流量,有效地避開漿液噪聲的干擾,得到比較穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。
煤漿型電磁流量計(jì)信號(hào)頻譜圖
  為了進(jìn)一步研究水煤漿信號(hào)的特點(diǎn),將其與紙漿信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)分析課題組采集的25Hz矩形波勵(lì)磁下的紙漿信號(hào)發(fā)現(xiàn),在同樣流速下,測(cè)量介質(zhì)為紙漿時(shí),傳感器輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大后能明顯看到與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào),且其漿液干擾僅為數(shù)十毫伏,要遠(yuǎn)小于水煤漿信號(hào)中的漿液干擾,如圖5所示。對(duì)圖5所示的紙漿信號(hào)進(jìn)行局部放大,得到如圖6所示的信號(hào)。可見,紙漿信號(hào)中的漿液干擾持續(xù)的時(shí)間也遠(yuǎn)小于水煤漿信號(hào)中的漿液干擾,且頻率較低。
煤漿型電磁流量計(jì)信號(hào)基波幅值圖
煤漿型電磁流量計(jì)紙漿信號(hào)整體圖
煤漿型電磁流量計(jì)信號(hào)細(xì)節(jié)圖
  在頻域中對(duì)紙漿信號(hào)觀察時(shí)發(fā)現(xiàn),紙漿信號(hào)的漿液噪聲頻帶在零頻率點(diǎn)附近,距離流量信號(hào)基波頻率點(diǎn)較遠(yuǎn),對(duì)基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒(méi)有影響,紙漿信號(hào)在頻域中的圖形如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號(hào),把其等分成數(shù)段,利用MATLAB計(jì)算每段數(shù)據(jù)在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數(shù)組中,使用繪圖工具畫出來(lái),如圖8所示?梢姡ǚ翟4.7~4.95mV變化,波動(dòng)較小。因此,提取到的與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)幅值會(huì)比較穩(wěn)定。


  從以上分析可知,水煤漿信號(hào)與紙漿信號(hào)有較大差異,煤漿型電磁流量計(jì)適用于紙漿信號(hào)的信號(hào)處理方法不再適用于水煤漿信號(hào)。
2信號(hào)處理方法
2.1基于勵(lì)磁頻率高次諧波的計(jì)算方法
  雖然水煤漿信號(hào)的基波受漿液干擾影響,波動(dòng)較大,但是,流量信號(hào)的高次諧波分量受水煤漿噪聲影響小,幅值穩(wěn)定,且其幅值與流量信號(hào)的大小成比例。因此,可以選取某一適當(dāng)?shù)母叽沃C波幅值來(lái)反映整體流量信號(hào)的大小。
  信號(hào)處理算法的具體步驟為對(duì)水煤漿信號(hào)進(jìn)行一定點(diǎn)數(shù)的快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算;提取某一受水煤漿噪聲影響小的高次諧波所在頻率點(diǎn)處的幅值;對(duì)提取到的幅值進(jìn)行排序,取中間若干點(diǎn)的均值作為當(dāng)前一輪FFT計(jì)算得到的高次諧波幅值;最后對(duì)得到的幅值進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波,作為最終的輸出。對(duì)圖1所示的水煤漿信號(hào)在MATLAB中進(jìn)行上述處理,得到的頻率為225Hz的高次諧波的幅值曲線如圖9所示,得到波動(dòng)率為:

2.2與已有漿液處理方法的比較
  煤漿型電磁流量計(jì)針對(duì)紙漿流量,提出了一種基于漿液信號(hào)統(tǒng)計(jì)模型的信號(hào)處理方法。該算法通過(guò)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)漿液信號(hào)的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選,去除其中發(fā)生大跳變的幅值數(shù)據(jù),進(jìn)而得出一條受漿液干擾影響較小的“幅值基準(zhǔn)”。再根據(jù)“幅值基準(zhǔn)”,重新構(gòu)造“無(wú)漿液干擾”的流量計(jì)輸出信號(hào)。然后,對(duì)“構(gòu)造信號(hào)”進(jìn)行處理,最后輸出流量計(jì)算結(jié)果。利用該算法對(duì)圖1所示的水煤漿信號(hào)進(jìn)行處理,得到的解調(diào)幅值如圖10所示,解調(diào)結(jié)果的波動(dòng)較大,如下:

  可見,用已有漿液算法處理水煤漿信號(hào),測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大,說(shuō)明無(wú)法通過(guò)去除漿液噪聲來(lái)提取與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào),進(jìn)一步驗(yàn)證了所提算法的正確性。
3系統(tǒng)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)
3.1系統(tǒng)軟件
  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,將完成特定功能或類似功能的子程序組合成功能模塊,主要功能模塊有主監(jiān)控模塊、初始化模塊、中斷模塊及算法模塊等,由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調(diào)用。軟件框圖如圖11所示。
煤漿型電磁流量計(jì)系統(tǒng)軟件框圖
主監(jiān)控程序的流程圖如圖12所示。

1)系統(tǒng)上電后,DSP完成各種初始化工作,包括系統(tǒng)初始化、外設(shè)初始化和算法初始化等,開啟定時(shí)器以及AD采樣轉(zhuǎn)換模塊。
2)AD采樣轉(zhuǎn)換結(jié)束后,通過(guò)多通道緩沖器McBSP傳輸?shù)紻SP,實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到外擴(kuò)SARAM中的數(shù)據(jù)緩沖數(shù)組中,并對(duì)采集到的流量信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。
3)在主循環(huán)中查詢數(shù)據(jù)更新是否完成,若完成,則進(jìn)行算法處理,得到流速、瞬時(shí)流量等;在定時(shí)器中斷中累加瞬時(shí)流量得到累積流量,同時(shí),輸出4~20mA電流及PWM脈沖輸出;最后,進(jìn)入按鍵掃描程序,查詢按鍵是否按下。
4)將測(cè)量得到的結(jié)果通過(guò)LCD顯示出來(lái),并判斷是否有按鍵標(biāo)志位置位。若有,則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵操作子程序。重復(fù)步驟2)~4)的過(guò)程,對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。
3.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
  將軟件工程通過(guò)仿真器下載到變送器中的DSP里,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)勵(lì)磁和處理實(shí)驗(yàn),通過(guò)液晶可以觀察流量的波動(dòng)情況,并將實(shí)時(shí)流量通過(guò)RS485通信傳至上位機(jī)。通過(guò)液晶界面對(duì)實(shí)時(shí)流量進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視,發(fā)現(xiàn)流量波動(dòng)小于1m3/h。由于上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)量有限,僅記錄了250s內(nèi)的實(shí)時(shí)流量變化曲線,如圖13所示?梢姡髁吭18.5~19.5m3/h波動(dòng),與管道上某國(guó)外著名廠家的電磁流量計(jì)的測(cè)量流量波動(dòng)情況相吻合。

4結(jié)論
  從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)水煤漿信號(hào)進(jìn)行分析。分析煤漿型電磁流量計(jì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)中漿液噪聲幅值遠(yuǎn)大于與流量信號(hào)相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值,且漿液噪聲疊加在基波上,導(dǎo)致基波幅值大幅波動(dòng),從而使電磁流量計(jì)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大。
  提出基于FFT計(jì)算的勵(lì)磁頻率高次諧波分析方法。即選取某一適當(dāng)高次諧波分量的幅值來(lái)反映流量信號(hào)的大小,有效地避開了水煤漿噪聲的干擾。在MATLAB中,用所提算法對(duì)實(shí)際采集的信號(hào)進(jìn)行處理,得到的高次諧波幅值穩(wěn)定,波動(dòng)較小。
 

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