摘要:針對(duì)國内 漿液型(xing)電磁流量計(ji) 測量水煤漿(jiang)流量時出現(xiàn)波動大、甚至(zhi)回零的問題(tí)，采集現場水(shuǐ)煤漿信号，進(jin)行時域和頻(pin)域分析，找出(chu)其無法穩定(ding)測量水煤漿(jiang)流量的原因(yīn)。根據水煤漿(jiāng)信号的特征(zheng)，提出基于勵(lì)磁頻率高次(cì)諧波分析的(de)信号處理方(fang)法，選取受漿(jiang)液噪聲幹擾(rao)小的高次諧(xie)🏃‍♂️波幅值來反(fan)💯映流量信号(hào)的大小，有效(xiao)地避開了水(shuǐ)💛煤漿噪聲的(de)幹擾。
0引言
　　水(shui)煤漿是一種(zhong)由55%～65%的煤粉、34%～43%的(de)水和1%的化學(xue)添加劑，經過(guò)一☔定🚩的工藝(yi)加工而成的(de)固液混合物(wù)，既可作爲👉燃(ran)料代替♈油、氣(qì)和煤用于發(fā)電站鍋爐、工(gōng)業鍋爐和工(gong)業窯爐，緩解(jie)石油短缺的(de)能源安全問(wen)題，又可作🏃爲(wei)制備合成氣(qi)的原料，通過(guo)氣化生成CO、CO2和(he)H2等氣體，作爲(wèi)工藝過程中(zhong)的反應氣。水(shui)煤漿在生産(chan)過程中使♻️用(yòng)煤漿泵輸送(song)🐇，在生産時，煤(mei)漿泵工作在(zai)額定轉速下(xia)，所以，水✏️煤漿(jiang)的流速基本(běn)保持不變。但(dan)是，水煤漿是(shì)一種非牛頓(dùn)流體，并且存(cún)在固體顆粒(li)的沉澱，加上(shang)流速低🍉，所以(yi)，可能會導緻(zhì)煤漿泵堵塞(sai)，使煤漿泵出(chu)口壓力大幅(fu)跳動，引起水(shuǐ)煤漿流速出(chu)現大幅波💞動(dong)，影響正常😍生(sheng)産。因此，爲了(le)保證産品質(zhì)量和生産安(ān)全👅，需要監測(ce)管道内水📐煤(méi)漿的流速，以(yǐ)及時發現煤(méi)漿泵的異常(cháng)。 電磁流量計(jì) 測量管内不(bú)存在阻礙流(liu)體的部件，且(qie)受密度、粘度(dù)影☎️響較小，适(shi)宜測量這類(lèi)高濃度的固(gu)液混合物。解(jiě)決漿液型電(dian)磁流量計測(cè)量水煤漿時(shi)波動較大的(de)問題，不僅能(néng)大大減少國(guó)内煤⁉️化工企(qi)業的生産成(cheng)本，還是保🚶證(zheng)安全生産的(de)關鍵📧。某國外(wài)著名廠家的(de)✊電磁流量計(jì)🔴通過選用耐(nài)🌐沖刷，耐磨損(sun)的增強聚四(si)氟乙烯作爲(wei)襯裏材料、低(dī)噪音♈電極以(yǐ)及抗噪音轉(zhuan)換器來降低(di)測量流量的(de)波動［2］。目前，國(guó)内外對電磁(cí)流量計測量(liàng)類似紙漿的(de)漿液流量在(zài)信号處理方(fang)面進行過一(yī)定的研究［3-7］，但(dàn)是，均沒有關(guan)于水煤漿測(cè)量信号處理(lǐ)方面的參考(kǎo)文獻。
　　針對煤(mei)漿型電磁流(liu)量計 測量水(shui)煤漿時出現(xian)較大波動、甚(shèn)至回零的問(wen)題，采集現場(chang)電磁👅流量計(jì)輸出的水煤(mei)漿信号;在時(shi)域和💯頻域對(duì)信号進行分(fèn)析，找出了電(dian)磁流量計不(bu)能穩定測量(liang)水煤漿流量(liàng)的原因;根據(jù)水煤🔴漿信号(hao)特征🆚，提出了(le)基于勵磁頻(pín)率高次諧波(bō)分析的煤漿(jiāng)流量計信号(hào)處理方法;在(zài)基于DSP的電磁(ci)流量計變送(sòng)器上⛷️實時實(shí)現該算😄法。實(shi)驗結果表明(míng)，測量結果較(jiào)穩定，驗證了(le)所🏃提出的算(suan)法的有效性(xing)。
1數據采集分(fèn)析
1.1現場實驗(yan)
　　針對煤漿型(xíng)電磁流量計(jì)測量水煤漿(jiang)時出現較大(da)波動，甚至回(huí)零這一問題(ti)，特去某煤化(hua)工企業甲醇(chun)分公☔司進行(háng)現場數✂️據采(cai)💘集。該公司所(suǒ)使用的對置(zhì)式四噴嘴氣(qì)化爐有4個噴(pen)嘴，噴嘴管道(dao)口徑爲125mm，管中(zhong)水煤漿流量(liàng)基本穩定在(zài)19m3/h(流速約爲0.48m/s)。每(mei)條🐕噴嘴煤漿(jiang)線上安裝了(le)✌️3台煤漿型電(dian)磁流量計，每(mei)台煤漿型電(diàn)🧡磁流量計由(yóu)傳感器和變(biàn)送器兩部分(fèn)組成。選擇其(qí)🤩中1條水煤漿(jiang)管線上的1台(tai)電磁流量🙇🏻計(ji)進行數據采(cǎi)集，因爲該台(tai)電磁流量計(jì)測量結果波(bō)動大，甚至出(chu)現回零的現(xiàn)象。将課題組(zǔ)研制的基于(yu)DSP的電磁🔴流量(liàng)㊙️變送器的信(xìn)号線🌂和勵磁(cí)線接到該電(diàn)磁🚶流量傳感(gan)器的電極和(hé)勵磁線圈上(shàng)，組合成完整(zhěng)的電磁流量(liàng)計，進🌍行水煤(mei)漿數據采集(ji)。使用🏃🏻‍♂️的❗電磁(cí)流量變送器(qi)是以TI公司⛹🏻‍♀️DSP芯(xīn)片TMS320F28335爲核心，采(cǎi)用高頻勵磁(cí)方案，其硬件(jian)🌂主要包括勵(lì)磁控制系統(tong)和信号采集(jí)處理系統⭐，具(ju)體的模塊有(yǒu)勵磁驅動模(mó)塊、信号調理(lǐ)采集模塊、信(xin)号處理控制(zhi)💁模塊、人機接(jiē)口模塊、通信(xin)模塊及電源(yuan)管理模塊［8-12］。信(xìn)号調理采集(ji)模塊中的調(diao)理電路對一(yi)次儀表輸出(chu)的信号進行(hang)放大和濾波(bō)，截止頻⛱️率是(shì)2kHz，放大倍數💁約(yue)爲230倍。通過NI公(gong)司USB－6216型号的數(shù)據采集卡進(jìn)⭕行數據采集(ji)，把調理⭐電路(lù)的輸出端連(lian)接到數據采(cai)❌集卡的一個(gè)差分輸入端(duan)，并設置數據(ju)采集卡工作(zuò)在差分的測(ce)量模式，設置(zhi)采集卡的采(cǎi)樣頻率爲10kHz。采(cai)集多⛹🏻‍♀️組水煤(mei)漿信号數據(ju)，每組數據的(de)時間長度爲(wèi)5min。
1.2數據分析
　　現(xian)場采集了25Hz方(fāng)波勵磁下的(de)水煤漿信号(hao)，發現水煤漿(jiang)信号的幅值(zhi)非常大，甚至(zhi)接近AD的量程(cheng)上限，如圖1所(suǒ)示。水煤漿信(xìn)号主要由感(gǎn)應電動勢信(xìn)号和電極噪(zao)聲組🧡成。其中(zhōng)，感應電動勢(shì)信号是由導(dǎo)電液體切割(ge)磁場産生的(de)，其幅值和相(xiang)同流量下介(jiè)質爲水的感(gan)應電動勢幅(fú)值相同，僅約(yue)爲數十毫伏(fu)。這是因爲電(diàn)磁流量計不(bú)受被測導電(diàn)介質的溫度(dù)、粘度🧑🏽‍🤝‍🧑🏻、密度以(yǐ)及導電率的(de)影響，隻要經(jing)過水标定後(hòu)，就可以用來(lái)測量其他導(dǎo)電液體的流(liu)量［13］。電極噪聲(shēng)是水煤漿中(zhong)的固體顆粒(li)劃過電極而(ér)引起的信号(hao)跳變，也稱㊙️爲(wei)漿液噪聲，具(jù)有強非平穩(wěn)性、随機性，頻(pín)域具有近似(si)1/f的特性［14］。水煤(mei)漿信号中的(de)漿液噪聲幅(fú)值非常大❄️，峰(feng)峰值可達數(shù)伏，遠遠高于(yu)與流量相關(guan)的感應電動(dòng)勢信号，如圖(tú)2所示。這給流(liu)量信🏃号的提(tí)取造成了極(ji)大的困難。


　　采用方波勵(li)磁的電磁流(liu)量計，其傳感(gǎn)器輸出的與(yǔ)流量相關的(de)感應電動勢(shi)信号的波形(xing)也類似于方(fāng)波。針對與流(liu)量相關的感(gan)應電動勢信(xìn)号f(t)的特點，可(ke)知其是由基(ji)波和奇次諧(xie)波疊加而成(chéng)的。對于一個(gè)給定單峰值(zhí)爲Em的矩形波(bō)信号，其傅裏(lǐ)葉展開爲:

　　在(zai)傳感器輸出(chu)的信号中隻(zhī)有與流量相(xiàng)關的感應電(diàn)動勢信号🌈才(cái)是有用信号(hào)，被用來計算(suàn)流量。而提取(qu)感應電🚶‍♀️動勢(shì)信号就需🈲要(yào)包含頻率等(děng)于fe，3fe，5fe，…等頻率點(diǎn)的信号。但是(shi)，從水煤㊙️漿信(xin)号的頻譜圖(tu)可以看出，漿(jiang)液噪聲頻帶(dài)較寬，在頻率(lü)點fe處的幅值(zhi)較大，甚至将(jiāng)基波淹沒，如(rú)圖3所示。選🔅擇(ze)一組采集的(de)水煤漿信号(hào)，把其等分成(chéng)數段，利用MATLAB計(ji)算每段數據(jù)在基♈波處的(de)幅值并提取(qǔ)保存在一♈個(gè)數組中，使用(yong)繪圖工具畫(hua)出來，如圖4所(suo)示。可🐅見，基波(bō)幅值在1～9mV波動(dong)，波動較大，而(er)基波幅值在(zài)感應電🔞動勢(shi)信号中所占(zhan)的比重又最(zuì)大，所以，必然(rán)導✌️緻計算出(chu)的流量波動(dong)劇烈，出現🏃🏻測(ce)量不穩定😘的(de)問題。從圖⭐3水(shuǐ)煤漿信号的(de)頻譜圖中🎯還(hai)可以看出，随(sui)着頻率的遞(di)增，水煤漿信(xin)号中的漿🌐液(ye)噪聲逐漸衰(shuai)減，使高次諧(xie)波開始凸顯(xiǎn)。由式(1)可知，高(gao)次諧波的幅(fu)🚩值也🈲是與流(liu)量成線性關(guān)系的，因此，煤(mei)漿型電磁流(liú)量計可以通(tōng)過提取高次(cì)諧波計算流(liu)量，有效地避(bì)開漿液噪💛聲(shēng)的幹擾，得到(dào)比較穩定的(de)測量結果。

　　爲了進(jin)一步研究水(shui)煤漿信号的(de)特點，将其與(yu)紙漿❓信号進(jin)行對比。通過(guo)分析課題組(zǔ)采集的25Hz矩形(xing)波勵磁下的(de)紙漿信号發(fa)現，在同樣流(liu)速下，測量介(jie)質爲紙漿時(shi)，傳感器🍉輸出(chu)信号經調理(li)放大⚽後能明(ming)顯看到與流(liu)量相關的感(gan)應電動勢信(xìn)号，且其漿液(ye)幹擾僅爲數(shu)十毫伏，要遠(yuan)小于❓水煤漿(jiang)信号❗中的漿(jiang)液幹擾，如圖(tú)5所示✏️。對圖5所(suǒ)示的紙漿信(xin)号進行局部(bu)放大，得到如(rú)圖💛6所示的信(xin)号。可見，紙漿(jiang)信号中的漿(jiāng)液幹擾持續(xu)的時間也遠(yuan)小于水煤漿(jiang)信号中的漿(jiāng)液幹擾，且頻(pin)率較低。



　　在頻域中(zhōng)對紙漿信号(hào)觀察時發現(xian)，紙漿信号的(de)漿液噪📧聲頻(pin)帶在零頻率(lǜ)點附近，距離(lí)流量信号基(ji)波頻率點較(jiào)💔遠，對基波幅(fú)值和各奇次(cì)諧波幅值基(ji)本沒有影響(xiang)，紙漿信号在(zai)頻域中🍓的圖(tu)形如圖7所示(shi)。選擇一組采(cai)集的紙漿信(xin)号，把其等分(fèn)成數段，利用(yong)MATLAB計算每段數(shu)據在基波處(chu)的幅值并提(ti)取保存在一(yī)個數組中，使(shǐ)用繪圖工具(ju)畫出來，如圖(tú)8所示。可見🐉，基(ji)波幅值在4.7～4.95mV變(bian)化，波動較小(xiao)。因此，提取到(dao)🏃🏻的與流量相(xiàng)關的感應電(dian)動勢信号幅(fu)值會比較穩(wen)定。


　　從以上分(fèn)析可知，水煤(mei)漿信号與紙(zhi)漿信号有較(jiao)大差異，煤漿(jiang)型電磁流量(liàng)計适用于紙(zhǐ)漿信号的信(xìn)号處理方法(fǎ)不再适用于(yú)水煤漿信号(hào)。
2信号處理方(fāng)法
2.1基于勵磁(cí)頻率高次諧(xié)波的計算方(fang)法
　　雖然水煤(mei)漿信号的基(ji)波受漿液幹(gan)擾影響，波動(dong)較大，但❗是，流(liú)量信号的高(gao)次諧波分量(liàng)受水煤漿噪(zào)聲影響🤩小，幅(fú)值穩定，且其(qi)幅值與流量(liang)信号的大小(xiǎo)成比例。因此(ci)，可以選取某(mou)一适當的高(gāo)次諧波幅值(zhi)來🏃反映整體(tǐ)流量信号的(de)大小。
　　信号處(chù)理算法的具(jù)體步驟爲對(dui)水煤漿信号(hao)進行一定點(dian)數👌的快速傅(fu)裏葉變換(FFT)計(jì)算;提取某一(yi)受水煤漿💋噪(zào)聲影響小的(de)高次諧波所(suǒ)在頻率點處(chù)的幅🔞值;對提(tí)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻取到的幅值(zhí)進行排序，取(qu)中間若幹點(dian)的均值作爲(wèi)當🏒前一輪FFT計(ji)✂️算得到的高(gāo)次諧波幅值(zhí);最後❌對得到(dào)的幅值進行(hang)滑動🚶‍♀️平均濾(lǜ)波，作爲最終(zhōng)的輸出。對圖(tu)1所示的水煤(mei)漿信号在💃🏻MATLAB中(zhong)進行上述處(chu)理，得到的頻(pin)率爲225Hz的高㊙️次(ci)諧波的幅值(zhí)曲線如圖9所(suǒ)示，得♌到波動(dong)率爲:

2.2與已有(you)漿液處理方(fang)法的比較
　　煤(méi)漿型電磁流(liú)量計針對紙(zhǐ)漿流量，提出(chū)了一種基于(yú)漿液信号統(tǒng)計模型的信(xìn)号處理方法(fǎ)。該算法通過(guò)對一段時間(jian)♊内漿液信号(hao)的幅值解調(diào)結果進行統(tong)計篩🙇🏻選，去除(chú)♋其中發🌂生大(da)跳變的幅值(zhi)數據，進而得(dé)出一條受漿(jiāng)液幹擾影響(xiang)較小的“幅值(zhí)基準”。再根據(ju)“幅值基準”，重(zhong)新構造“無漿(jiang)液幹擾”的流(liú)量計輸出㊙️信(xin)号。然後，對“構(gòu)造信号”進行(háng)處理，最後輸(shu)出流量計算(suàn)結果。利用該(gāi)算法對圖1所(suǒ)示的水☁️煤漿(jiāng)信号進行處(chu)理，得到的解(jie)調幅值如圖(tú)10所示，解調🐇結(jie)果的波動較(jiao)大，如下🌈:

　　可見(jiàn)，用已有漿液(yè)算法處理水(shui)煤漿信号，測(ce)量結果♌波動(dong)較大，說💜明無(wu)法通過去除(chú)漿液噪聲來(lai)提取與流量(liang)👨‍❤️‍👨相關📧的感應(yīng)電動勢信号(hào)，進一步驗證(zhèng)了所提算法(fǎ)的正确性。
3系(xì)統實時實現(xian)和實驗
3.1系統(tong)軟件
　　系統的(de)軟件設計采(cǎi)用模塊化的(de)設計方法，将(jiang)完成✍️特定‼️功(gōng)💋能或類似功(gōng)能的子程序(xù)組合成功能(neng)模塊，主要㊙️功(gōng)能模塊有主(zhu)監控模塊、初(chu)始化模塊、中(zhōng)斷模塊及算(suàn)法模塊等，由(you)主👉監控程😍序(xù)統一調用。軟(ruǎn)件框圖如圖(tu)11所示。

主監控程(cheng)序的流程圖(tú)如圖12所示。

1)系(xi)統上電後，DSP完(wan)成各種初始(shi)化工作，包括(kuò)系統初始化(hua)、外設初始化(hua)和算法初始(shǐ)化等，開啓定(ding)時器以及🈚AD采(cǎi)樣🏃‍♀️轉換模塊(kuai)。
2)AD采樣轉換結(jie)束後，通過多(duō)通道緩沖器(qì)McBSP傳輸到DSP，實時(shí)存儲到外擴(kuò)❤️SAＲAM中的數據緩(huǎn)沖數組中，并(bìng)對采集到的(de)流量信号進(jìn)行🐆預處♻️理。
3)在(zài)主循環中查(cha)詢數據更新(xīn)是否完成，若(ruo)完成，則進行(háng)算法處理，得(de)到流速、瞬時(shí)流量等;在定(ding)時器中斷中(zhong)累加瞬時流(liú)量得❄️到累積(ji)流量，同時，輸(shū)出4～20mA電流及🔱PWM脈(mò)沖輸出;最後(hou)，進入按鍵掃(sǎo)描程序，查詢(xún)按鍵是否按(àn)下。
4)将測量得(dé)到的結果通(tōng)過LCD顯示出來(lai)，并判斷是否(fǒu)有按鍵标㊙️志(zhì)位置位。若有(yǒu)，則執行相應(yīng)的按鍵操作(zuo)子😘程序。重複(fú)步驟2)～4)的過程(cheng)，對🈲流量進行(háng)實時測量。
3.2現(xiàn)場實驗
　　将軟(ruan)件工程通過(guò)仿真器下載(zǎi)到變送器中(zhong)的DSP裏，進☁️行現(xiàn)場實時勵磁(ci)和處理實驗(yan)，通過液晶可(kě)以觀察流量(liang)的波動情😘況(kuang)，并将實時流(liú)量通過ＲS485通信(xin)傳至上位機(jī)。通過液晶界(jie)面對實時流(liu)量進行了長(zhang)時間監視，發(fā)現流量波動(dòng)小于1m3/h。由于上(shàng)⛷️位機存儲數(shu)量有限，僅記(ji)錄了250s内的實(shí)時流量變化(hua)曲線，如圖13所(suǒ)示。可見👣，流量(liang)在18.5～19.5m3/h波動，與🥰管(guan)道上某國外(wai)著名廠家的(de)電磁流量計(jì)的測量流量(liang)💁波動情況相(xiang)吻合。

4結論
　　從(cong)時域和頻域(yu)兩方面對水(shuǐ)煤漿信号進(jìn)行分析。分析(xi)煤漿型❗電磁(cí)流量計發現(xian)信号中漿液(ye)噪聲幅值遠(yuǎn)大于與流量(liang)🐇信号相關的(de)感應電動勢(shi)幅值，且漿🐕液(ye)噪聲疊加在(zai)基波上♌，導緻(zhi)基波幅值大(da)幅波動，從而(er)使電磁流量(liàng)計測量結果(guǒ)波動大。
　　提出(chū)基于FFT計算的(de)勵磁頻率高(gao)次諧波分析(xi)方法。即選取(qǔ)某一适👄當高(gāo)次諧波分量(liàng)的幅值來反(fǎn)映流量信号(hao)💞的大小，有效(xiao)地避開㊙️了水(shuǐ)煤漿噪聲的(de)幹擾。在MATLAB中，用(yong)所提算法🚶對(duì)實際采集的(de)信号進行處(chù)理，得到的高(gao)次諧波幅值(zhi)穩定，波動較(jiao)小。
　

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