摘要(yào):針對國内(nèi) 漿液型電(diàn)磁流量計(ji) 測量水煤(mei)漿流量時(shi)出現波動(dong)大、甚至回(hui)零的問題(ti)，采集現場(chang)㊙️水☎️煤漿信(xin)号，進行時(shi)域和頻域(yù)分析，找出(chū)其無法穩(wěn)定測📞量水(shui)煤漿流量(liang)的原因。根(gen)據水煤漿(jiang)信号的特(te)征，提出基(ji)于勵磁頻(pin)率高次諧(xie)波分析的(de)信号處理(li)方法，選取(qu)受漿液噪(zao)聲幹擾小(xiao)的高次諧(xié)💋波幅值來(lai)反映流量(liàng)信号的大(da)小，有效地(di)避開了水(shui)🍓煤漿噪聲(sheng)的幹擾。
0引(yǐn)言
　　水煤漿(jiāng)是一種由(you)55%～65%的煤粉、34%～43%的(de)水和1%的化(huà)學添加劑(jì)，經過一定(dìng)的工藝加(jiā)工而成的(de)固液混合(he)物，既可作(zuò)爲燃料代(dai)替油、氣㊙️和(he)煤用于發(fa)電站鍋爐(lú)、工業鍋爐(lu)和工業窯(yao)爐，緩解石(shí)油短缺的(de)能源安全(quan)問題，又可(kě)作爲制備(bei)合成氣的(de)原料，通過(guo)氣化生成(chéng)CO、CO2和H2等氣體(tǐ)，作爲工藝(yì)過程💃🏻中的(de)反應氣。水(shuǐ)煤漿在生(sheng)産過程中(zhong)使👣用煤漿(jiāng)泵輸送，在(zai)生産時，煤(méi)漿泵工作(zuò)在額定轉(zhuan)速🛀🏻下，所以(yǐ)，水煤漿的(de)流速基本(běn)保持不變(bian)。但是，水煤(mei)漿是一種(zhǒng)非牛頓流(liú)體，并且存(cún)在固體顆(kē)粒的沉澱(diàn)，加上流速(su)低，所以，可(ke)能會導緻(zhì)煤漿泵堵(dǔ)塞，使煤💰漿(jiāng)泵出口壓(ya)力大幅跳(tiao)動，引起水(shuǐ)煤漿流速(su)出現大幅(fu)波動，影響(xiang)正常生産(chan)。因此，爲了(le)保證産品(pin)質量和生(shēng)産安全👉，需(xū)要監測管(guǎn)道内水煤(mei)漿的流速(sù)，以及時發(fa)現🔅煤漿泵(bèng)的異常。 電(diàn)磁流量計(ji) 測量管内(nèi)不存在阻(zu)礙流體的(de)部件，且受(shou)密度、粘度(du)影響較小(xiǎo)，适宜測量(liang)這類高濃(nong)度的固液(ye)混合物。解(jiě)決漿液型(xing)電磁😍流量(liàng)計測量水(shuǐ)煤漿時波(bo)動較大的(de)問題，不僅(jǐn)能大✊大減(jian)少國内煤(méi)化工企業(yè)的生産成(chéng)本，還是保(bǎo)證安全生(shēng)産的關鍵(jian)。某國外著(zhe)名廠家的(de)電磁流量(liang)計通過選(xuan)用耐㊙️沖刷(shuā)，耐磨損的(de)增強聚四(sì)氟乙烯作(zuò)爲💰襯裏材(cai)料、低噪音(yin)電極以及(ji)抗噪音轉(zhuǎn)換器來降(jiang)低測量流(liu)量的波動(dong)［2］。目前📞，國内(nei)外對電磁(ci)💞流量計測(ce)量類似紙(zhǐ)漿的漿液(yè)流量在信(xìn)号處理方(fang)面進行過(guò)一定的研(yán)究［3-7］，但是，均(jun)沒有關于(yú)水煤漿測(cè)量信号處(chù)理方面的(de)參考文獻(xiàn)。
　　針對煤漿(jiang)型電磁流(liú)量計 測量(liang)水煤漿時(shí)出現較大(dà)波動、甚至(zhì)回零的問(wen)題，采集㊙️現(xian)場電👣磁⭐流(liu)量計輸出(chū)的水煤漿(jiang)信号;在時(shí)域和頻域(yu)對信👨‍❤️‍👨号進(jìn)行分析，找(zhao)👣出了電磁(ci)流量計不(bu)能穩定測(ce)量水煤漿(jiang)流量的‼️原(yuán)因;根據水(shuǐ)煤漿信号(hào)特征，提出(chū)了基于勵(li)磁頻率高(gao)次諧♉波分(fèn)析的煤漿(jiāng)流量計信(xìn)号處理方(fāng)法;在基于(yu)DSP的電磁流(liú)量計變送(sòng)器上實時(shi)實現該算(suàn)🚩法。實驗結(jie)果表明，測(cè)量結果較(jiào)穩定，驗證(zheng)了所😄提出(chū)的算法的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻有效性。
1數(shu)據采集分(fèn)析
1.1現場實(shí)驗
　　針對煤(méi)漿型電磁(ci)流量計測(ce)量水煤漿(jiang)時出現較(jiao)大波動，甚(shèn)至回🙇‍♀️零這(zhe)一問題，特(tè)去某煤化(huà)工企業甲(jia)醇分公司(si)進行現場(chang)數據采🙇‍♀️集(ji)。該公司所(suǒ)使用的對(dui)置式四噴(pen)嘴氣化爐(lu)有4個噴嘴(zuǐ)，噴嘴管道(dào)口徑爲125mm，管(guǎn)中水煤漿(jiang)流量基本(ben)穩定在19m3/h(流(liú)速約爲0.48m/s)。每(mei)條噴嘴煤(méi)漿☀️線上安(an)裝了🚶3台煤(mei)漿型電磁(cí)流量計，每(mei)台煤漿型(xing)電磁流量(liang)計由傳感(gan)器和變送(sòng)器兩部分(fèn)組成。選擇(ze)其💚中1條水(shui)煤漿管線(xian)🧡上的1台電(diàn)磁流量計(jì)進行數據(ju)采集，因爲(wèi)該台電磁(ci)流量計測(cè)量結果波(bo)動大，甚至(zhì)出現回零(líng)的現象。将(jiāng)課題組研(yan)制的基于(yu)DSP的電磁流(liú)量變送器(qi)的信号線(xiàn)和勵磁♋線(xian)接到該電(dian)磁流量傳(chuán)感器的電(dian)極和勵磁(ci)線圈上，組(zu)合成完整(zheng)的電磁流(liú)量計，進行(hang)水煤漿數(shù)據采集。使(shǐ)用的電磁(cí)流量變送(sòng)器是以TI公(gong)司DSP芯片TMS320F28335爲(wei)核心，采用(yong)高頻勵磁(ci)方案，其硬(ying)件主要包(bao)括勵磁‼️控(kòng)制系統和(he)信号采集(ji)處理系統(tǒng)🚶‍♀️，具體的模(mo)塊有勵磁(ci)驅動模塊(kuai)、信号調理(lǐ)采集模塊(kuài)、信号處理(lǐ)控制模塊(kuài)、人機接口(kǒu)模塊、通信(xin)模塊及電(diàn)源管理模(mo)塊［8-12］。信号調(diào)理采集👈模(mó)塊中的調(diao)理電路對(duì)一次儀表(biǎo)輸出的信(xìn)号進行放(fàng)大和濾❤️波(bo)，截止頻率(lǜ)是2kHz，放大倍(bei)數約爲230倍(bèi)。通過NI公司(sī)USB－6216型号的數(shu)據采集卡(kǎ)進行數據(ju)采集，把調(diao)理電路的(de)輸出端📧連(lian)接到數❓據(ju)采✉️集卡的(de)一個差分(fen)輸入端，并(bìng)設置數據(jù)采集卡工(gong)作在差分(fèn)的測量模(mó)式，設置采(cai)集卡的采(cǎi)樣🌂頻率爲(wèi)10kHz。采🔆集多組(zǔ)水煤漿信(xin)号數據，每(mei)組數據的(de)時間長度(dù)爲5min。
1.2數據分(fen)析
　　現場采(cǎi)集了25Hz方波(bō)勵磁下的(de)水煤漿信(xìn)号，發現水(shuǐ)煤漿信💯号(hào)的幅值非(fei)常大，甚至(zhì)接近AD的量(liang)程上限，如(rú)圖1所示。水(shuǐ)煤漿信号(hao)主要由♉感(gan)應電動勢(shi)信号和電(dian)極噪聲組(zǔ)成。其中，感(gǎn)應電動勢(shi)信号是由(yóu)導電液體(ti)切割磁場(chang)産生的，其(qi)幅值和相(xiàng)同流量下(xia)介質爲水(shui)的感應電(diàn)動勢幅值(zhi)相同，僅約(yuē)爲數十毫(hao)伏。這是因(yin)爲電磁流(liú)量計不🈲受(shou)被測導電(dian)介質的溫(wen)度、粘度、密(mì)度以及導(dao)電率的影(ying)響，隻要經(jīng)過水标定(ding)後，就可以(yǐ)用來測量(liàng)其他導電(diàn)液體的流(liu)量［13］。電極噪(zào)💛聲是水煤(méi)漿中的固(gu)體顆粒劃(huà)過電🤟極而(er)引起的信(xìn)号跳變，也(ye)稱爲漿液(yè)噪聲，具有(you)強非平穩(wěn)性、随機性(xing)，頻域具有(yǒu)近似1/f的特(te)性［14］。水煤漿(jiāng)信号中的(de)漿液噪聲(shēng)幅值非常(cháng)大，峰峰🈲值(zhi)可達數伏(fu)，遠遠高于(yú)與流量相(xiàng)關的感應(ying)電動勢信(xìn)号，如圖2所(suo)示。這給流(liu)量信号的(de)提取造成(cheng)了極大的(de)困難。


　　采用方波(bō)勵磁的電(diàn)磁流量計(ji)，其傳感器(qì)輸出的與(yu)流量相關(guān)的⁉️感應電(dian)動勢信号(hao)的波形也(ye)類似于方(fang)波。針✂️對與(yu)流量相關(guān)的感應電(dian)動勢信号(hao)f(t)的特點，可(ke)知其是由(you)基波和奇(qi)次諧波疊(die)加而成的(de)。對于一個(ge)給定單峰(fēng)🌈值爲Em的矩(ju)形波信号(hao)㊙️，其傅裏葉(ye)展開爲:

　　在(zai)傳感器輸(shu)出的信号(hao)中隻有與(yǔ)流量相關(guān)的感應電(diàn)動勢信号(hào)才是有用(yong)信号，被用(yong)來計算流(liu)量。而提取(qu)感應電動(dòng)勢信号就(jiù)需要包含(han)頻率等于(yu)fe，3fe，5fe，…等頻率點(dian)的信号。但(dan)是🌏，從水煤(méi)漿信号的(de)頻譜圖可(ke)以看出，漿(jiāng)液噪聲頻(pin)帶較寬，在(zài)頻率點🍉fe處(chù)的幅值較(jiào)大，甚至将(jiang)基波淹沒(mei)☁️，如圖3所示(shì)。選擇一組(zu)采集🍉的水(shuǐ)煤漿信号(hao)，把其等分(fen)成數段，利(lì)用MATLAB計算每(měi)段數據在(zài)基🈚波處的(de)幅值并提(ti)取保存在(zai)一個數組(zǔ)中，使用繪(huì)圖工具畫(hua)🏃🏻出來，如圖(tu)4所示。可見(jiàn)，基波幅值(zhí)在1～9mV波動，波(bō)動較大，而(er)基波幅值(zhí)在感應電(dian)動勢信号(hào)中所占的(de)比重又最(zui)大，所以，必(bi)然導緻計(ji)算🔴出的流(liu)量波動🌍劇(jù)烈，出現👄測(cè)量不穩定(ding)的問題。從(cong)圖3水煤漿(jiāng)信号的頻(pin)譜圖中✍️還(hái)可☔以看出(chū)，随着頻率(lǜ)的遞增，水(shuǐ)煤漿信号(hao)中的漿液(ye)噪聲逐🈲漸(jian)衰減，使高(gao)次諧波開(kāi)始凸顯。由(you)式(1)可知，高(gāo)次諧波的(de)幅值也是(shi)與流量成(chéng)線性關系(xì)的，因❌此，煤(mei)漿型電磁(cí)流量計可(kě)以通過提(ti)取高次諧(xié)波計算📞流(liú)量，有效地(dì)🔴避開漿液(yè)噪聲的幹(gan)擾，得到比(bi)較穩定的(de)測量結果(guǒ)。

　　爲了進(jin)一步研究(jiu)水煤漿信(xin)号的特點(dian)，将其與紙(zhǐ)漿信号進(jin)行對比。通(tōng)過分析課(ke)題組采集(ji)的25Hz矩形波(bō)勵磁下的(de)紙漿信号(hao)發現，在🔞同(tong)樣流速下(xià)，測量介質(zhi)爲紙漿時(shí)，傳感器輸(shū)出信号經(jing)調理放大(da)後能明顯(xiǎn)看🔞到與流(liu)量相關的(de)感應電動(dòng)勢信号，且(qiě)其漿液幹(gàn)擾僅爲數(shù)十毫伏，要(yào)遠小于水(shuǐ)煤漿信号(hào)中的漿液(ye)幹擾，如圖(tú)5所示。對圖(tú)5所示的紙(zhǐ)漿信号進(jìn)行局部放(fang)大，得到如(rú)圖6所示的(de)信号。可見(jiàn)，紙漿信🙇‍♀️号(hao)中的漿液(ye)幹擾持續(xù)的時間也(ye)遠☎️小于水(shui)煤漿信号(hao)中的漿液(ye)幹擾，且頻(pin)率較低。



　　在頻(pín)域中對紙(zhi)漿信号觀(guan)察時發現(xiàn)，紙漿信号(hao)的漿液㊙️噪(zao)🌍聲🈲頻帶在(zài)零頻率點(diǎn)附近，距離(lí)流量信号(hào)基波頻率(lü)點較遠，對(duì)🐅基波📱幅值(zhi)和各奇次(ci)諧波幅值(zhí)基本沒有(you)影響，紙漿(jiāng)信号在頻(pin)域中的圖(tú)形如圖7所(suǒ)示。選擇一(yī)組采集的(de)紙漿🏃‍♂️信号(hào)，把其等分(fen)成數📱段，利(li)用MATLAB計👄算每(měi)段數據在(zài)基波處的(de)幅值并提(ti)取保存在(zài)一個數組(zu)中，使用繪(huì)圖工具畫(huà)出來🏃🏻，如圖(tu)8所示。可見(jian)，基波幅值(zhi)在4.7～4.95mV變化，波(bo)動較小。因(yin)💚此，提取到(dao)的與流量(liàng)相關的感(gǎn)應電動勢(shi)信号幅值(zhí)會比較穩(wěn)定。


　　從以上(shàng)分析可知(zhi)，水煤漿信(xìn)号與紙漿(jiāng)信号有較(jiao)大差異，煤(méi)漿🐪型電磁(ci)流量計适(shi)用于紙漿(jiāng)信号的信(xìn)号處理方(fang)法🔅不再适(shì)用于水煤(mei)漿信号。
2信(xìn)号處理方(fang)法
2.1基于勵(lì)磁頻率高(gāo)次諧波的(de)計算方法(fǎ)
　　雖然水煤(méi)漿信号的(de)基波受漿(jiāng)液幹擾影(ying)響，波動較(jiao)大，但是，流(liu)量信号的(de)高次諧波(bo)分量受水(shui)煤漿噪聲(sheng)影響小，幅(fú)值穩定，且(qiě)其幅值與(yǔ)流量信号(hào)的大小成(chéng)比例。因此(cǐ)，可以選取(qǔ)某一适當(dāng)的高次諧(xié)波幅值來(lái)反映整體(ti)流量信号(hao)的大小。
　　信(xin)号處理算(suan)法的具體(tǐ)步驟爲對(duì)水煤漿信(xìn)号進行一(yi)定點數的(de)快速傅裏(lǐ)葉變換(FFT)計(jì)算;提取某(mou)一受水煤(méi)漿噪聲影(ying)響小的高(gao)次諧波所(suǒ)在頻率點(dian)處的幅值(zhí);對提✉️取到(dào)的幅值進(jìn)行排序，取(qu)中間若幹(gan)點的均📧值(zhí)作爲當前(qian)一輪FFT計算(suan)得到的高(gāo)次諧波幅(fu)值;最後對(dui)得到的幅(fú)值進行滑(huá)動平均濾(lü)波，作爲最(zuì)終的輸出(chū)。對圖1所示(shi)🈲的水煤漿(jiang)信号在MATLAB中(zhong)進行上述(shu)處理，得到(dào)的頻率🐕爲(wèi)225Hz的高次諧(xie)波的幅值(zhí)曲線如圖(tu)9所示，得♋到(dao)波動率爲(wei):

2.2與已有漿(jiāng)液處理方(fang)法的比較(jiào)
　　煤漿型電(diàn)磁流量計(ji)針對紙漿(jiāng)流量，提出(chu)了一種基(ji)于漿液信(xin)🚶‍♀️号✏️統計模(mó)型的信号(hào)處理方法(fa)。該算法通(tong)過對一段(duan)時間内漿(jiāng)液信号的(de)幅值解調(diao)結果進行(hang)統計篩選(xuǎn)，去除其中(zhong)發生大跳(tiào)變的幅值(zhí)數據，進而(ér)得出一條(tiao)受漿液幹(gan)擾影響較(jiào)小的“幅值(zhi)基準”。再根(gēn)據“幅值基(jī)準”，重新構(gòu)造“無漿液(ye)幹擾”的流(liu)量計輸出(chū)信号。然後(hou)，對“構造信(xin)号”進行處(chu)理，最後輸(shu)出流量計(ji)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼算結果。利(lì)🔱用該算法(fa)對圖1所示(shì)的水煤漿(jiāng)信号進行(háng)處理，得到(dao)的解調幅(fú)值如圖10所(suǒ)示，解調結(jié)果的波動(dòng)較大，如下(xià):

　　可見，用已(yǐ)有漿液算(suan)法處理水(shui)煤漿信号(hao)，測量結果(guǒ)☀️波動較📱大(dà)，說明無法(fǎ)通過去除(chú)漿液噪聲(sheng)來提取與(yǔ)流量相關(guan)😄的感應電(dian)動勢信号(hao)，進一步驗(yàn)證了所提(tí)算法的正(zhèng)确性。
3系統(tong)實時實現(xian)和實驗
3.1系(xi)統軟件
　　系(xi)統的軟件(jiàn)設計采用(yong)模塊化的(de)設計方法(fǎ)，将完成特(tè)定功能❌或(huò)類似功能(néng)的子程序(xu)組合成功(gong)能模塊⛹🏻‍♀️，主(zhǔ)要功能模(mó)塊有主監(jiān)控模塊、初(chū)始化模塊(kuai)、中斷模塊(kuai)及算💃法模(mó)塊等，由主(zhu)監控程🍓序(xù)統一調用(yòng)。軟件框🏃🏻‍♂️圖(tú)如圖11所☔示(shì)。

主監(jian)控程序的(de)流程圖如(rú)圖12所示。

1)系(xì)統上電後(hòu)，DSP完成各種(zhong)初始化工(gōng)作，包括系(xi)統初始化(hua)、外設🐕初始(shǐ)化和算法(fǎ)初始化等(děng)，開啓定時(shí)器以及AD采(cǎi)樣轉換模(mó)塊。
2)AD采樣轉(zhuǎn)換結束後(hou)，通過多通(tong)道緩沖器(qì)McBSP傳輸到DSP，實(shí)時存儲到(dao)外擴SAＲAM中的(de)數據緩沖(chòng)數組中，并(bing)對采集到(dào)的㊙️流量信(xin)号進行✏️預(yù)處理。
3)在主(zhǔ)循環中查(chá)詢數據更(geng)新是否完(wan)成，若完成(chéng)，則進行算(suan)法處⚽理🔞，得(dé)到流速、瞬(shun)時流量等(deng);在定時器(qi)中斷中累(lei)加瞬時流(liu)量得到累(lèi)積流量，同(tóng)時，輸出4～20mA電(diàn)流及PWM脈沖(chong)輸🧑🏽‍🤝‍🧑🏻出;最後(hòu)，進入按🍓鍵(jian)掃描程序(xù)，查🐪詢按鍵(jiàn)是否按下(xià)。
4)将測量得(de)到的結果(guǒ)通過LCD顯示(shi)出來，并判(pàn)斷是否有(you)按鍵标志(zhi)位置位。若(ruo)有，則執行(hang)相應的按(àn)鍵操作子(zi)程序。重複(fu)步驟2)～4)的過(guo)程，對流量(liang)進行實時(shí)測量。
3.2現場(chǎng)實驗
　　将軟(ruan)件工程通(tong)過仿真器(qi)下載到變(bian)送器中的(de)DSP裏，進行現(xian)場實時勵(lì)磁和處理(lǐ)實驗，通過(guò)液晶可以(yi)觀察流量(liàng)的波動情(qíng)況，并将實(shí)時流量通(tong)過ＲS485通信傳(chuan)至上位機(jī)。通過液晶(jing)🔱界面對📱實(shi)時流量進(jin)行了長時(shí)間監🐉視，發(fā)現流量波(bo)動小于1m3/h。由(yóu)于上位機(jī)存儲數量(liàng)有限🏒，僅記(jì)錄了250s内的(de)實時流量(liàng)變化曲線(xian)，如圖13所示(shi)。可見，流量(liang)在18.5～19.5m3/h波動，與(yǔ)管道上某(mou)國外著名(ming)廠家的電(diàn)磁流量計(ji)的測量流(liú)量波動情(qing)況相吻合(he)。

4結論
　　從時(shí)域和頻域(yu)兩方面對(dui)水煤漿信(xin)号進行分(fen)析。分⛷️析煤(méi)漿型電🌈磁(ci)流量計發(fa)現信号中(zhōng)漿液噪聲(shēng)幅值遠大(da)于與流量(liang)信号相關(guān)的感應電(dian)動勢幅值(zhí)，且漿液噪(zào)聲🔆疊加在(zai)基波上，導(dao)緻基🧡波幅(fú)值大幅波(bō)動，從而使(shǐ)電磁流量(liàng)計測量結(jie)果波動大(da)。
　　提出基于(yu)FFT計算的勵(li)磁頻率高(gao)次諧波分(fèn)析方法。即(jí)選取某💚一(yī)适當高次(ci)諧波分量(liang)的幅值來(lái)反映流量(liàng)信号的大(dà)小，有效地(di)避開👄了水(shuǐ)煤漿噪聲(sheng)的幹擾。在(zai)MATLAB中，用所提(tí)算法對實(shi)際采集的(de)信号進行(hang)處理，得到(dào)的高次諧(xie)波幅值穩(wen)定，波動較(jiào)小。
　

以上内(nei)容來源于(yu)網絡，如有(you)侵權請聯(lian)系即删除(chú)!