摘要(yao):針對國内 漿液型(xing)電磁流量計 測量(liang)水煤漿流量時出(chū)現波動大、甚至回(hui)零的問題👄，采集🈲現(xiàn)場水煤漿信号，進(jìn)行時域和頻域分(fen)析，找出其無法穩(wěn)定測量水煤漿👌流(liu)量的原因。根據水(shui)煤漿信号的特征(zhēng)，提🐪出基于勵磁頻(pín)💰率高次⛹🏻‍♀️諧波分析(xī)的信号處理方法(fǎ)，選取受漿液噪聲(sheng)幹擾小的高次諧(xié)波幅值來反映流(liu)量信号的大小，有(you)效地避開了水✍️煤(méi)漿噪聲的幹擾。
0引(yǐn)言
　　水煤漿是一種(zhǒng)由55%～65%的煤粉、34%～43%的水和(hé)1%的化學添加劑，經(jīng)過一定的工藝加(jia)工而成的固液混(hùn)合物，既可作爲燃(rán)料🏃‍♀️代替油、氣和煤(mei)用于發電站鍋爐(lu)、工業鍋爐和工業(yè)窯爐，緩解石油短(duan)缺的能源安全問(wèn)題，又可作爲制備(bèi)合成氣的原🤟料，通(tōng)過氣化生成CO、CO2和🍓H2等(deng)氣體，作🈲爲工藝過(guò)程中的反應氣⭐。水(shui)煤漿在生産過程(cheng)中使⁉️用煤漿泵輸(shū)送，在生産時，煤漿(jiāng)🏃‍♂️泵工作在額定轉(zhuǎn)速下，所以，水煤漿(jiang)的🔞流速基本保持(chi)不變。但是，水煤漿(jiāng)是一種非牛頓流(liú)體，并且存在固體(ti)顆粒的沉澱，加上(shang)流速低，所以，可能(néng)會導緻煤漿泵堵(dǔ)塞，使煤漿泵出口(kǒu)壓力大幅跳動，引(yǐn)起水煤漿流速出(chū)🌈現大幅波動，影響(xiǎng)正常生産。因此，爲(wèi)了保證産品質量(liang)和生産🔆安全🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，需要(yào)監測管道内水煤(mei)漿的♋流速，以及時(shí)發現煤漿泵的異(yi)常。 電磁流量計 測(cè)量管内不存在阻(zǔ)礙流體的部件，且(qie)受密度、粘度影響(xiǎng)較小，适🏃‍♀️宜測量這(zhe)類高濃度的固液(ye)混合物。解決漿液(yè)型電磁流量計測(cè)✉️量水煤漿時波動(dong)較大的問題，不僅(jin)能大大減少國内(nèi)煤化工企業的生(sheng)産成本，還是保證(zhèng)安全生産的關鍵(jian)。某國外著名廠家(jiā)的電磁流量計🈲通(tong)過選用耐沖刷，耐(nai)磨損✍️的增強聚四(sì)氟乙烯作爲襯裏(lǐ)材料、低噪音電極(ji)以及抗噪⛱️音轉☂️換(huan)器來降低測量⛷️流(liú)量的波動［2］。目前，國(guo)内外對電磁流量(liàng)計測量類似紙漿(jiang)的漿液流量在信(xin)号處理方面進行(háng)過一定的研究［3-7］，但(dàn)是，均🔞沒有關于水(shui)煤漿測量信号處(chu)理方面的參考文(wen)獻。
　　針對煤漿型電(diàn)磁流量計 測量水(shuǐ)煤漿時出現較大(dà)波動、甚至回零的(de)問題，采集🌈現場電(diàn)磁流量計輸出的(de)水煤漿信号;在時(shí)域和👌頻域對信号(hao)進行分析，找出了(le)電磁流量計不能(neng)穩定測量水煤漿(jiāng)流量的原因;根據(ju)水煤🛀🏻漿信号特征(zheng)，提出了基于勵磁(cí)頻率高次諧波分(fèn)析的煤漿流量😘計(jì)信号處理方法;在(zai)基于❗DSP的電磁流量(liàng)計變送器上✌️實時(shí)實現該算法。實驗(yan)結果表明，測量結(jié)果較穩定，驗證了(le)所☁️提出的算法的(de)有效性。
1數據采集(ji)分析
1.1現場實驗
　　針(zhen)對煤漿型電磁流(liu)量計測量水煤漿(jiang)時出現較大波動(dòng)，甚至回零這一問(wen)題，特去某煤化工(gōng)企業甲醇分公司(si)進行現場數據采(cǎi)☀️集。該公司所使用(yòng)的對置式四噴嘴(zuǐ)氣化爐有4個噴嘴(zuǐ)，噴嘴管道口徑爲(wèi)125mm，管中💋水煤漿流量(liang)基本穩定在19m3/h(流速(sù)約爲0.48m/s)。每條噴嘴煤(méi)漿線上安裝了❄️3台(tái)煤漿型電磁流量(liàng)計，每台煤漿型電(dian)磁流量計由🔅傳感(gǎn)器和變送器兩部(bù)分組成。選🐅擇其中(zhong)1條水煤漿管線📧上(shang)的1台㊙️電磁流量計(jì)進行數據采集，因(yin)爲該台電磁流🏒量(liàng)計測量結果波動(dong)大，甚至出現回零(líng)的現象。将課題組(zǔ)研制的基于DSP的電(diàn)磁💰流量變送器的(de)信号線㊙️和勵磁線(xiàn)接到該電磁⛱️流量(liang)傳感器的電極和(he)勵磁線圈上，組合(hé)成完整的電磁流(liú)量☀️計，進行水煤漿(jiāng)數據采集。使用的(de)電磁流量變送器(qi)是以TI公司🙇‍♀️DSP芯片TMS320F28335爲(wèi)核心，采用高頻勵(lì)磁方案，其硬件主(zhǔ)要包括勵磁控制(zhì)系統和信号采集(ji)處理系統，具體的(de)模塊有勵磁驅動(dong)模塊、信号調理采(cai)集模塊、信🌏号處理(li)控制模塊、人機接(jiē)口模塊、通信模塊(kuai)及電源管理模塊(kuai)［8-12］。信号調理采集模(mo)塊中的調理電🆚路(lù)對一次儀表輸出(chū)的信号進行放大(da)和濾波🙇🏻，截止頻率(lǜ)是😘2kHz，放大倍數約爲(wèi)230倍。通過NI公司♍USB－6216型号(hao)的數據采集卡☁️進(jìn)👅行數據采集，把調(diào)理電路的輸出端(duān)連接到數🌈據采集(jí)卡的一個差分輸(shū)入端，并設🔅置數據(ju)采集卡工作在差(chà)分的測量模式，設(she)置采集卡的采樣(yàng)頻率爲10kHz。采集多組(zǔ)水煤漿信号數據(ju)，每組數據的時間(jian)長度爲5min。
1.2數據分析(xi)
　　現場采集了25Hz方波(bō)勵磁下的水煤漿(jiāng)信号，發現水煤漿(jiang)信号的幅值非常(chang)大，甚至接近AD的量(liàng)程上限，如圖1所示(shì)☀️。水煤漿信号主要(yao)由🌍感應電動勢信(xin)号和電極✂️噪聲組(zǔ)成。其中，感應電動(dong)勢信号是由導電(dian)液體切👣割磁場産(chan)生的，其幅值和相(xiang)同💞流量下介質爲(wei)水的感應電動勢(shì)❗幅值相同，僅約爲(wèi)數十毫伏。這是因(yīn)爲🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電磁流量計不(bu)🛀受被測導電介質(zhì)的溫度、粘度、密度(du)以及導電🙇🏻率的影(ying)響，隻要經過水标(biao)定後，就可以用來(lai)測量其他導電液(ye)✨體的流量［13］。電極噪(zào)聲是水煤漿中的(de)固體顆粒劃過電(dian)極而引🌈起的信号(hào)跳變，也稱🆚爲漿液(ye)噪聲，具有📱強非平(píng)穩性、随機性，頻域(yù)具有近似1/f的特性(xìng)［14］。水煤漿信号中的(de)漿液噪聲幅值非(fei)常大🤟，峰峰值可達(dá)數伏，遠遠高于與(yǔ)💃🏻流♉量相關的感應(ying)電⛱️動勢信号，如圖(tu)2所示。這給流量信(xìn)♻️号的提取造成了(le)極大的困難。


　　采用方波(bō)勵磁的電磁流量(liàng)計，其傳感器輸出(chu)的與流量相關🧡的(de)感應電動勢信号(hào)的波形也類似于(yu)方波。針對與流量(liang)相關的感應電動(dòng)勢信号f(t)的特點，可(kě)知其是由基波和(he)奇次☁️諧波疊🔴加而(er)成的。對于一個🚩給(gei)定單峰值爲Em的矩(jǔ)形波信号，其傅裏(lǐ)葉展開爲:

　　在傳感(gǎn)器輸出的信号中(zhong)隻有與流量相關(guān)的感應電動勢信(xìn)🔱号才是有用信号(hào)，被用來計算流量(liàng)。而提取感應電動(dong)勢信号🥰就需要包(bao)含頻率等于fe，3fe，5fe，…等頻(pín)率點的信🔴号。但是(shi)💋，從水煤💯漿信号的(de)頻譜圖可以看出(chu)，漿液噪聲頻帶較(jiào)寬，在頻率點fe處的(de)幅值較大，甚至📐将(jiāng)基波淹沒，如圖3所(suo)示。選💁擇一組采集(ji)的水煤漿信号，把(bǎ)其等分❌成✍️數段，利(lì)用MATLAB計算✨每段數據(jù)在基波處的幅值(zhi)并提取保♊存在一(yī)個數組中，使用繪(hui)圖工具☁️畫出來，如(rú)圖4所示。可見，基波(bō)幅值在1～9mV波動，波動(dòng)較大，而基波幅🈲值(zhi)在感應電🔆動勢信(xìn)号中所占的比重(zhòng)又最大，所以，必然(ran)導緻計算出的流(liu)量波動劇烈，出現(xiàn)測量不穩定🤞的問(wèn)題。從圖3水煤漿信(xìn)号的頻譜圖中🈲還(hái)可以看出，随着頻(pin)率的👄遞增，水煤漿(jiang)信号中的漿液噪(zao)聲逐✉️漸衰減，使高(gao)次諧波開☔始凸♋顯(xian)。由式(1)可知，高次諧(xie)波的幅值也是與(yu)流量成線性關系(xì)的，因🏒此，煤漿型電(dian)磁流量計可以通(tong)過提取高次諧波(bō)計算流量，有效地(dì)🌐避開漿液噪聲的(de)幹擾，得到比較穩(wen)定⁉️的測量結果。

　　爲了(le)進一步研究水煤(méi)漿信号的特點，将(jiang)其與紙漿信号❤️進(jìn)行對🌈比。通過分析(xī)課題組采集的25Hz矩(jǔ)形波勵磁下☎️的紙(zhi)漿信😄号發現，在👈同(tóng)樣流速下，測量介(jie)質爲紙漿時♊，傳感(gǎn)器輸出信号經調(diào)理放大後能明顯(xian)看到與流量相關(guān)的感應電動勢信(xin)号，且其漿液幹擾(rao)💯僅爲數十毫伏，要(yao)遠小于水煤漿信(xin)号🚶中的漿液幹🌈擾(rao)，如圖5所示。對💃圖5所(suǒ)示的紙漿信号進(jìn)行局部🛀放大，得到(dao)如圖6所示的信号(hao)。可見，紙漿信号中(zhōng)的漿液幹擾持續(xu)的時間也遠小于(yú)水煤漿信号🤩中的(de)漿液幹擾，且頻率(lü)較低。



　　在頻域中(zhong)對紙漿信号觀察(chá)時發現，紙漿信号(hào)的漿液噪聲👣頻帶(dài)在零頻率點附近(jin)，距離流量信号基(ji)波頻率點較遠，對(dui)🌍基波幅值和各奇(qi)次諧波幅值基本(běn)沒有影響，紙漿信(xìn)号在頻域中的圖(tú)形如圖7所示。選擇(zé)一組采集的紙漿(jiāng)信号，把其✉️等分成(cheng)數段，利用MATLAB計算每(mei)段數據在基波處(chu)的幅值并提取💃保(bǎo)存在一個♋數組中(zhong)，使用繪圖工具畫(huà)出來，如圖8所示。可(kě)見⭐，基波幅值在4.7～4.95mV變(bian)化，波動🈲較小。因此(cǐ)，提取到的與流量(liàng)相關的感應電動(dong)勢信号幅值會比(bi)較穩定。


　　從以上分(fèn)析可知，水煤漿信(xìn)号與紙漿信号有(yǒu)較大🌈差異，煤🛀🏻漿型(xíng)電磁流量計适用(yòng)于紙漿信号的信(xìn)号🧑🏽‍🤝‍🧑🏻處理😄方法♉不再(zài)适用于水🤩煤漿信(xìn)号。
2信号處理方法(fǎ)
2.1基于勵磁頻率高(gāo)次諧波的計算方(fāng)法
　　雖然水煤漿信(xin)号的基波受漿液(yè)幹擾影響，波動較(jiào)大，但⛷️是，流量信号(hào)的高次諧波分量(liàng)受水煤漿噪聲影(yǐng)響小，幅值穩🚶定，且(qiě)其幅值與流量信(xìn)号的大小成🈚比例(lì)。因此，可以選取某(mǒu)❤️一适當的高次諧(xie)波幅值來反映整(zhěng)體流量信号的大(da)小。
　　信号處理算法(fa)的具體步驟爲對(duì)水煤漿信号進行(hang)一定點數的快速(sù)傅裏葉變換(FFT)計算(suàn);提取某一受水煤(méi)漿噪聲影響小的(de)高次諧波所在頻(pin)率點處的幅值;對(dui)提取到的幅值進(jin)📱行排序，取中間若(ruo)幹點的均⛷️值作爲(wei)當前一輪FFT計算得(de)到的高次諧波幅(fu)值;最後🌂對得到的(de)幅值進行滑動平(píng)均濾波，作爲最終(zhōng)的輸🔞出。對圖1所示(shi)的水煤漿信号在(zai)MATLAB中進行上述處理(lǐ)，得到的頻率🍓爲225Hz的(de)高次諧波的幅值(zhí)曲線如圖9所示，得(de)到波動率爲:

2.2與已(yi)有漿液處理方法(fǎ)的比較
　　煤漿型電(dian)磁流量計針對紙(zhǐ)漿流量，提出了一(yi)種基于漿液信号(hào)統計模型的信号(hao)處理方法。該算法(fa)通♻️過對一段時間(jian)内漿液信号的幅(fú)值解調結果進行(háng)統計篩🏃🏻選，去除其(qí)中發生大跳變的(de)幅值數據，進而得(dé)出一條😄受漿液幹(gan)🈲擾影響較💯小的“幅(fu)值基準”。再根據“幅(fú)值基準”，重新構造(zao)“無漿液幹擾”的流(liú)量計輸出信号。然(rán)後，對“構造信号”進(jin)行處理，最後輸出(chu)流量計算結果。利(li)用該算法對圖1所(suo)示的水煤漿信号(hào)進行📱處理，得到的(de)解調幅值如圖10所(suǒ)示，解調結果的波(bō)動較大，如下🌐:

　　可見(jiàn)，用已有漿液算法(fǎ)處理水煤漿信号(hào)，測量結果波動較(jiào)👉大，說明無法通過(guo)去除漿液噪聲來(lái)提取與流量相關(guan)的感應電動勢信(xìn)号，進一步驗證了(le)所提算法的🧡正确(que)性。
3系統實時實現(xiàn)和實驗
3.1系統軟件(jian)
　　系統的軟件設計(jì)采用模塊化的設(she)計方法，将完成💛特(te)定功能或類似功(gong)能的子程序組合(hé)成功能模塊，主要(yao)功能模塊有主監(jiān)控模塊、初始化模(mo)塊、中斷模塊及算(suan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼法模塊等，由主監(jian)控程序統一調用(yong)。軟件框圖如圖11所(suo)示。

主監控程序的(de)流程圖如圖12所示(shi)。

1)系統上電後，DSP完成(chéng)各種初始化工作(zuò)，包括系統初始化(hua)、外設初始化和算(suàn)法初始化等，開啓(qi)定時器以及AD采樣(yàng)💃轉換模塊💰。
2)AD采樣轉(zhuan)換結束後，通過多(duo)通道緩沖器McBSP傳輸(shū)到DSP，實時存儲到外(wài)擴SAＲAM中的數據緩沖(chòng)數組中，并對采集(ji)到的🙇‍♀️流量信号進(jìn)行預處🐉理。
3)在主循(xún)環中查詢數據更(geng)新是否完成，若完(wan)成，則進行算法處(chù)理，得到流速、瞬時(shi)流量等;在定時器(qi)中斷中累加瞬🏃🏻時(shi)流量得❗到累積流(liu)量，同時，輸出4～20mA電流(liú)及PWM脈沖輸🐆出;最後(hou)，進入按鍵掃描程(chéng)序，查🌈詢按鍵是否(fou)按下。
4)将測量得到(dao)的結果通過LCD顯示(shì)出來，并判斷是否(fǒu)有按鍵标志位置(zhi)位。若有，則執行相(xiàng)應的按鍵操作子(zi)程序。重複步驟2)～4)的(de)過程，對流量進行(hang)實時測量。
3.2現場實(shí)驗
　　将軟件工程通(tong)過仿真器下載到(dào)變送器中的DSP裏，進(jìn)行💰現場實時勵磁(cí)和處理實驗，通過(guo)液晶可以觀察流(liu)量的波動情☔況，并(bing)将實時流量通過(guò)ＲS485通信傳至上位機(jī)。通🌈過液晶界面對(dui)實時流量進行了(le)長時間監視，發現(xian)流量波動小于1m3/h。由(you)于上位機存儲😄數(shu)量有限⛷️，僅記錄了(le)250s内的實時流量✍️變(bian)化曲線，如圖13所示(shi)。可見🙇‍♀️，流量在18.5～19.5m3/h波動(dong)，與管道上某國外(wai)著名廠家的電磁(cí)流量計的測量流(liu)量波動情況相吻(wen)合💋。

4結論
　　從時域和(hé)頻域兩方面對水(shui)煤漿信号進行分(fèn)析。分析⛷️煤漿型電(dian)磁流量計發現信(xin)号中漿液噪聲幅(fú)值遠大于與流量(liàng)⛹🏻‍♀️信号相關的感應(yīng)電動勢幅值，且漿(jiang)液噪聲疊加在基(jī)波上，導緻基波幅(fú)值大幅波動，從而(ér)使電磁流量計測(ce)量結果波動大。
　　提(ti)出基于FFT計算的勵(li)磁頻率高次諧波(bo)分析方法。即選取(qǔ)某一适當高次諧(xié)波分量的幅值來(lái)反映流量信号的(de)大小，有☔效地避開(kai)了水煤漿噪聲的(de)幹擾。在MATLAB中，用所提(ti)算法對實際采集(ji)的✨信号進行處理(lǐ)，得到的高次諧波(bō)幅值穩定，波動較(jiao)小。
　

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