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摘要:針對國內(nèi)漿液型電磁流量計測量水煤漿流量時出現(xiàn)波動大、甚至回零的問題，采集現(xiàn)場水煤漿信號，進(jìn)行時域和頻域分析，找出其無法穩(wěn)定測量水煤漿流量的原因。根據(jù)水煤漿信號的特征，提出基于勵磁頻率高次諧波分析的信號處理方法，選取受漿液噪聲干擾小的高次諧波幅值來反映流量信號的大小，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題，又可作為制備合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過程中的反應(yīng)氣。水煤漿在生產(chǎn)過程中使用煤漿泵輸送，在生產(chǎn)時，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，可能會導(dǎo)致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅跳動，引起水煤漿流速出現(xiàn)大幅波動，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)測管道內(nèi)水煤漿的流速，以及時發(fā)現(xiàn)煤漿泵的異常。電磁流量計測量管內(nèi)不存在阻礙流體的部件，且受密度、粘度影響較小，適宜測量這類高濃度的固液混合物。解決漿液型電磁流量計測量水煤漿時波動較大的問題，不僅能大大減少國內(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。某國外著名廠家的電磁流量計通過選用耐沖刷，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)換器來降低測量流量的波動［2］。目前，國內(nèi)外對電磁流量計測量類似紙漿的漿液流量在信號處理方面進(jìn)行過一定的研究［3-7］，但是，均沒有關(guān)于水煤漿測量信號處理方面的參考文獻(xiàn)。
　　針對煤漿型電磁流量計測量水煤漿時出現(xiàn)較大波動、甚至回零的問題，采集現(xiàn)場電磁流量計輸出的水煤漿信號;在時域和頻域?qū)π盘栠M(jìn)行分析，找出了電磁流量計不能穩(wěn)定測量水煤漿流量的原因;根據(jù)水煤漿信號特征，提出了基于勵磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基于DSP的電磁流量計變送器上實時實現(xiàn)該算法。實驗結(jié)果表明，測量結(jié)果較穩(wěn)定，驗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)場實驗
　　針對煤漿型電磁流量計測量水煤漿時出現(xiàn)較大波動，甚至回零這一問題，特去某煤化工企業(yè)甲醇分公司進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。該公司所使用的對置式四噴嘴氣化爐有4個噴嘴，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臺煤漿型電磁流量計，每臺煤漿型電磁流量計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臺電磁流量計進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因為該臺電磁流量計測量結(jié)果波動大，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線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵磁線圈上，組合成完整的電磁流量計，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，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控制系統(tǒng)和信號采集處理系統(tǒng)，具體的模塊有勵磁驅(qū)動模塊、信號調(diào)理采集模塊、信號處理控制模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊及電源管理模塊［8-12］。信號調(diào)理采集模塊中的調(diào)理電路對一次儀表輸出的信號進(jìn)行放大和濾波，截止頻率是2kHz，放大倍數(shù)約為230倍。通過NI公司USB－6216型號的數(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)采集卡的一個差分輸入端，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡工作在差分的測量模式，設(shè)置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的時間長度為5min。
1.2數(shù)據(jù)分析
　　現(xiàn)場采集了25Hz方波勵磁下的水煤漿信號，發(fā)現(xiàn)水煤漿信號的幅值非常大，甚至接近AD的量程上限，如圖1所示。水煤漿信號主要由感應(yīng)電動勢信號和電極噪聲組成。其中，感應(yīng)電動勢信號是由導(dǎo)電液體切割磁場產(chǎn)生的，其幅值和相同流量下介質(zhì)為水的感應(yīng)電動勢幅值相同，僅約為數(shù)十毫伏。這是因為電磁流量計不受被測導(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)過水標(biāo)定后，就可以用來測量其他導(dǎo)電液體的流量［13］。電極噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電極而引起的信號跳變，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)電動勢信號，如圖2所示。這給流量信號的提取造成了極大的困難。


　　采用方波勵磁的電磁流量計，其傳感器輸出的與流量相關(guān)的感應(yīng)電動勢信號的波形也類似于方波。針對與流量相關(guān)的感應(yīng)電動勢信號f(t)的特點，可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對于一個給定單峰值為Em的矩形波信號，其傅里葉展開為:

　　在傳感器輸出的信號中只有與流量相關(guān)的感應(yīng)電動勢信號才是有用信號，被用來計算流量。而提取感應(yīng)電動勢信號就需要包含頻率等于fe，3fe，5fe，…等頻率點的信號。但是，從水煤漿信號的頻譜圖可以看出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點fe處的幅值較大，甚至將基波淹沒，如圖3所示。選擇一組采集的水煤漿信號，把其等分成數(shù)段，利用MATLAB計算每段數(shù)據(jù)在基波處的幅值并提取保存在一個數(shù)組中，使用繪圖工具畫出來，如圖4所示。可見，基波幅值在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在感應(yīng)電動勢信號中所占的比重又最大，所以，必然導(dǎo)致計算出的流量波動劇烈，出現(xiàn)測量不穩(wěn)定的問題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的遞增，水煤漿信號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，煤漿型電磁流量計可以通過提取高次諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的干擾，得到比較穩(wěn)定的測量結(jié)果。

　　為了進(jìn)一步研究水煤漿信號的特點，將其與紙漿信號進(jìn)行對比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信號發(fā)現(xiàn)，在同樣流速下，測量介質(zhì)為紙漿時，傳感器輸出信號經(jīng)調(diào)理放大后能明顯看到與流量相關(guān)的感應(yīng)電動勢信號，且其漿液干擾僅為數(shù)十毫伏，要遠(yuǎn)小于水煤漿信號中的漿液干擾，如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進(jìn)行局部放大，得到如圖6所示的信號。可見，紙漿信號中的漿液干擾持續(xù)的時間也遠(yuǎn)小于水煤漿信號中的漿液干擾，且頻率較低。



　　在頻域中對紙漿信號觀察時發(fā)現(xiàn)，紙漿信號的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近，距離流量信號基波頻率點較遠(yuǎn)，對基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒有影響，紙漿信號在頻域中的圖形如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號，把其等分成數(shù)段，利用MATLAB計算每段數(shù)據(jù)在基波處的幅值并提取保存在一個數(shù)組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示�？梢�，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動較小。因此，提取到的與流量相關(guān)的感應(yīng)電動勢信號幅值會比較穩(wěn)定。


　　從以上分析可知，水煤漿信號與紙漿信號有較大差異，煤漿型電磁流量計適用于紙漿信號的信號處理方法不再適用于水煤漿信號。
2信號處理方法
2.1基于勵磁頻率高次諧波的計算方法
　　雖然水煤漿信號的基波受漿液干擾影響，波動較大，但是，流量信號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波幅值來反映整體流量信號的大小。
　　信號處理算法的具體步驟為對水煤漿信號進(jìn)行一定點數(shù)的快速傅里葉變換(FFT)計算;提取某一受水煤漿噪聲影響小的高次諧波所在頻率點處的幅值;對提取到的幅值進(jìn)行排序，取中間若干點的均值作為當(dāng)前一輪FFT計算得到的高次諧波幅值;最后對得到的幅值進(jìn)行滑動平均濾波，作為最終的輸出。對圖1所示的水煤漿信號在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，得到波動率為:

2.2與已有漿液處理方法的比較
　　煤漿型電磁流量計針對紙漿流量，提出了一種基于漿液信號統(tǒng)計模型的信號處理方法。該算法通過對一段時間內(nèi)漿液信號的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計篩選，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“無漿液干擾”的流量計輸出信號。然后，對“構(gòu)造信號”進(jìn)行處理，最后輸出流量計算結(jié)果。利用該算法對圖1所示的水煤漿信號進(jìn)行處理，得到的解調(diào)幅值如圖10所示，解調(diào)結(jié)果的波動較大，如下:

　　可見，用已有漿液算法處理水煤漿信號，測量結(jié)果波動較大，說明無法通過去除漿液噪聲來提取與流量相關(guān)的感應(yīng)電動勢信號，進(jìn)一步驗證了所提算法的正確性。
3系統(tǒng)實時實現(xiàn)和實驗
3.1系統(tǒng)軟件
　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，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。

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，開啟定時器以及AD采樣轉(zhuǎn)換模塊。
2)AD采樣轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過多通道緩沖器McBSP傳輸?shù)紻SP，實時存儲到外擴(kuò)SAＲAM中的數(shù)據(jù)緩沖數(shù)組中，并對采集到的流量信號進(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、瞬時流量等;在定時器中斷中累加瞬時流量得到累積流量，同時，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)將測量得到的結(jié)果通過LCD顯示出來，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)的過程，對流量進(jìn)行實時測量。
3.2現(xiàn)場實驗
　　將軟件工程通過仿真器下載到變送器中的DSP里，進(jìn)行現(xiàn)場實時勵磁和處理實驗，通過液晶可以觀察流量的波動情況，并將實時流量通過ＲS485通信傳至上位機(jī)。通過液晶界面對實時流量進(jìn)行了長時間監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)流量波動小于1m3/h。由于上位機(jī)存儲數(shù)量有限，僅記錄了250s內(nèi)的實時流量變化曲線，如圖13所示。可見，流量在18.5～19.5m3/h波動，與管道上某國外著名廠家的電磁流量計的測量流量波動情況相吻合。

4結(jié)論
　　從時域和頻域兩方面對水煤漿信號進(jìn)行分析。分析煤漿型電磁流量計發(fā)現(xiàn)信號中漿液噪聲幅值遠(yuǎn)大于與流量信號相關(guān)的感應(yīng)電動勢幅值，且漿液噪聲疊加在基波上，導(dǎo)致基波幅值大幅波動，從而使電磁流量計測量結(jié)果波動大。
　　提出基于FFT計算的勵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反映流量信號的大小，有效地避開了水煤漿噪聲的干擾。在MATLAB中，用所提算法對實際采集的信號進(jìn)行處理，得到的高次諧波幅值穩(wěn)定，波動較小。
　

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