摘要:針對國内(nei) 漿液型電磁流(liú)量計 測量水煤(mei)漿流量時出現(xiàn)波動大、甚至回(hui)零的問題，采集(ji)現場水煤漿信(xin)号，進行時域和(hé)頻域分析，找出(chu)其無法穩⁉️定測(ce)⚽量水煤漿流量(liàng)的原因。根據水(shui)煤漿信号的特(tè)征，提✔️出基于勵(lì)磁頻率高次諧(xié)波分析的信号(hao)處理方法，選取(qǔ)受漿液噪聲幹(gan)擾小的高次諧(xié)♋波幅值來反映(yìng)流量信号🤟的大(dà)小，有效地避開(kāi)了水煤漿噪聲(sheng)的幹擾。
0引言
　　水(shuǐ)煤漿是一種由(yóu)55%～65%的煤粉、34%～43%的水和(hé)1%的化學添加劑(jì)，經過一定的工(gōng)🔴藝加工而成的(de)固液混合物，既(ji)可作爲燃料代(dai)替油、氣和煤🌈用(yòng)于發電站鍋爐(lu)、工業鍋爐和💯工(gong)業窯爐，緩解石(shi)油短缺的能源(yuán)安全問題，又可(ke)作爲制備合成(cheng)氣的原料，通過(guò)氣化生成CO、CO2和H2等(děng)氣體，作爲工藝(yì)過程中的反應(ying)氣。水煤漿在生(shēng)産過程中使用(yong)煤漿泵輸📧送，在(zài)生産時，煤漿泵(bèng)工作在額定轉(zhuǎn)速下，所以，水煤(méi)漿的流速基本(běn)保持不變。但是(shì)，水煤漿是一種(zhǒng)非牛頓流體，并(bìng)且存在固體顆(kē)粒的沉澱，加上(shang)流速低，所以，可(ke)能會導緻煤🐆漿(jiang)泵堵塞，使煤漿(jiang)泵出口壓力大(dà)幅跳動，引起水(shuǐ)煤漿流速出現(xiàn)大幅波動，影響(xiang)正常生産。因此(cǐ)，爲了保證産品(pin)質量和生産安(ān)全，需要監測管(guan)道内水煤漿的(de)流速，以及時發(fa)現煤漿泵的異(yi)常。 電磁流量計(jì) 測量管内不存(cun)在阻礙流體的(de)部件，且受密度(dù)、粘度影響較小(xiao)，适宜測量這類(lei)高濃度的固液(ye)混合物。解決漿(jiāng)液型❤️電磁流量(liang)計測量水煤漿(jiāng)時波動較大的(de)問題，不僅能大(dà)大減少國内煤(méi)化工企業的生(sheng)産成本，還是保(bao)證安全生産的(de)關鍵🔅。某國外著(zhe)名廠家的電磁(cí)流量計通過選(xuǎn)用耐✊沖刷，耐磨(mó)損🙇‍♀️的增強聚四(sì)氟乙烯作爲襯(chèn)裏材料、低噪音(yin)電極以及抗噪(zao)音轉換器來降(jiàng)低測量流量的(de)波動［2］。目前，國内(nèi)外對電磁🔆流量(liàng)計測量類似紙(zhǐ)✌️漿的漿液流量(liàng)在✍️信号處理方(fang)面進行過一定(dìng)的研究［3-7］，但是，均(jun)沒有關于水煤(méi)漿測🤩量信号處(chù)理方面的參考(kao)文獻。
　　針對煤漿(jiang)型電磁流量計(jì) 測量水煤漿時(shi)出現較大波動(dong)、甚至回零的問(wèn)題，采集現場電(dian)磁✨流量計輸出(chū)的水煤漿信号(hào);在時域和頻域(yu)對信号進🚩行分(fèn)析，找出了電磁(ci)流量計不能穩(wen)定測量水煤漿(jiāng)流量的✂️原因;根(gēn)據水煤漿信号(hao)特征💞，提出了基(jī)于勵磁頻👄率高(gao)次諧波分析的(de)煤漿流量計信(xìn)号處理方法;在(zài)基于DSP的電磁流(liu)量計變送器上(shàng)👄實時實現該算(suan)法。實驗結果表(biǎo)明，測量結果較(jiao)穩定，驗證了所(suǒ)提出的算法的(de)👨‍❤️‍👨有效性。
1數據采(cǎi)集分析
1.1現場實(shí)驗
　　針對煤漿型(xing)電磁流量計測(cè)量水煤漿時出(chū)現較大波動，甚(shen)至回零這一問(wèn)題，特去某煤化(huà)工企業甲醇✊分(fen)公♉司進行現場(chang)數據采集。該公(gong)司所使用的對(dui)置🔅式四噴嘴氣(qì)化爐有4個🔱噴嘴(zui)，噴嘴管道口徑(jìng)爲125mm，管中水煤漿(jiang)流量基本穩定(ding)在19m3/h(流速約爲0.48m/s)。每(měi)條噴嘴煤漿線(xian)上安裝了3台煤(mei)漿型電磁流量(liang)計，每台煤漿型(xíng)電磁流量計由(you)傳感器和變送(song)器兩部分組成(chéng)。選擇其中1條水(shuǐ)煤漿管線上的(de)1台電磁流量計(jì)進行數據采😍集(ji)💃，因爲該台電磁(cí)流‼️量計測量結(jié)果波動大，甚至(zhì)出現回零的㊙️現(xian)象。将課題組研(yán)制的基于DSP的電(dian)磁流量🍉變送器(qi)的信号線和勵(li)磁線接到該電(diàn)磁☎️流量傳感😍器(qì)的電極和勵磁(cí)線圈上，組合成(cheng)完整的電磁流(liú)量計，進行水煤(méi)漿數據采集。使(shǐ)用🥵的電磁流量(liàng)變送器是以TI公(gōng)司DSP芯片TMS320F28335爲核心(xīn)，采用高頻勵磁(cí)方案，其硬件🙇🏻主(zhǔ)要包括勵磁控(kòng)制系統和信号(hao)采集處理系統(tong)，具👌體的模塊有(you)勵磁驅動模塊(kuài)、信号調理采集(ji)模塊、信号處理(li)控制㊙️模塊、人機(ji)接口模塊、通信(xìn)模塊及電源管(guǎn)理模塊［8-12］。信🌈号調(diao)理采集模塊中(zhōng)的調理電路對(duì)一次儀表輸出(chū)的信号進行放(fàng)大和濾波，截止(zhi)頻率是2kHz，放大倍(bei)數☀️約爲230倍。通過(guò)NI公司USB－6216型号的數(shu)據采集卡進🚩行(háng)數據采集，把調(diào)理📧電路的輸出(chū)端☂️連接到數據(ju)采集卡的一個(gè)差分輸入端，并(bing)設置數據采集(ji)卡工作在差分(fen)的測量模式，設(she)置采集卡的采(cai)樣頻率爲10kHz。采⁉️集(jí)多組水煤漿信(xin)号數據，每組數(shù)據的時間長度(dù)爲5min。
1.2數據分析
　　現(xiàn)場采集了25Hz方波(bo)勵磁下的水煤(méi)漿信号，發現水(shuǐ)煤漿🌂信号的幅(fu)值非常大，甚至(zhi)接近AD的量程上(shang)限，如圖1所示。水(shuǐ)煤漿信号主要(yào)由☁️感應電動勢(shi)信号和電極❓噪(zào)聲組🧑🏽‍🤝‍🧑🏻成。其中，感(gǎn)應電動勢信🔞号(hao)是由導電液體(tǐ)切割磁場産生(sheng)的，其幅值和相(xiàng)同流量下介質(zhì)爲水的感應電(dian)動勢幅值相同(tóng)，僅約爲數十毫(háo)伏。這是因爲電(dian)磁流量計不受(shòu)被測導電介質(zhì)的溫度、粘度、密(mi)度以及導電率(lǜ)的影響，隻要經(jing)過水标定後，就(jiù)可以用來測量(liàng)其他導電液體(ti)的流量［13］。電極噪(zao)👨‍❤️‍👨聲🌂是水煤漿中(zhōng)的固體顆粒劃(hua)過電極而引起(qi)的信号跳變，也(ye)稱爲漿液噪聲(shēng)，具有強非平穩(wen)性、随機性，頻域(yù)具有近似1/f的特(tè)性［14］。水煤漿信号(hào)中的漿液噪聲(sheng)幅值非常大，峰(fēng)峰🙇🏻值可達數伏(fú)，遠遠高于與流(liú)量相關的感應(yīng)電動勢信号🎯，如(ru)圖2所示。這給流(liu)量信号的提取(qǔ)造成了極大的(de)困難。


　　采用(yong)方波勵磁的電(dian)磁流量計，其傳(chuan)感器輸出的與(yu)流量相關的感(gan)應電動勢信号(hao)的波形也類似(sì)于方🧑🏽‍🤝‍🧑🏻波。針🐆對與(yǔ)流量相關的感(gan)應電動勢信号(hao)f(t)的特點，可知其(qi)是由基波和奇(qi)次諧波疊加而(er)成的。對于一個(ge)給定單峰值爲(wèi)Em的矩⛷️形波信号(hao)，其傅裏葉展開(kāi)爲:

　　在傳感器輸(shū)出的信号中隻(zhi)有與流量相關(guan)的感應電🌈動勢(shì)信号才是有用(yong)信号，被用來計(jì)算流量。而提取(qǔ)感應電動勢信(xin)号就需要包含(han)頻率等于fe，3fe，5fe，…等頻(pin)率點的信号。但(dan)是，從水煤漿信(xin)号的頻譜圖可(kě)以看出，漿液噪(zao)聲頻帶較寬，在(zai)頻率點fe處的幅(fu)值較大，甚至将(jiāng)基波淹沒，如圖(tu)3所示。選擇一組(zǔ)采集🔱的水煤漿(jiang)信号，把其等分(fèn)成數段，利用MATLAB計(jì)算每段數據在(zài)基波處🐪的幅值(zhi)并提取保🔱存在(zài)一個數組中，使(shǐ)用繪圖工具畫(huà)出來，如圖4所示(shi)。可見，基波幅值(zhí)在1～9mV波🎯動，波動較(jiào)大♉，而基波幅值(zhí)在感應電動勢(shì)信号中所占的(de)比重又最大，所(suǒ)以，必然導🍉緻計(ji)算出的流量波(bo)動劇烈，出現🔴測(cè)量不穩定的問(wen)題。從圖3水煤漿(jiāng)信号的頻譜圖(tu)中還可以看出(chu)，随着頻率的‼️遞(di)增，水🐕煤漿信号(hào)中的漿液噪聲(shēng)逐🌍漸衰減，使高(gāo)次諧波開始凸(tū)👣顯。由式(1)可知，高(gao)次諧波的幅值(zhí)也💋是與流量成(chéng)線性關系的，因(yin)🔅此，煤漿型電磁(ci)流量計可以通(tong)過提取高次諧(xie)波計算流量，有(yǒu)效地避開漿液(yè)噪聲的幹擾，得(de)到🤩比較穩定的(de)測量結果。

　　爲(wèi)了進一步研究(jiū)水煤漿信号的(de)特點，将其與紙(zhǐ)漿信号進🍓行對(dui)比。通過分析課(ke)題組采集的25Hz矩(ju)形波勵磁下的(de)紙漿信号發現(xian)，在同樣流速下(xià)，測量介質爲🧑🏾‍🤝‍🧑🏼紙(zhi)漿時，傳感器輸(shu)出信号經調理(li)放大後能明顯(xian)看到與流量相(xiang)關的感應電動(dòng)勢信号，且其漿(jiang)液幹擾僅爲數(shù)十毫伏，要遠小(xiao)于水煤漿信号(hào)中的漿液幹擾(rao)，如圖5所示。對圖(tú)5所示的紙漿信(xìn)号進行局部放(fang)大，得到如圖6所(suo)示的信号。可見(jiàn)，紙漿信号中的(de)漿液幹擾持續(xu)的時間也遠小(xiao)于水煤漿信号(hào)中的漿液幹擾(rǎo)，且頻率較低。



　　在頻域中對紙(zhǐ)漿信号觀察時(shi)發現，紙漿信号(hao)的漿液噪聲頻(pin)帶在零頻率點(diǎn)附近，距離流量(liàng)信号基波🍉頻率(lü)點較遠，對基波(bo)幅值和各奇次(ci)諧波幅值基本(běn)沒有影響，紙漿(jiāng)🔞信号在頻域中(zhōng)㊙️的圖形如圖7所(suǒ)示。選擇一組采(cǎi)♍集的紙漿信号(hào)，把其等分成數(shù)段，利用MATLAB計算每(mei)段數據‼️在基波(bo)處的幅值并提(tí)取保存在一個(ge)數組中，使用繪(hui)圖工具畫出來(lái)，如圖8所示。可見(jiàn)，基波幅值在4.7～4.95mV變(bian)💛化，波動較小。因(yin)此，提取到的與(yu)流量相關的感(gan)應電動勢信号(hao)幅值會比較穩(wěn)定。


　　從以上分析(xi)可知，水煤漿信(xin)号與紙漿信号(hào)有較大🧑🏾‍🤝‍🧑🏼差🏃異，煤(méi)漿💜型💃🏻電磁流量(liàng)計适用于紙漿(jiāng)信号的信号處(chu)理方法📧不再适(shi)用于水煤漿信(xìn)号。
2信号處理方(fāng)法
2.1基于勵磁頻(pin)率高次諧波的(de)計算方法
　　雖然(ran)水煤漿信号的(de)基波受漿液幹(gàn)擾影響，波動較(jiào)大，但是，流量信(xin)号的高次諧波(bō)分量受水煤漿(jiāng)噪聲影響小，幅(fu)值穩定，且其幅(fu)值與流量信号(hào)的大小成比例(lì)。因此，可以選取(qu)某一适當的高(gāo)次諧波幅值來(lái)反映整體流量(liang)信号的大小。
　　信(xin)号處理算法的(de)具體步驟爲對(dui)水煤漿信号進(jin)行一定點數的(de)快速傅裏葉變(biàn)換(FFT)計算;提取某(mǒu)一受水煤漿噪(zao)聲影響小的高(gao)次諧波所在頻(pin)率點處的幅值(zhi);對提取到的幅(fu)值進行排序👄，取(qu)中間若幹點的(de)均值作爲當前(qián)一輪FFT計算得到(dao)的高次諧波幅(fú)值;最後🔅對得到(dào)的幅值進行滑(huá)動平均濾波，作(zuo)✨爲最終的輸👈出(chu)。對圖1所示🏃🏻的水(shuǐ)煤漿信号在MATLAB中(zhōng)進行上述處理(li)，得到的頻率✍️爲(wei)225Hz的高次諧波的(de)幅值曲線如圖(tú)9所示，得到波動(dong)率爲:

2.2與已有漿(jiang)液處理方法的(de)比較
　　煤漿型電(dian)磁流量計針對(duì)紙漿流量，提出(chū)了一種基于漿(jiāng)液信☎️号統計模(mo)型的信号處理(li)方法。該算法通(tong)過對一段時間(jiān)内漿液信号的(de)幅值解調結果(guǒ)進行統計篩選(xuan)，去除其中發生(shēng)大跳變的幅值(zhi)數據，進而得出(chu)一條受漿液幹(gan)🌈擾影響較小的(de)“幅值基準”。再根(gēn)據“幅值基準”，重(zhòng)新構造“無漿液(ye)幹擾”的流量計(jì)輸出信号。然後(hou)，對“構造信号”進(jin)行處理，最後輸(shu)出流量計💃算結(jie)果。利用該算法(fa)對圖1所示的水(shuǐ)煤漿信号進行(háng)處理，得到的解(jiě)調幅㊙️值如圖10所(suǒ)示，解調❗結果的(de)波動♍較大，如下(xià):

　　可見，用已有漿(jiāng)液算法處理水(shui)煤漿信号，測量(liang)結果波動較大(da)，說明無法通過(guò)去除漿液噪聲(sheng)來提取與流量(liang)相關的感㊙️應電(dian)動勢信号，進一(yī)步驗證了所提(ti)算法的正确性(xìng)。
3系統實時實現(xiàn)和實驗
3.1系統軟(ruan)件
　　系統的軟件(jian)設計采用模塊(kuài)化的設計方法(fa)，将完成特定功(gong)能或類似功能(néng)的子程序組合(he)成功能模塊🔴，主(zhǔ)要⭕功能模塊有(you)主監控模塊、初(chu)始化模塊、中斷(duan)模塊及算法模(mo)塊等，由主❤️監控(kong)程序統一調用(yong)。軟件框圖如圖(tu)11所示。

主監(jiān)控程序的流程(chéng)圖如圖12所示。

1)系(xi)統上電後，DSP完成(cheng)各種初始化工(gōng)作，包括系統初(chū)始✏️化㊙️、外設初始(shǐ)化和算法初始(shi)化等，開啓定時(shi)器以及AD采樣轉(zhuan)換模塊。
2)AD采樣轉(zhuǎn)換結束後，通過(guo)多通道緩沖器(qì)McBSP傳輸到DSP，實時💯存(cun)儲到外擴SAＲAM中的(de)數據緩沖數組(zǔ)中，并對采集到(dào)的流量👣信号進(jìn)行預處理。
3)在主(zhǔ)循環中查詢數(shù)據更新是否完(wán)成，若完成，則進(jìn)行算🈲法處理☀️，得(dé)到流速、瞬時流(liu)量等;在定時器(qi)中斷中累加瞬(shùn)💋時流量得到累(lei)積流量，同時，輸(shū)出4～20mA電流及PWM脈沖(chòng)輸出;最後，進入(ru)按鍵掃描程序(xu)，查詢按鍵是否(fou)按下。
4)将測量得(de)到的結果通過(guò)LCD顯示出來，并判(pan)斷是否有按鍵(jian)👄标志位置位。若(ruò)有，則執行相應(yīng)的按鍵操作子(zǐ)程序。重複👉步驟(zhòu)👌2)～4)的過程，對流量(liàng)進行實時測量(liang)。
3.2現場實驗
　　将軟(ruan)件工程通過仿(páng)真器下載到變(biàn)送器中的DSP裏，進(jìn)行現場實時勵(li)磁和處理實驗(yan)，通過液晶可以(yǐ)觀察流量的波(bō)動情♉況，并将實(shí)✔️時流量通過ＲS485通(tong)信傳至上位機(ji)。通過液晶界面(miàn)對實時流💘量進(jin)行了長時間監(jiān)視，發現流量波(bo)動小于1m3/h。由于上(shang)位機存儲數量(liang)有限，僅記錄了(le)250s内的實時流量(liang)變化曲線，如圖(tú)13所示。可見🙇🏻，流量(liàng)在18.5～19.5m3/h波動，與管道(dao)上某國外著名(ming)廠家的電🌈磁流(liu)量計的測✉️量流(liu)量波動情🤩況相(xiang)吻合。

4結論
　　從時(shi)域和頻域兩方(fāng)面對水煤漿信(xìn)号進行分析。分(fèn)✍️析煤🌍漿型電磁(cí)流量計發現信(xin)号中漿液噪聲(sheng)幅值遠大于與(yǔ)流量💁信号☎️相關(guan)的感應電動勢(shi)幅值，且漿液噪(zào)聲疊加在基波(bō)上，導緻基📱波幅(fú)值大幅波動，從(cóng)而使電磁流量(liang)計測量結果波(bo)動大。
　　提出基于(yú)FFT計算的勵磁頻(pin)率高次諧波分(fen)析方法。即選取(qǔ)某一适😘當高次(ci)諧波分量的幅(fu)值來反映流量(liang)信号的大小，有(you)效地避開🤟了水(shui)煤漿噪聲的幹(gan)擾。在MATLAB中，用所👄提(tí)算法對實際采(cǎi)集的⚽信号進行(hang)處理，得到的高(gao)次諧波幅值穩(wen)定，波動較🧑🏾‍🤝‍🧑🏼小。
　

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