摘要(yao):針對國内(nei) 漿液型電(dian)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(yu)分析，找出(chu)其無法穩(wen)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(xie)波幅值來(lai)反🐇映流量(liang)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(yin)言
　　水煤漿(jiang)是一種由(you)55%～65%的煤粉、34%～43%的(de)水和1%的化(hua)學添加劑(ji)，經過一定(ding)📐的工藝加(jia)工而成的(de)固液混合(he)物，既可作(zuo)爲燃料💁代(dai)替油、氣和(he)煤用于發(fa)電站鍋爐(lu)、工業鍋爐(lu)和工業窯(yao)爐，緩解石(shi)油短缺的(de)能源安全(quan)問題，又可(ke)作爲制備(bei)合成氣的(de)原料，通過(guo)氣🛀化生成(cheng)CO、CO2和☀️H2等氣體(ti)，作💋爲工藝(yi)過程🔱中的(de)反應氣。水(shui)煤漿在生(sheng)🍓産過程中(zhong)使💃用煤漿(jiang)泵輸😄送，在(zai)生産時，煤(mei)漿泵工作(zuo)在額定轉(zhuan)速下，所以(yi)，水煤漿的(de)🔞流速基本(ben)保持不㊙️變(bian)。但是，水煤(mei)漿是一種(zhong)非牛頓流(liu)體，并且存(cun)在固體顆(ke)⛹🏻‍♀️粒🐉的沉澱(dian)，加上流速(su)低，所以，可(ke)能會導緻(zhi)煤漿泵堵(du)塞，使煤漿(jiang)泵出口壓(ya)力大幅跳(tiao)動，引起水(shui)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(sheng)産安全，需(xu)要監測管(guan)道内水煤(mei)漿的🔅流速(su)，以及時發(fa)現🐆煤漿泵(beng)的💋異常。 電(dian)磁流量計(ji) 測量管内(nei)不存在阻(zu)礙流體的(de)部件，且受(shou)密度、粘度(du)影響較小(xiao)，适宜測量(liang)這類高濃(nong)度的固液(ye)混合物。解(jie)決漿液型(xing)電磁🥵流量(liang)計測量水(shui)煤漿時波(bo)動較大的(de)問題，不僅(jin)能大大減(jian)少國内煤(mei)化工企🔞業(ye)的生産成(cheng)本，還是保(bao)👣證安全生(sheng)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(shua)，耐磨損的(de)增強聚四(si)氟乙烯作(zuo)爲襯💜裏材(cai)料、低噪音(yin)電極以及(ji)抗噪音轉(zhuan)⛱️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(zhi)漿的漿液(ye)流量在信(xin)号處理方(fang)面進行過(guo)一定的研(yan)究💘［3-7］，但是，均(jun)沒有關于(yu)水煤漿測(ce)量信号處(chu)理方面👌的(de)參考文獻(xian)。
　　針對煤漿(jiang)型電磁流(liu)量計 測量(liang)水煤漿時(shi)出現較大(da)波動、甚至(zhi)回零的問(wen)題，采👄集現(xian)場電磁流(liu)量計輸出(chu)的水煤漿(jiang)信号;在時(shi)域和🐉頻域(yu)對信号進(jin)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(yuan)因;根據水(shui)煤漿信号(hao)特征，提出(chu)了基💯于勵(li)磁頻率高(gao)次諧波分(fen)析的煤漿(jiang)流量計信(xin)号處理🧡方(fang)法;在基于(yu)DSP的電磁流(liu)量計變送(song)器上實時(shi)實現該算(suan)❗法。實驗結(jie)果表明，測(ce)量結果較(jiao)穩定，驗證(zheng)了所提出(chu)的算法的(de)有效性。
1數(shu)據采集分(fen)析
1.1現場實(shi)驗
　　針對煤(mei)漿型電磁(ci)流量計測(ce)量水煤漿(jiang)時出現較(jiao)大波動📧，甚(shen)至回🏒零這(zhe)一問題，特(te)去某煤化(hua)工企業甲(jia)醇🏃‍♀️分公司(si)進行現🔞場(chang)數據采🔞集(ji)。該公司所(suo)使用的對(dui)置式四噴(pen)嘴氣化爐(lu)有4個噴嘴(zui)，噴嘴管道(dao)口徑爲125mm，管(guan)中水煤漿(jiang)流量基本(ben)穩定在19m3/h(流(liu)速約爲0.48m/s)。每(mei)條噴嘴煤(mei)漿線上安(an)裝了🔅3台煤(mei)漿型電磁(ci)流量計，每(mei)台煤漿型(xing)電磁流量(liang)計由🔴傳感(gan)器和變送(song)器兩部分(fen)組成。選擇(ze)其中1條水(shui)煤⛹🏻‍♀️漿管線(xian)🌈上的1台電(dian)磁流量計(ji)進行數據(ju)采集，因爲(wei)該台電磁(ci)流量計測(ce)量結果波(bo)動大，甚至(zhi)出現回零(ling)的現象。将(jiang)課題組研(yan)制的基于(yu)DSP的電磁流(liu)量變送器(qi)的信号線(xian)和勵磁線(xian)接到該電(dian)磁流量傳(chuan)感器的電(dian)極和勵磁(ci)線圈上，組(zu)合成完整(zheng)的電磁流(liu)量計，進行(hang)水煤漿數(shu)據采集。使(shi)用的電磁(ci)流量變送(song)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(kong)制系統和(he)信号采集(ji)處理系統(tong)，具體的模(mo)塊有勵磁(ci)驅動模塊(kuai)、信🔞号調理(li)采集模塊(kuai)、信号處理(li)控制模塊(kuai)、人機接口(kou)模塊、通信(xin)模塊及電(dian)源管理模(mo)塊［8-12］。信号調(diao)理采集模(mo)塊中的調(diao)理電路對(dui)一☁️次儀表(biao)輸出的信(xin)号進行放(fang)大和濾波(bo)，截止頻😍率(lü)是2kHz，放大倍(bei)數約爲230倍(bei)。通過NI公司(si)USB－6216型号的數(shu)據采集卡(ka)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(bing)設置數據(ju)采集㊙️卡工(gong)作👣在差分(fen)的測量模(mo)式，設置采(cai)集卡的采(cai)樣頻率爲(wei)10kHz。采集多組(zu)水煤漿信(xin)号數據，每(mei)組數據的(de)時間長度(du)爲💁5min。
1.2數據分(fen)析
　　現場采(cai)集了25Hz方波(bo)勵磁下的(de)水煤漿信(xin)号，發現水(shui)煤漿👈信号(hao)的🛀幅值非(fei)常大，甚至(zhi)接近AD的量(liang)程上限，如(ru)圖1所示。水(shui)煤漿信号(hao)主㊙️要由感(gan)應電動勢(shi)信号和電(dian)極噪聲組(zu)🥵成。其中👣，感(gan)應電動勢(shi)信号是由(you)導電液體(ti)切割磁場(chang)産🐆生的，其(qi)幅值和相(xiang)同流量下(xia)介質爲水(shui)的🏃‍♂️感應電(dian)動勢💞幅值(zhi)相同，僅約(yue)爲數十毫(hao)伏。這是因(yin)爲⚽電磁流(liu)量計不受(shou)被測導電(dian)介💘質的溫(wen)度、粘度、密(mi)度以及導(dao)電率的影(ying)🆚響，隻要經(jing)過水标✔️定(ding)後，就可以(yi)用🐪來測量(liang)其他導電(dian)液體的流(liu)量［13］。電極噪(zao)⁉️聲是水煤(mei)漿中的固(gu)體顆粒劃(hua)過電極而(er)引起的信(xin)号跳變，也(ye)稱爲漿液(ye)噪聲，具有(you)強非平穩(wen)性、随機性(xing)，頻域具有(you)近似1/f的特(te)性［14］。水🔱煤漿(jiang)信号中的(de)⛷️漿液噪聲(sheng)幅值非常(chang)大📱，峰峰值(zhi)可達數伏(fu)，遠遠高于(yu)與流量相(xiang)關的感應(ying)電🏒動勢信(xin)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(bo)勵磁的電(dian)磁流量計(ji)，其傳感器(qi)輸出的與(yu)流量相關(guan)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(guan)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(feng)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(yu)流量相關(guan)的感應💞電(dian)動勢信号(hao)才是有用(yong)信号，被用(yong)來計算流(liu)量。而提🐪取(qu)感應電動(dong)勢信号就(jiu)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(mei)💰漿信号的(de)頻譜圖可(ke)以看出，漿(jiang)液噪聲頻(pin)帶較寬，在(zai)頻率點fe處(chu)的幅值較(jiao)大，甚至将(jiang)基波淹沒(mei)，如圖3所示(shi)。選擇一組(zu)采集的水(shui)煤漿信🍉号(hao)，把其等分(fen)成數段，利(li)用MATLAB計算每(mei)段數據在(zai)基波處的(de)幅值并提(ti)取保🧑🏽‍🤝‍🧑🏻存在(zai)一個數組(zu)中，使用繪(hui)圖工具🌈畫(hua)出來，如圖(tu)4所示。可見(jian)，基波幅值(zhi)在1～9mV波動，波(bo)動較大🛀，而(er)基波幅值(zhi)在感應電(dian)動勢信号(hao)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(ju)烈，出現測(ce)量不穩定(ding)🐆的問題。從(cong)圖3水煤漿(jiang)信号的頻(pin)譜圖中還(hai)可以看出(chu)，随着頻率(lü)的遞增🆚，水(shui)煤漿信号(hao)中的漿液(ye)噪聲逐漸(jian)衰減，使高(gao)次諧波開(kai)始凸⭐顯。由(you)式(1)可知，高(gao)次諧波的(de)幅值也是(shi)與流量成(cheng)線性關系(xi)的，因此，煤(mei)漿型電磁(ci)流量計♌可(ke)以通過提(ti)取高次諧(xie)波計算流(liu)量，有效地(di)避開漿液(ye)噪聲的幹(gan)擾，得到比(bi)較穩定的(de)測量結果(guo)。

　　爲了進(jin)一步研究(jiu)水煤漿信(xin)号的特點(dian)，将其與紙(zhi)漿信号進(jin)🌂行對比。通(tong)過分析課(ke)題組采集(ji)的25Hz矩形波(bo)勵磁下的(de)紙漿信号(hao)發🈲現，在同(tong)樣流速下(xia)，測量介質(zhi)爲紙漿時(shi)，傳感器輸(shu)出信号經(jing)調理放大(da)後能明顯(xian)看到與流(liu)量相關的(de)感應電動(dong)勢信号，且(qie)其漿液幹(gan)擾僅爲數(shu)十毫伏，要(yao)遠小于水(shui)煤漿信号(hao)⭕中的漿液(ye)幹擾，如圖(tu)5所示。對圖(tu)5所示的紙(zhi)漿信号進(jin)行局部放(fang)大，得到如(ru)圖6所示的(de)🚩信号。可見(jian)，紙漿信😘号(hao)中的漿液(ye)幹擾持續(xu)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(pin)域中對紙(zhi)漿信号觀(guan)察時發現(xian)，紙漿信号(hao)的漿🌂液噪(zao)聲頻帶在(zai)零頻率點(dian)附近，距離(li)流量信号(hao)基波頻率(lü)♻️點較👄遠，對(dui)🔴基波幅值(zhi)和各奇次(ci)諧波幅值(zhi)基本沒有(you)影響，紙漿(jiang)信号在🆚頻(pin)域中的圖(tu)形🛀如圖7所(suo)示。選擇一(yi)組采集的(de)紙漿信号(hao)，把其等分(fen)成數段，利(li)用MATLAB計算每(mei)段數據🛀在(zai)基波處的(de)幅值并提(ti)取保存在(zai)一個數組(zu)中，使用繪(hui)圖工具畫(hua)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(liang)相關的👉感(gan)應電動勢(shi)信号幅值(zhi)會比較穩(wen)定。


　　從以上(shang)分析可知(zhi)，水煤漿信(xin)号與紙漿(jiang)信号有較(jiao)大差異，煤(mei)漿型電磁(ci)流量計适(shi)用于紙漿(jiang)信号的信(xin)号處理方(fang)法不再适(shi)用于水煤(mei)漿信号。
2信(xin)号處理方(fang)法
2.1基于勵(li)磁頻率高(gao)次諧波的(de)計算方法(fa)
　　雖然水煤(mei)漿信号的(de)基波受漿(jiang)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(fu)值穩定，且(qie)其幅🔅值與(yu)流量信号(hao)的大小成(cheng)比例。因此(ci)，可以選取(qu)某一适當(dang)的高次諧(xie)波幅值來(lai)🙇🏻反映整體(ti)流量信号(hao)的大小。
　　信(xin)号處理算(suan)法的具體(ti)步驟爲對(dui)水煤漿信(xin)号進行一(yi)定點數的(de)快速傅裏(li)葉變換(FFT)計(ji)算;提取某(mou)一受水煤(mei)漿噪聲影(ying)響小的高(gao)次📱諧波所(suo)在頻率點(dian)處的幅值(zhi);對提取到(dao)的幅值進(jin)行排序，取(qu)中間若幹(gan)點的均值(zhi)作爲當前(qian)一輪FFT計算(suan)得到的高(gao)次諧波👣幅(fu)值;最後對(dui)得到的幅(fu)📱值進行滑(hua)動💘平均濾(lü)波，作爲最(zui)終的輸出(chu)。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(dao)的頻率爲(wei)225Hz的高次諧(xie)波的幅值(zhi)曲🌐線如圖(tu)9所示，得到(dao)波動率爲(wei):

2.2與已有漿(jiang)液處理方(fang)法的比較(jiao)
　　煤漿型電(dian)磁流量計(ji)針對紙漿(jiang)流量，提出(chu)了一種基(ji)于漿液信(xin)🍓号統計模(mo)型的信号(hao)處理方法(fa)。該算法通(tong)過對一段(duan)時間内漿(jiang)☎️液信号的(de)幅值解調(diao)結果進行(hang)統計篩選(xuan)，去除其中(zhong)發生大跳(tiao)變的幅值(zhi)數據，進而(er)得出一條(tiao)受漿液幹(gan)擾影響較(jiao)🔆小的“幅值(zhi)基準”。再根(gen)✂️據“幅值基(ji)準”，重新構(gou)造“無漿液(ye)幹擾”的🌈流(liu)量計輸出(chu)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(li)✉️用該算法(fa)對圖1所示(shi)的水煤漿(jiang)信号進行(hang)處👅理，得到(dao)的解調幅(fu)✂️值如圖10所(suo)示，解調結(jie)果的波動(dong)較大，如下(xia):

　　可見，用已(yi)有漿液算(suan)法處理水(shui)煤漿信号(hao)，測量結果(guo)波動較大(da)，說明無法(fa)通過去除(chu)漿液噪聲(sheng)來提取與(yu)流量相關(guan)的感應電(dian)動勢信号(hao)，進一步驗(yan)證了所提(ti)算法的♉正(zheng)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(jian)設計采用(yong)模塊化的(de)設計方法(fa)，将完成🔞特(te)定功能或(huo)類似功能(neng)的子程序(xu)組合成功(gong)能模塊，主(zhu)要🧑🏾‍🤝‍🧑🏼功能模(mo)塊有主監(jian)控🌈模塊、初(chu)始化模塊(kuai)、中斷模塊(kuai)及算法模(mo)塊等，由主(zhu)⚽監控程🈲序(xu)統一調用(yong)。軟件框🌈圖(tu)如圖11所🐆示(shi)。

主監(jian)控程序的(de)流程圖如(ru)圖12所示。

1)系(xi)統上電後(hou)，DSP完成各種(zhong)初始化工(gong)作，包括系(xi)統初始化(hua)、外設初始(shi)化和算法(fa)初始化等(deng)，開啓定時(shi)器以及☂️AD采(cai)樣轉換模(mo)塊。
2)AD采樣轉(zhuan)換結束後(hou)，通過多通(tong)道緩沖器(qi)McBSP傳輸到DSP，實(shi)時❤️存儲到(dao)✍️外擴💯SAＲAM中的(de)數據緩沖(chong)數組中，并(bing)對采集到(dao)的⭕流量信(xin)号🔱進行預(yu)處理。
3)在主(zhu)循環中查(cha)詢數據更(geng)新是否完(wan)成，若完成(cheng)，則進行👅算(suan)法處理，得(de)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(lei)積流量，同(tong)時，輸出4～20mA電(dian)流及PWM脈沖(chong)輸出;最後(hou)，進入按鍵(jian)掃描程序(xu)，查詢按鍵(jian)是否按下(xia)。
4)将測量得(de)到的結果(guo)通過LCD顯示(shi)出來，并判(pan)斷是否有(you)按鍵标志(zhi)位置位。若(ruo)有，則執行(hang)相應的按(an)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(shi)測量。
3.2現場(chang)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(li)磁和處理(li)實驗，通過(guo)液晶可以(yi)觀察流量(liang)🙇🏻的波動情(qing)況，并将實(shi)時流量通(tong)過ＲS485通信傳(chuan)至上位機(ji)。通過液晶(jing)界面對實(shi)時流量進(jin)行了長時(shi)間監視，發(fa)現流量波(bo)動小于1m3/h。由(you)于上位機(ji)存儲數量(liang)有限，僅記(ji)錄了250s内🙇‍♀️的(de)實時流量(liang)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(yu)管道上某(mou)國外著名(ming)廠家的電(dian)❓磁流量計(ji)的測量流(liu)量波動情(qing)況相吻合(he)。

4結論
　　從時(shi)域和頻域(yu)兩方面對(dui)水煤漿信(xin)号進行分(fen)析。分析煤(mei)漿型電♋磁(ci)流量計發(fa)現信号中(zhong)漿液噪聲(sheng)幅值遠大(da)于與🔴流量(liang)信号🈲相關(guan)💞的感應電(dian)動勢幅值(zhi)，且漿液噪(zao)聲疊加在(zai)基波上，導(dao)緻基波幅(fu)值大幅波(bo)動，從而使(shi)電磁流量(liang)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(fen)析方法。即(ji)選☔取♉某💃🏻一(yi)适⛹🏻‍♀️當高次(ci)諧波分量(liang)的幅值來(lai)反映流量(liang)📐信号的大(da)小，有📧效地(di)避開了水(shui)煤漿噪聲(sheng)的幹擾。在(zai)MATLAB中，用所💘提(ti)算法對實(shi)際采集的(de)信号進行(hang)處理，得到(dao)的高次諧(xie)波幅值穩(wen)定，波動較(jiao)小。
　

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