摘要:針對國内(nèi) 漿液型電磁流(liú)量計 測量水煤(mei)漿流量時出現(xian)波動大、甚至回(hui)零的問題，采集(jí)現場水煤漿信(xìn)号，進行時域和(hé)頻域分析，找出(chu)其無🐆法穩定測(cè)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(hào)處理方法，選取(qu)受漿液噪聲幹(gan)擾小💋的高次諧(xie)🈚波幅值來反映(ying)流量信号的大(dà)小，有效地避開(kai)了水♌煤漿噪聲(shēng)的幹擾。
0引言
　　水(shuǐ)煤漿是一種由(you)55%～65%的煤粉、34%～43%的水和(he)1%的化學添加劑(jì)，經過🔆一定的工(gong)藝加工而成的(de)固液混合物，既(ji)可作爲燃料代(dài)替🥰油、氣和煤🌍用(yong)于發電站鍋爐(lú)、工業鍋爐和工(gong)業窯🐇爐，緩解石(shí)油短⭕缺的能源(yuán)安全問題，又可(ke)作⛷️爲制備合成(chéng)氣的原料，通過(guo)氣化生成CO、CO2和H2等(deng)氣體，作㊙️爲工藝(yi)過程🏃‍♂️中的反應(ying)氣。水煤漿在生(sheng)👄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(mei)漿的流速基本(ben)保持不變。但是(shi)，水煤漿🙇🏻是一種(zhong)非牛頓流體🛀，并(bing)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(xian)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(an)全，需要監測管(guan)道内水煤漿的(de)♊流速，以及時發(fā)現煤漿泵的🌈異(yi)常。 電磁流量計(ji) 測量管内不存(cún)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(yè)混合物。解📱決漿(jiang)✌️液型電磁流量(liàng)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(bǎo)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(mo)損的增強聚四(sì)氟乙烯作爲襯(chèn)裏材料、低噪音(yīn)電極以及抗噪(zào)音轉換器來降(jiàng)🔞低測量流量的(de)波動［2］。目前🔞，國内(nei)外對電磁流量(liang)計測量類似紙(zhi)🔅漿的漿液流量(liang)在信💯号處理方(fang)面進行過一定(ding)的研究［3-7］，但是，均(jun1)沒有關于水煤(méi)漿測量信号處(chu)理方面的參考(kǎo)文獻。
　　針對煤漿(jiāng)型電磁流量計(jì) 測量水煤漿時(shi)出現較大波動(dòng)、甚至回零的問(wèn)題，采集💁現場電(diàn)磁流量計輸出(chū)的水煤漿信号(hao);在時域和頻域(yu)對信号進😍行分(fen)析，找出了電磁(cí)流量計不能穩(wěn)定測量水煤漿(jiāng)流量的原因;根(gen)據水煤漿信号(hao)特征💯，提出了基(ji)于勵磁頻率高(gāo)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(shang)🏃🏻實時實現該算(suàn)法。實驗結果表(biǎo)明，測量結果較(jiao)穩定，驗證了所(suo)提出的算法的(de)有效性。
1數據采(cai)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(wen)題，特去某煤化(huà)工企業甲醇分(fèn)公司進行現場(chǎng)數據采集。該公(gong)司所使用的對(duì)置式四噴嘴氣(qi)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(dìng)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(méi)漿型電磁流量(liang)計，每台煤漿型(xing)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(shui)煤漿管線上的(de)1台電磁流量計(jì)進行數據采集(jí)，因爲該台電磁(cí)流⛹🏻‍♀️量計測量結(jie)果波動大，甚至(zhi)出👣現回零的現(xiàn)象。将課題組研(yán)制的基于DSP的電(dian)磁流量🌏變送器(qì)的信号線和勵(lì)磁🈲線接到該電(dian)磁流量傳感器(qì)的電極和勵磁(ci)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(gong)司🌍DSP芯片TMS320F28335爲核心(xin)，采用高頻勵磁(ci)方案，其硬件🙇🏻主(zhu)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(kuai)、信号調理🌂采集(jí)模塊、信号處理(lǐ)控制💁模塊、人機(jī)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(chu)的信号進行放(fàng)大和濾波，截止(zhǐ)頻🍓率是2kHz，放大倍(bèi)數㊙️約爲230倍。通過(guò)NI公司⁉️USB－6216型号的數(shu)據采集卡進行(hang)數據采集，把調(diao)理電路的輸出(chu)端連接到數據(ju)采集卡的一個(ge)差分輸入端，并(bìng)設置數據采集(jí)卡工作在差分(fen)的測量模式，設(shè)置采集卡的采(cai)樣頻率爲10kHz。采🏒集(jí)多💋組水煤漿信(xìn)号數據，每組數(shù)據的時間長度(du)爲5min。
1.2數據分析
　　現(xian)場采集了25Hz方波(bō)勵磁下的水煤(méi)漿信号，發現水(shuǐ)煤漿信号的幅(fú)值非常大，甚至(zhì)接近AD的量程上(shang)限，如圖🌈1所示。水(shui)煤🈲漿信号主要(yào)由感應電動勢(shì)信号和電極噪(zao)聲組成。其中，感(gan)應電🥵動勢信号(hào)是由導電液體(tǐ)切割磁場産生(sheng)的，其幅💃值和相(xiang)同流量下介質(zhi)爲水的感應電(dian)動勢幅值相同(tong)，僅約爲數十毫(hao)❤️伏。這是因爲電(diàn)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(liang)其他導電液♍體(ti)的流量［13］。電極噪(zao)聲是水煤漿中(zhong)的固體顆粒劃(hua)過電極而引起(qi)的信号跳變，也(yě)稱🎯爲漿液噪聲(shēng)，具有強非平🈲穩(wen)性、随機性，頻⛱️域(yu)具有近🔞似1/f的特(te)性［14］。水煤漿信号(hào)中♊的漿液噪聲(sheng)幅值非常大，峰(feng)峰值可達數伏(fu)，遠遠高于與流(liu)量相關的感應(ying)電動勢信号，如(rú)圖2所示。這給流(liú)量信号的提取(qu)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(chuán)感器輸出的與(yǔ)流量相關的感(gǎn)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(gǎn)應電動勢信号(hao)f(t)的特點，可知其(qí)是由基波和奇(qi)次諧波疊加而(ér)成的。對于一個(ge)給定單峰值爲(wèi)Em的矩😄形波信号(hào)，其傅裏葉展開(kāi)爲:

　　在傳感器輸(shū)出的信号中隻(zhī)有與流量相關(guan)的感應💔電動勢(shi)信号才是有用(yòng)信号，被用來計(ji)算流量。而提❄️取(qu)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(dàn)是，從水煤漿信(xìn)号的頻譜圖可(ke)以看出，漿液噪(zao)聲㊙️頻帶較寬，在(zài)頻率點fe處的幅(fu)值🔱較大，甚至将(jiang)基波淹沒🍉，如圖(tu)3所示。選擇一組(zu)采集的水煤漿(jiāng)信号，把其等分(fen)成數段，利用MATLAB計(jì)算每段數據在(zai)基波處的幅值(zhi)并提取保存在(zai)一個數組中，使(shi)用繪圖工具畫(hua)出來，如圖4所示(shi)。可見，基波幅值(zhí)在1～9mV波動，波動較(jiao)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(suo)以，必然導緻計(jì)算👣出的流量波(bō)動劇烈，出現測(ce)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(chū)，随着頻率的遞(dì)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(tu)顯。由式(1)可知，高(gāo)次諧波的幅值(zhi)也是與流量成(chéng)線❗性關系的，因(yīn)此☎️，煤漿型電磁(ci)流量計🏃🏻可以通(tong)過提取高次諧(xié)波計算🈲流量，有(you)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(wei)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(kè)題組采集的25Hz矩(jǔ)形波勵磁下的(de)紙漿信号發現(xiàn)，在👈同樣流速下(xia)，測量介質爲紙(zhi)漿時㊙️，傳感器輸(shū)出信号經調理(li)放大後能明顯(xiǎn)看到與流量相(xiàng)關的感應電動(dòng)勢信号，且其漿(jiang)液幹擾❌僅爲數(shu)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(xin)号進行局部放(fàng)大，得到如圖6所(suǒ)示的✨信号。可見(jian)，紙漿信号中的(de)漿液幹🧑🏾‍🤝‍🧑🏼擾持續(xu)的時間也遠小(xiǎo)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(shí)發現，紙漿信号(hao)的漿液噪🤞聲🐅頻(pín)帶在零頻率點(diǎn)附近，距離流量(liàng)信号基波🌈頻率(lǜ)點較遠，對基波(bō)幅值和各奇次(cì)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(hao)，把其等分成數(shu)🥰段，利用MATLAB計算每(měi)段數據在基波(bō)處的幅值并提(tí)取保存在一個(gè)🏃‍♀️數組中，使用繪(huì)圖工具畫出來(lai)，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(yīn)此，提取到📱的與(yu)流量相關的感(gǎn)應電動勢信号(hao)幅值會比較穩(wen)定。


　　從以上分析(xi)可知，水煤漿信(xin)号與紙漿信号(hao)有較大差♋異，煤(méi)漿型電磁流量(liang)計适用于紙漿(jiang)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(fú)值穩定，且其幅(fú)‼️值與流量信号(hào)的大小成比例(li)。因此，可以🥵選取(qu)某一适當的高(gao)次諧波幅值來(lai)反映整體流量(liàng)信号的大小。
　　信(xin)号處理算法的(de)具體步驟爲對(duì)水煤漿信号進(jìn)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(gāo)次諧波所在頻(pín)率點處的幅值(zhí);對提🔆取到的幅(fú)值進💔行排序🈲，取(qǔ)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(dao)的幅值進行滑(hua)動平均濾波，作(zuò)✌️爲最終的輸出(chu)。對圖1所示的水(shui)煤漿信号在MATLAB中(zhōng)進行上述處☔理(lǐ)，得到的頻率爲(wei)225Hz的高次諧波的(de)幅值曲📱線如圖(tu)9所示，得到波動(dòng)率爲:

2.2與已有漿(jiang)液處理方法的(de)比較
　　煤漿型電(diàn)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(tōng)過對一段時間(jiān)内漿💰液信号的(de)幅值解調結果(guo)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(chū)一條受漿液幹(gan)擾影響較小的(de)“幅值😍基準”。再根(gen)㊙️據“幅值基準”，重(zhòng)新構造“無漿液(yè)幹擾”的流量計(jì)輸出💁信号。然後(hòu)，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(fǎ)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(xia):

　　可見，用已有漿(jiang)液算法處理水(shui)煤漿信号，測量(liàng)結果波動較大(da)，說🏃明無法通過(guo)去除漿液噪聲(sheng)來提取與流量(liang)相關的感應電(diàn)動勢信号，進一(yi)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(gōng)能或類似功能(néng)的子程序組合(hé)成功能模塊，主(zhu)要功能模塊有(you)主❤️監控模塊、初(chu)始化模塊、中斷(duàn)模塊及算法模(mó)塊等，由主監控(kòng)程序統一調用(yòng)。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(xì)統上電後，DSP完成(cheng)各種初始化工(gong)作，包括系統初(chu)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(zhuan)換結束後，通過(guò)多通道緩沖器(qi)McBSP傳輸到DSP，實時存(cún)儲到外擴SAＲAM中的(de)數據緩沖數組(zu)中，并對采集到(dao)的流量信号進(jin)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(liú)量等;在定時器(qì)中斷中累加瞬(shùn)時流量得到累(lèi)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(xù)，查詢按鍵是否(fou)✨按下。
4)将測量得(dé)到的結果通過(guo)LCD顯示出來，并判(pàn)斷是否有按鍵(jiàn)🈚标🏃🏻‍♂️志位置位。若(ruo)有，則執行相應(ying)的按鍵操作子(zǐ)程序。重複📐步驟(zhòu)㊙️2)～4)的過程，對流量(liang)進行實時測量(liang)。
3.2現場實驗
　　将軟(ruan)件工程通過仿(pang)真器下載到變(bian)送器中的DSP裏，進(jìn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼行♌現場實時勵(lì)磁和處理實驗(yàn)，通過液晶可以(yi)觀察流量的波(bo)動情況，并将實(shi)時流量通過ＲS485通(tong)信傳至上位機(jī)。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(bō)動小于1m3/h。由于上(shang)位機存儲數量(liàng)有限♻️，僅記錄了(le)250s内的實時流量(liang)變化曲線，如圖(tu)13所示。可見，流量(liang)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(liú)量計的測量流(liu)量波動情⚽況相(xiàng)吻合。

4結論
　　從時(shi)域和頻域兩方(fang)面對水煤漿信(xìn)号進行分析。分(fèn)析煤漿型電磁(ci)流量計發現信(xin)号中漿液噪聲(sheng)幅值遠大于與(yu)流量信号相關(guān)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(liàng)計測🙇‍♀️量結果波(bō)動大。
　　提出基于(yú)FFT計算的勵磁頻(pin)率高次諧波分(fèn)析方法。即選取(qu)某一适當高次(ci)諧波分量的幅(fú)值來反映流量(liang)信号㊙️的大小，有(yǒu)效地避開了水(shuǐ)煤漿噪聲的幹(gàn)擾。在✊MATLAB中，用所提(tí)算法對實際采(cai)集的信号進行(hang)處理，得到♊的高(gāo)次諧⛱️波幅值穩(wěn)定，波動較小。
　

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