CN107478280A

CN107478280A - 一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法

Info

Publication number: CN107478280A
Application number: CN201710707986.XA
Authority: CN
Inventors: 徐科军; 汪春畅; 许伟; 吴建平
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2037-08-17
Also published as: CN107478280B

Abstract

本发明为一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法。针对电磁流量计测量水煤浆流量时，出现测量结果波动大的问题，提出基于励磁频率高次谐波分析的信号处理算法，选取励磁频率高次谐波幅值来计算流量大小，有效地避免了浆液噪声的干扰，并对幅值计算结果进行中位值滤波和滑动平均滤波，实现了水煤浆流量的稳定测量。研制基于DSP的电磁流量计硬件和软件，实时实现信号处理算法。其中，硬件包括励磁驱动模块、信号调理采集模块、数字信号处理与控制模块；软件包括主监控程序、初始化模块、看门狗模块、算法模块、人机接口模块和中断模块。

Description

一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法

技术领域

本发明属于流量检测技术领域，特别是一种基于励磁频率高次谐波分析的测量水煤浆流量的电磁流量计信号处理方法。

背景技术

水煤浆是一种由55％～65％的煤粉、34％～43％的水和1％的化学添加剂，经过一定的工艺加工而成的固液混合物，既可作为燃料代替油、气和煤用于发电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉，缓解石油短缺的能源安全问题，又可作为制备合成气的原料，通过气化生成CO、CO₂和H₂等气体，作为工艺过程中的反应气。水煤浆在生产过程中使用煤浆泵输送，在生产时，煤浆泵工作在额定转速下，所以，水煤浆的流速基本保持不变。但是，水煤浆是一种非牛顿流体，并且存在固体颗粒的沉淀，加上流速低，所以，可能会导致煤浆泵堵塞，使煤浆泵出口压力大幅跳动，引起水煤浆流速出现大幅波动，影响正常生产。因此，为了保证产品质量和生产安全，需要监测管道内水煤浆的流速，以及时发现煤浆泵的异常。电磁流量计测量管内不存在阻碍流体的部件，且受密度、粘度影响较小，适宜测量这类高浓度的固液混合物，是水煤浆计量的首选方案。但是，随着水煤浆应用范围扩大，煤质开始发生变化，主要表现为煤的灰分变高，导致只有极少数国外著名厂家的电磁流量计可以实现水煤浆流量的稳定测量，但是，价格非常昂贵，且没有披露技术细节，而多数国外品牌和国内生产的电磁流量计，在管道内水煤浆流量稳定时，都出现了测量结果波动大，甚至测量结果回零的情况，这会导致系统跳车停产事故。因此，解决电磁流量计测量水煤浆时波动较大的问题，不仅能大大减少国内煤化工企业的生产成本，还是保证安全生产的关键。某国外著名厂家的电磁流量计通过选用耐冲刷，耐磨损的增强聚四氟乙烯作为衬里材料、低噪音电极以及抗噪音转换器来降低测量流量的波动。目前，国内外对电磁流量计测量类似纸浆的浆液流量在信号处理方面进行过一定的研究(徐科军，杨双龙，王刚，梁利平，张然，石磊，杨怿兵，一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，发明专利，201010215831.2，申请日：2010.6.30，授权公告日：2012.7.11.)，但是，均没有关于水煤浆测量信号处理方面的参考文献。

发明内容

针对电磁流量计测量水煤浆时出现较大波动、甚至回零的问题，本发明对电磁流量计输出的水煤浆信号进行时域和频域分析，找出电磁流量计不能稳定测量水煤浆流量的原因；根据水煤浆信号特征，提出一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆流量计信号处理方法；研制基于DSP(数字信号处理器)的电磁流量计变送器，实时实现本发明提出的算法，进行现场验证。

具体的技术解决方案如下：

对于水煤浆流量，电磁流量计一次仪表的输出信号主要由感应电动势信号和电极噪声组成。其中，感应电动势信号是由导电液体切割磁场产生的有用信号，被用来计算流量。电极噪声是水煤浆中的固体颗粒划过电极而引起的信号跳变，也称为浆液噪声。在矩形波励磁方式下，与流量相关的感应电动势信号是由基波和各个奇次倍励磁频率的谐波组成，而提取感应电动势信号就需要包含这些频率点上的信号。通过对水煤浆流量信号进行频谱分析，发现浆液噪声频带较宽，在基波频率点处的幅值较大，甚至将基波淹没。而基波幅值在感应电动势信号中所占的比重又最大，所以，必然导致计算出的流量结果波动剧烈，出现测量不稳定的问题。为此，本发明提出基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆信号处理方法，即通过选择励磁频率的高次谐波幅值来计算流量，这是因为励磁频率的高次谐波能够有效地避开浆液噪声的干扰，且其幅值与流量大小也成线性关系。

电磁流量计的硬件系统以DSP作为信号处理和系统控制核心，包括励磁驱动模块、信号调理采集模块、数字信号处理与控制模块。基于硬件系统，研制水煤浆电磁流量计的软件系统，包括主监控程序、初始化模块、看门狗模块、算法模块、人机接口模块和中断模块。在信号处理方面，通过选择励磁频率的某一高次谐波幅值来计算流量，有效地避开浆液噪声的干扰，并对计算得到的高次谐波幅值进行中位值滤波和滑动平均滤波，以得到反映流速变化的平稳输出。

附图说明

图1是电磁流量计硬件系统框图。

图2是电磁流量计软件系统框图。

图3是电磁流量计主监控程序流程图。

图4信号采集和传送过程示意图。

图5是McBSP数据接收中断服务流程图。

图6是信号处理算法流程图

图7是水煤浆信号整体图。

图8是水煤浆信号细节图。

图9是水煤浆信号频谱图。

图10是水煤浆信号基波幅值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是电磁流量计硬件系统框图，主要由励磁驱动模块、信号调理采集模块、数字信号处理与控制模块组成。其中，励磁驱动模块主要包括H桥电路、励磁控制电路；信号调理采集模块包括检流电阻、调理电路、偏置调整电路、A/D1(模数转换器1)、A/D2(模数转换器2)、D/A(数模转换器)和空管脉冲电路；数字信号处理与控制模块包括TMS320F28335DSP芯片、人机接口电路、RS485电路、脉冲输出电路、4-20mA电流输出电路、外扩静态随机存储器(SRAM)和铁电存储器(FRAM)。

图2是电磁流量计软件系统框图，以实现基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆流量测量的信号处理方法，以及仪表所必须具备的各种功能。软件设计采用模块化的设计方案，将完成特定功能的程序封装成一个个功能模块，便于系统的设计和维护。根据模块化的设计思想，二次仪表的主要软件模块有：主监控程序、初始化模块、看门狗模块、算法模块、人机接口模块、中断模块。主监控程序统一调用和协调各个模块，使二次仪表的软件系统能够正常有序地工作。初始化模块包括DSP系统初始化、GPIO(通用输入/输出口)初始化、外设初始化和算法初始化。初始化模块对DSP芯片及其GPIO和片内外设进行配置，并初始化算法模块的参数变量。看门狗模块对主监控程序进行监控，防止系统“死机”。算法模块对采集的数据进行处理，计算出流量信号频率和流速等信息。人机接口模块用于液晶刷新、显示切换及参数修改等。中断模块包括A/D(模数转换)采样中断模块、定时器0中断模块和RS485通讯中断模块，其中，A/D采样中断模块在A/D芯片完成数据转换之后读取数字信号，并进行保存和信号预处理；定时器0中断模块使用定时器0进行定时，在定时器0中断模块中主要完成4～20mA电流输出和脉冲输出；RS485通讯模块实现二次仪表与上位机之间的通讯。

图3是电磁流量计主监控程序流程图。(1)系统上电后，TMS320F28335DSP完成各种初始化工作，包括DSP系统初始化、GPIO初始化、外设初始化以及算法模块初始化，然后，开启A/D采样转换。(2)每一次A/D转换完成，将数字信号通过多通道缓冲串口McBSP传输到TMS320F28335DSP，在McBSP数据接收中断中将数据实时存储到外扩SRAM中的数据缓冲数组中，并对采集到的信号进行预处理。整个信号采集和传送过程示意图如图4所示，McBSP数据接收中断服务流程如图5所示。(3)采集并传输完成4096点后，开始进入系统循环。(3)调用算法模块。对4096点进行FFT(快速傅里叶变换)频谱分析、中位值滤波和滑动平均滤波，计算出流量信号的感应电动势幅值，结合仪表系数得出流速。(4)查询液晶刷新时间是否已到，若刷新时间到，则调用液晶显示子程序。查询键盘标志位是否置位，若置位，则调用键盘处理子程序。(5)当采集到新的500点数据后，又开始调用算法模块，此时，参与FFT运算的4096点由参与前一轮FFT运算的4096点中的后3596点与新采集的500点组合而成；否则，执行步骤(4)。(6)通过定时器0定时500ms中断，在定时器0中断服务程序中，累加瞬时流量得到累积流量；另外，根据瞬时流量值，通过D/A或DSP的ePWM(增强型脉冲宽度调制)模块向外输出4～20mA电流或脉冲。

本发明所提出的针对水煤浆流量的信号处理算法流程如图6所示，依次为：对A/D采集的数据进行FFT频谱分析、中位值滤波、滑动平均滤波和流量转换。

步骤一：FFT频谱分析。对水煤浆信号进行一定点数的FFT计算，提取某一受水煤浆噪声影响小的励磁频率的高次的奇次谐波所在频率点处的幅值，例如，励磁频率的3次谐波、5次谐波、7次谐波等。

图7是在现场采集到的在25Hz方波励磁下的电磁流量计输出的水煤浆信号。可见，水煤浆信号的幅值非常大，甚至接近A/D的量程上限。水煤浆信号主要由感应电动势信号和电极噪声组成。其中，感应电动势信号是由导电液体切割磁场产生的，其幅值与相同流量下介质为水的感应电动势幅值相同，仅约为数十毫伏。这是因为电磁流量计不受被测导电介质的温度、粘度、密度以及导电率的影响，只要经过水标定后，就可以用来测量其他导电液体的流量。电极噪声是水煤浆中的固体颗粒划过电极而引起的信号跳变，也称为浆液噪声，具有强非平稳性、随机性，频域具有近似1/f的特性。

图8是水煤浆信号细节图。可见，水煤浆信号中的浆液噪声幅值非常大，峰峰值可达数伏，远远高于流量相关的感应电动势信号的幅值。这给流量信号的提取造成了极大的困难。

采用方波励磁的电磁流量计，其传感器输出的与流量相关的感应电动势信号的波形也类似于方波。针对与流量相关的感应电动势信号x(t)的特点，可知其是由基波和奇次谐波叠加而成的。对于一个给定单峰值为E_m的矩形波信号，其傅里叶级数展开为：

式中，f_e表示基波的频率，大小等于励磁频率。

水煤浆信号中的浆液干扰n(t)可近似等效为：

式中，g(t)表示浆液信号的幅值，特点为随机跳变的信号，波动比较大；f表示频率。可见，浆液噪声在低频段幅值比较大，随着频率的增加，浆液噪声的幅值在减小。那么，传感器输出的信号s(t)形式为：

s(t)＝x(t)+n(t) (3)

在传感器输出的信号中只有与流量相关的感应电动势信号才是有用信号，被用来计算流量。而提取感应电动势信号就需要包含频率等于f_e、3f_e、5f_e、……等频率点的信号。但是，从图9水煤浆信号的频谱图中可以看出，浆液噪声频带较宽，在频率点f_e处的幅值较大，甚至将基波淹没。

选择一组采集的水煤浆信号，把其等分成数段，利用MATLAB计算每段数据在基波处的幅值并提取保存在一个数组中，使用绘图工具画出来，如图10所示。可见，基波幅值波动较大，而基波幅值在感应电动势信号中所占的比重又是最大的，所以，必然导致计算出的流量波动剧烈，出现测量不稳定的问题。

从图9水煤浆信号的频谱图中还可以看出，随着频率的递增，水煤浆信号中的浆液噪声逐渐衰减，使高次谐波开始突显。由式(1)可知：高次的奇次谐波的幅值也是与流量成线性关系的，因此，可以通过提取高次的奇次谐波的幅值计算流量，有效地避开浆液噪声的干扰，得到比较稳定的测量结果。总之，水煤浆信号的基波受浆液干扰影响，波动较大，但是，流量信号的高次的奇次谐波分量受水煤浆噪声影响小，幅值稳定，且其幅值与流量信号的大小成比例。因此，可以选取某一适当的高次的奇次谐波幅值来反映整体流量信号的大小。

步骤二：中位值滤波。对步骤一计算得到的高次的奇次谐波幅值进行多点排序，去掉等个数的最大值和最小值，对剩下的幅值进行平均，作为当前幅值输出结果D(k)(单位：V)。

步骤三：滑动平均滤波。对经过中位值滤波后的幅值结果D(k)进行滑动平均滤波。设滑动平均滤波点数为N，则滤波算式为：

步骤四：流量转换。将信号处理经滑动平均滤波后的结果J()(单位：V)乘以仪表系数K(单位：m/s/V)，得出当前流体流速v(k)(单位：m/s)，其计算公式为：

v(k)＝K*J(k) (5)

再根据管道口径D(单位：mm)将流速转换为流量q(k)(单位：m³/h)，其计算公式为：

通过如图6所示的信号处理算法流程就可以较为准确地测量水煤浆流量。

Claims

1.一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法具体步骤依次为：对A/D采集的数据进行FFT频谱分析、中位值滤波、滑动平均和流量转换；

步骤一：FFT频谱分析；对水煤浆信号进行一定点数的FFT计算，提取某一受水煤浆噪声影响小的励磁频率的高次的奇次谐波所在频率点处的幅值；

水煤浆信号的幅值非常大，甚至接近A/D的量程上限；水煤浆信号主要由感应电动势信号和电极噪声组成；其中，感应电动势信号是由导电液体切割磁场产生的，其幅值与相同流量下介质为水的感应电动势幅值相同，仅约为数十毫伏；这是因为电磁流量计不受被测导电介质的温度、粘度、密度以及导电率的影响，只要经过水标定后，就可以用来测量其他导电液体的流量；电极噪声是水煤浆中的固体颗粒划过电极而引起的信号跳变，也称为浆液噪声，具有强非平稳性、随机性，频域具有近似1/f的特性；水煤浆信号中的浆液噪声幅值非常大，峰峰值可达数伏，远远高于流量相关的感应电动势信号的幅值；这给流量信号的提取造成了极大的困难；

采用方波励磁的电磁流量计，其传感器输出的与流量相关的感应电动势信号的波形也类似于方波；针对与流量相关的感应电动势信号x(t)的特点，可知其是由基波和奇次谐波叠加而成的；对于一个给定单峰值为E_m的矩形波信号，其傅里叶级数展开为：

式中，f_e表示基波的频率，大小等于励磁频率；

水煤浆信号中的浆液干扰n(t)可近似等效为：

式中，g(t)表示浆液信号的幅值，特点为随机跳变的信号，波动比较大；f表示频率。可见，浆液噪声在低频段幅值比较大，随着频率的增加，浆液噪声的幅值在减小；那么，传感器输出的信号s(t)形式为：

s(t)＝x(t)+n(t) (3)

在传感器输出的信号中只有与流量相关的感应电动势信号才是有用信号，被用来计算流量；而提取感应电动势信号就需要包含频率等于f_e、3f_e、5f_e、……等频率点的信号；对水煤浆信号进行频谱分析，发现浆液噪声频带较宽，在频率点f_e处的幅值较大，甚至将基波淹没，但是，随着频率的递增，水煤浆信号中的浆液噪声逐渐衰减，使高次谐波开始突显；由式(1)可知：高次的奇次谐波的幅值也是与流量成线性关系的，因此，可以通过提取高次的奇次谐波的幅值计算流量，有效地避开浆液噪声的干扰，得到比较稳定的测量结果；

步骤二：中位值滤波；对步骤一计算得到的高次的奇次谐波幅值进行多点排序，去掉等个数的最大值和最小值，对剩下的幅值进行平均，作为当前幅值输出结果D(k)(单位：V)；

步骤三：滑动平均滤波；对经过中位值滤波后的幅值结果D(k)进行滑动平均滤波。设滑动平均滤波点数为N，则滤波算式为：

<mrow> <mi>J</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <msubsup> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

步骤四：流量转换；将信号处理经滑动平均滤波后的结果J(k)(单位：V)乘以仪表系数K(单位：m/s/V)，得出当前流体流速v(k)(单位：m/s)，其计算公式为：

v(k)＝K*J(k) (5)

通过上述信号处理方法具体步骤就可以较为准确地测量水煤浆流量。

2.如权利要求1所述的一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

硬件系统主要由励磁驱动模块、信号调理采集模块、数字信号处理与控制模块组成；其中，励磁驱动模块主要包括H桥电路、励磁控制；信号调理采集模块包括检流电阻、调理电路、偏置调整电路、A/D1(模数转换器1)、A/D2(模数转换器2)、D/A(数模转换器)和空管脉冲电路；数字信号处理与控制模块包括TMS320F28335DSP芯片、人机接口电路、RS485电路、脉冲输出电路、4-20mA电流输出电路、外扩静态随机存储器(SRAM)和铁电存储器(FRAM)；

软件系统包括主监控程序、初始化模块、看门狗模块、算法模块、人机接口模块、中断模块，以实现基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆流量测量的信号处理方法，以及仪表所必须具备的各种功能；主监控程序统一调用和协调各个模块，使二次仪表的软件系统实现正常有序的工作；初始化模块包括系统初始化、GPIO初始化、外设初始化和算法初始化；初始化模块对DSP芯片及其GPIO和片内外设进行配置，并初始化算法模块的参数变量；看门狗模块对主监控程序进行监控，防止系统“死机”；算法模块对采集的数据进行处理，计算出流量信号频率和流速等信息；人机接口模块用于液晶刷新、显示切换及参数修改等；中断模块包括A/D采样中断模块、定时器0中断模块和RS485通讯中断模块，其中，A/D采样中断模块在A/D芯片完成数据转换之后读取数字信号，并进行保存和信号预处理；定时器0中断模块使用定时器0进行定时，在定时器0中断模块中主要完成4～20mA电流输出和脉冲输出；RS485通讯模块实现二次仪表与上位机之间的通讯。

3.如权利要求1所述的一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

软件系统的主监控程序流程为:(1)系统上电后，TMS320F28335 DSP完成各种初始化工作，包括DSP系统初始化、GPIO初始化、外设初始化以及算法模块初始化，然后，开启A/D采样转换；(2)每一次A/D转换完成，将数字信号通过多通道缓冲串口McBSP传输到TMS320F28335DSP，在McBSP数据接收中断中将数据实时存储到外扩SRAM中的数据缓冲数组中，并对采集到的信号进行预处理；(3)采集并传输完成4096点后，开始进入系统循环；(3)调用算法模块；对4096点进行FFT频谱分析、中位值滤波和滑动平均滤波，计算出流量信号的感应电动势幅值，结合仪表系数得出流速；(4)查询液晶刷新时间是否已到，若刷新时间到，则调用液晶显示子程序；查询键盘标志位是否置位，若置位，则调用键盘处理子程序；(5)当采集到新的500点数据后，又开始调用算法模块，此时，参与FFT运算的4096点由参与前一轮FFT运算的4096点的后3596点与新采集的500点组合而成；否则，执行步骤(4)；(6)通过定时器0定时500ms中断，在定时器0中断服务程序中，累加瞬时流量得到累积流量；另外，根据瞬时流量值，通过D/A或DSP的ePWM(增强型脉冲宽度调制)模块向外输出4～20mA电流或脉冲。