CN107830903A - 一种微波固体流量计检测系统及装置 - Google Patents

Abstract

一种微波固体流量检测装置以及系统，包括多普勒回波采集模块、传感板、转换板、上位机，其特征在于，传感板包含A/D模数转换模块、滤波降采样模块、FPGA信号处理系统；转换板用于将数字信号转为电流信号，进行电流输出，作为显示装置的信号源。采用以上方法对微波固体流量计信号进行处理，各模块功能设计完整，通过FPGA对信号进行多次平滑、恒虚警处理，克服了传统流量计的弊端，实现流量信息的准确测量、监控，灵敏度高，抗干扰能力强、易操控，可以对自由落体、稀相输送和浓相输送进行实时监控。

Description

一种微波固体流量计检测系统及装置

技术领域

本发明属于固体流量计技术领域，尤其涉及微波固体流量检测系统以及装置，可用于冶金、环保、纸浆造纸、矿石、核电、化工等众多行业中的流动固体监测。

背景技术

流量的在线精确测量一直是流量计发展的难点，也是工业测量参数的难点之一，传统的流量计检测方法存在检测场景要求苛刻，制造成本高，实时测量精度难以评价等问题。随着经济的发展，工业水平的提高，固体、颗粒、粉末等物料的定量给料和配料成为工业过程控制的关键。近年来，随着微处理器的快速发展，智能仪表的流量在线测量技术应运而生，在线流量测试方式是现代流体测量领域的一种趋势。

微波固体流量计是采用24GHZ高频微波，通过传感器与管道之间电磁场的耦合，产生一个测量场。当被检测介质从微波检测场经过时，传感器传送低功率微波并接收物体反射回的能量。接收到的微波反射频率与发射频率产生频差，从而在输出端产生一低频交流电压，即微波传感器检测到运动介质的数量和流速。测量场的微波能量被固体颗粒反射回来并被接收器接收，根据多普勒原理，微波固体流量计仅流动的颗粒能被测量，结合记录的颗粒数目和状态可计算出流量(质量)。微波固体流量计接收数据处理器是通过多普勒效应来进行调节的，物料传送速度的加快只不过改变探头接收信号的速度，介质可视化，过程自动化。

现有技术中，CN205785360U公开了一种固体流量计，包括底座(1)、电机(2)、太阳能电池(3)、旋转叶片(4)、进料口(5)、转轴(6)、充电口(7)、控制器(8)、显示屏(9)、按钮(10)、出料口(11)、压力传感器(12)、计量腔(13)、外壳(14)，所述底座(1)上设有电机(2)、太阳能电池(3)和控制器(8)，在所述控制器(8)上有显示屏和按钮(10)，所述转轴(6)连接旋转叶片(4)，在流量计上端设有进料口(5)，下端设有出料口(11)，所述两个压力传感器(12)相对放置形成出料口(11)，所述计量腔(13)与外壳(14)连接。其将结构复杂，在线操控性差。

CN105865546A为解决现有固体流量计的陶瓷管破裂时造成压力、粉尘泄漏的问题而设计，该固体流量计安装结构为，输送管道上设置有金属外壳以及与金属外壳连接的电器盒，金属外壳内设置有固体流量计，固体流量计的陶瓷管与金属外壳之间形成密封，固体流量计的测量电极与电器盒内的电路板连接，固体流量计与电器盒之间设置有密封隔离件，测量电极经密封隔离件连接电路板，密封隔离件用于将固体流量计与电器盒之间相互隔绝。但是没有解决在线实时监测，调控的问题。

因此，现有流量计存在在线测量数据精度低、信号反馈滞后，运算效率低，在线监测条件要求苛刻等缺陷，特别是高速固体流体的检测，当大于一定流速时，运算效率低，信号滞后，不能真实反映固体流速变化。

发明内容

本发明目的在于克服上述固体流量计检测不准确、灵敏度低、实时性差、可操作性差等缺陷，提供一种微波固体流量计检测系统以及装置，通过设置FPGA、锁相环路，实现流量信息的准确测量、监控，灵敏度高，抗干扰能力强、易操控，可以对固体输送进行实时监控。

根据本发明一方面，提供一种微波固体流量计检测系统，包括多普勒回波采集模块、传感板、转换板、上位机，其特征在于，传感板包含A/D模数转换模块、滤波降采样模块、FPGA信号处理系统；转换板用于将数字信号转为电流信号，进行电流输出，作为显示装置的信号源。所述FPGA信号处理系统用于时域与频域信号的转换、速度的平滑处理、恒虚警处理以及流量值统计。将高精度芯片采集到的含有多普勒信息的I、Q模拟信号，转换为数字信号，作为FPGA数字信号处理系统的信号源。

优选地，所述多普勒回波采集模块为射频收发一体化结构，用于信号的发射和接收，具体采用收发一体化芯片，用于信号的发射和接收；电压控制芯片内部的锁相环产生稳定的载波信号，通过波导管发射出去，再将含有载波和多普勒频率的回波信号接收回来，通过LNA和混频器正交处理之后，滤出载波信号，产生只含有多普勒信息的I、Q正交信号，用于后续的处理。

优选地，所述多普勒回波采集模块包括晶振、锁相环路、CPLD、收发一体化芯片、微波探头。采用锁相环电路，不受温度的影响，可以通过软件改变微波头的发射功率和频率。

优选地，系统含有抗混叠滤波器，进行滤波、降采样处理。

优选地，所述上位机通过与转换板和传感板之间通信，控制转换板和传感板对应的工作机制。

优选地，上位机用于发送指令和参数给FPGA用来控制其工作机制，同时接收数据用于显示。

根据本发明另一方面，提供一种微波固体流量计检测装置，包括传感器本体、电器盒、上位机，其特征在于，电器盒含有转换板，传感器本体连接探头，流量计探头固定在待测固体流量管路的壁上，探头与固体流动方向夹角15°<θ<90°或90°<θ<165°，上位机与转换板连接。

优选地，所述探头与固体流动方向夹角30°<≦θ≦<60°，进一步优选45°。通过调整探头与固体流动方向夹角，控制微波场，最大化固体流体与微波场的有效采集面积，降低回波反射信号对锁相环路的干扰，提高多普勒回波采集精度。

优选地，多探头采用水平环阵、垂直线阵、环形垂直阵进行排列设置。

优选地，多探头结构，探头单独采集多普勒回波信号，互不干扰，每个探头对应于独立的信号处理器，处理后的信号汇集于同一个转换板进行信号的数模转换。

优选地，FPGA配置为主动串行模式、被动串行模式、JTAG模式。

优选地，还含有4-20mA电路环。

根据本发明另一方面，提供一种固体流量检测的方法，包括以下步骤，采集多普勒回波；将回波进行A/D模数转换；对数字信号进行滤波处理、降采样；通过数字信号处理系统进行快速傅里叶FFT计算，计算幅度谱；通过速度谱得到固体流动速度、流量值参数；定标处理，标定固体流量值与速度之间的关系，将得到的值转换为相应的电流信号输出，进行数据显示。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用微波固体流量计检测流体的速度、流量等，该装置、系统含有FPGA数字信号处理系统，收发一体化多普勒回波采集系统，锁相环电路，对信号多次进行滤波、平滑处理，实现流量信息的准确测量、监控，灵敏度高，抗干扰能力强、易操控，可以对固体输送进行实时监控。特别是高速固体流体的检测，当大于一定流速时，高的运算效率，能确保真实反映固体流速变化，例如当流速大于1.5t/h时，该检测系统能够实时反映固体流量的变化。

微波固体流量计采用先进的传感以及微波技术，通过控制系统在线进行闭环控制，保证了给料管内流量的实时准确监测，优化输送系统以及燃烧条件。采用FPGA，同时采用高速AD采集芯片，高速采集微波头过来的信号，并进行复杂的算法，对信号进行信号处理，可在线测量和储存物料的流量，且可根据需要，建立输送规则。而采用锁相环电路，不受温度的影响，可以通过软件改变微波头的发射功率和频率。并且可以根据物料实时流量，控制添加剂的量，稳定产品的质量，降低了成本。通过调整探头与固体流动方向夹角，控制微波场，最大化固体流体与微波场的有效采集面积，提高多普勒回波采集精度。采用微波固体流量计进行在线测量，物料输送量变得清楚透明且可随意调整比例，实现系统的连续工作。

附图说明

图1为微波固体流量计检测系统示意图

图2为信号处理系统示意图

图3为探头与流量通道的安装示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细介绍本发明的内容。图1为微波固体流量计检测系统示意图。

本发明提出的一种微波固体流量计检测系统，包括多普勒回波采集模块、传感板、转换板、上位机，其中传感板包含A/D模数转换模块、滤波降采样模块、FFT变换和幅度谱计算模块，转换板用于将数字信号转为电流信号，进行电流输出，作为显示装置的信号源。其系统示意图如图1所示，包括微波头，A/D模数转换，滤波降采样，快速傅里叶FFT计算，幅度谱计算，流量、速度、浓度等参数计算。

实施例1

一种微波固体流量计检测系统：包括三个独立的多普勒回波采集模块、传感板、转换板、上位机，传感板包含A/D模数转换模块、滤波降采样模块、三个FPGA信号处理系统、RS485通信模块。

FPGA信号处理系统用于时域与频域信号的转换、速度的平滑处理、恒虚警处理以及流量值统计。将高精度芯片采集到的含有多普勒信息的I、Q模拟信号，转换为数字信号，作为FPGA数字信号处理系统的信号源。转换板用于将数字信号转为电流信号，进行电流输出，作为显示装置的信号源。三个FPGA信号处理模块通过RS485总线与转换板进行连接，逻辑运算模块将运算结果输送给转换模块，进行数模转换，转换模块与控制模块连接，进参数的显示。上位机用于发送指令和参数给FPGA用来控制其工作机制，同时接收数据用于显示。采用抗混叠滤波器，进行滤波、降采样处理。

多普勒回波采集模块为射频收发一体化结构，用于信号的发射和接收，具体采用收发一体化芯片，用于信号的发射和接收；包括晶振、锁相环路、CPLD、收发一体化芯片、微波探头。采用锁相环电路，不受温度的影响，可以通过软件改变微波头的发射功率和频率。电压控制芯片内部的锁相环产生稳定的载波信号，通过波导管发射出去，再将含有载波和多普勒频率的回波信号接收回来，通过LNA和混频器正交处理之后，滤出载波信号，产生只含有多普勒信息的I、Q正交信号，用于后续的处理。

实施例2

一种微波固体流量计检测装置：包括传感器本体、电器盒、上位机，其特征在于，电器盒含有转换板，传感器本体连接三个探头，采用水平环阵进行排列设置，流量计探头固定在待测固体流量管路的壁上，倾斜安装，探头与固体流动方向夹角45°，通过调整探头与固体流动方向夹角，控制微波场，最大化固体流体与微波场的有效采集面积，降低回波反射信号对锁相环路的干扰，提高多普勒回波采集精度，探头单独采集多普勒回波信号，互不干扰，每个探头对应于独立的信号处理器，处理后的信号汇集于同一个转换板进行信号的数模转换。上位机与转换板连接。转换板同时连接4-20mA电路环。将AD转换后的数字信号通过FPGA进行信号处理，通过EEPROM进行数据存储和锁定，包括前置放大，AD采样，波形变换，然后发射信号给转换板进行信号变换，FPGA配置为主动串行模式。

本发明微波固体流量计采用FPGA数字信号处理系统，可在线测量和储存物料的流量，且可根据需要，建立输送规则。并且可以根据物料实时流量，控制添加剂的量，稳定产品的质量，降低了成本。采用微波固体流量计进行在线测量，物料输送量变得清楚透明且可随意调整比例，实现系统的连续工作。

本文中的具体实施方式仅是本发明的几个比较典型实施例，但是这样的描述并不用来以任何方式限定本发明，凡是本权利要求所保护的微波固体流量计信号处理方法以及系统范畴内均属于本发明范畴。

Claims (10)

1.一种微波固体流量计检测系统，包括多普勒回波采集模块、传感板、转换板、上位机，其特征在于，传感板包含A/D模数转换模块、滤波降采样模块、信号处理系统；转换板用于将数字信号转为电流信号，进行电流输出，作为显示装置的信号源。

2.如权利要求1所述的系统，所述信号处理系统为FPGA，用于时域与频域信号的转换、速度的平滑处理、恒虚警处理以及流量值统计。

3.如权利要求2所述的系统，将高精度芯片采集到的含有多普勒信息的I、Q模拟信号，转换为数字信号，作为FPGA数字信号处理系统的信号源。

4.如权利要求1所述的系统，所述多普勒回波采集模块包括晶振、锁相环路、CPLD、收发一体化芯片、微波探头。

5.如权利要求2所述的系统，所述多普勒回波采集模块为射频收发一体化结构，采用收发一体化芯片，用于信号的发射和接收；电压控制芯片内部的锁相环产生稳定的载波信号，通过波导管发射，接收含有载波和多普勒频率的回波信号，通过LNA和混频器正交处理，滤出载波信号，产生只含有多普勒信息的I、Q正交信号，用于后续的处理。

6.一种供权利要求1所述微波固体流量计检测系统运行的装置，包括传感器本体、电器盒、上位机，其特征在于，电器盒含有转换板，传感器本体连接探头，流量计探头固定在待测固体流量管路的壁上，探头与固体流动方向夹角15°<θ<90°或90°<θ<165°，上位机与转换板连接。

7.如权利要求6所述的装置，所述探头与固体流动方向夹角30°≦θ≦60°，进一步优选45°。

8.如权利要求6-7所述的装置，所述探头不止一个，且采用水平环阵、垂直线阵、环形垂直阵进行排列设置。

9.一种利用权利要求1所述一种微波固体流量计检测系统检测固体流量的方法，包括以下步骤，采集多普勒回波；将回波进行A/D模数转换；对数字信号进行滤波处理、降采样；通过数字信号处理系统进行快速傅里叶FFT计算，计算幅度谱；通过速度谱得到固体流动速度、流量值参数；定标处理，标定固体流量值与速度之间的关系，将得到的值转换为相应的电流信号输出，进行数据显示。

10.如权利要求9所述的方法，所述信号处理系统为FPGA,采用FPGA用于时域与频域信号的转换、速度的平滑处理、恒虚警处理以及流量值统计。