CN109489747B - 一种基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法 - Google Patents

Abstract

为了使基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法能够适用于不同介质和工况，针对其在不同的应用现场所面对的浆液噪声强度不同的问题，在每一次傅里叶变换后，计算两个相邻的奇次谐波幅值的比值，除以理想方波情况下该相邻奇次谐波的幅值比得到A_i(i＝1,2,3…)，以A_i的均值和方差来判断奇次谐波受浆液噪声干扰的程度，从而选择出一个受浆液噪声干扰较小的奇次谐波来反映流量信号的大小。针对水标定时存在零点过大的问题，先利用同相位相减来消除工频干扰，然后再用稳态段数据的值来替换微分干扰段数据，从而实现去除微分干扰并同时避免引入工频干扰。该方法可应用于水流量和纸浆流量的测量，并针对不同的测量对象可选择最合适的参数。

Description

一种基于谐波分析的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，特别是涉及一种基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法。

背景技术

电磁流量计因其测量管道内无阻挡体，且测量不受流体密度、温度和压力的影响的特点，广泛应用于化工、冶金和造纸等行业。在使用电磁流量计测量浆液流量信号时，由于导电液体中存在着固体颗粒随机划过电极，从而导致电极输出的感应电动势信号发生跳变，导致流量测量错误。日本东芝株式会社采用高激励频率电磁流量计来解决浆液流量噪声问题，但是，高励磁频率不利于信号零点稳定性，且东芝株式会社未披露技术细节。合肥工业大学针对电磁流量计测量纸浆流量存在的问题，提出了统计分析与信号重构的处理方法(徐科军，杨双龙，王刚，梁利平等，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：2010.06.30，授权公告日：2012.07.11)，并在基于DSP的电磁流量变送器上实时实现，解决了纸浆流量的测量问题。但是，将该方法应用于水煤浆流量测量时，无法得到稳定的测量结果。到现场调研，并采集数据分析发现，测量水煤浆流量时，浆液噪声非常严重；同时，有的煤质灰分含量高，导电率低，流量信号微弱，水煤浆噪声完全淹没了流量信号。为此，合肥工业大学又提出基于谐波分析的煤浆流量信号处理方法(徐科军，汪春畅，许伟，吴建平，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，发明专利，201710707986.X，申请日：2017.08.17，授权公告日：2017.12.15)，可以从浆液噪声非常严重的电磁流量传感器输出信号中提取出流量信息，并在国内某大型煤化工企业现场稳定地测量出水煤浆流量。但是，要将这个方法推广应用，还需要解决下面两个关键技术问题。(1)选择合适的谐波幅值作为流量信号的特征量。在煤化工企业测量现场，水煤浆流量是根据生产工艺要求确定的，一般只有一个流量点，且不能改变。我们可以根据生产工艺条件来确定这个流量点与水煤浆流量信号某个特征量之间的关系。但是，在不同的工业应用现场，不同的煤浆含量导致水煤浆信号受浆液噪声干扰的程度可能不同，需要重新选择某个高次谐波的幅值作为与流速成线性关系的特征量。(2)在流量计出厂水标定时如何克服微分干扰。由于国内企业基本都不具备水煤浆标定实验条件，且国家也没有水煤浆流量标定规程，因此，国内企业采用水标定来代替水煤浆标定。但是，在进行水流量标定时，发现其零点很大，甚至比有流量时的流量信号还要大，造成测量错误。这是由于在水标定时流量信号中存在微分干扰，在零流量或小流量时，微分干扰对测量结果影响较大，因此，需要消除微分干扰对测量结果的影响。

发明内容

本发明完善了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，使其真正能够实用化，并适用于不同测量介质。(1)通过理论分析确定水煤浆信号中高次谐波幅值与流速之间的线性关系，针对在不同的水煤浆流量测量现场所面对的浆液噪声强度不同的问题，给出确定合适谐波次数的方法；(2)通过在傅里叶变换前进行去微分处理，解决傅里叶变换在水标定时零点较大的问题；(3)将该方法应用于水流量和纸浆流量的测量，验证了该方法的有效性和普遍适用性。

具体的技术解决方案如下：

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；基波和各个奇次倍励磁频率谐波的幅值与流速有着一个确定的线性关系。基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法根据输出信号的频谱特征，选取一个受浆液噪声干扰较小的奇次谐波幅值来反映流量信号的大小，从而避开浆液噪声的干扰，使得系统能够从受浆液噪声影响的信号中正确地提取出流量信息。

从时域上看水煤浆流量信号，其浆液噪声完全淹没了流量信号。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，甚至将基波幅值淹没。针对在不同的工业应用现场，因为浆液噪声干扰的程度不同，所以，需要重新选择某个高次谐波的幅值作为与流速成线性关系的特征量。在每一次对浆液流量信号进行傅里叶变换后，计算两个相邻的奇次谐波幅值的比值，除以这两个相邻的奇次谐波幅值在理想方波情况下的比值，得到每次的比值A_i(i＝1,2,3…)。以A_i的均值和方差来判断高次谐波受浆液噪声干扰的程度。比值均值越接近1且方差越小，则受浆液噪声干扰的程度越小。选取一个受浆液噪声干扰较小的高次谐波幅值来反映流量信号的大小，从而避开浆液噪声的干扰，且其幅值也与流量大小成线性关系，使得系统能够从受浆液噪声影响的信号中正确地提取出流量信号。

在水流量标定时，传感器输出信号主要由流量信号和微分干扰组成，且在零流量或小流量时微分干扰的幅值远大于流量信号幅值，所以，在零流量和小流量时微分干扰会导致傅里叶变换计算结果错误。针对水标定时存在零点过大的问题，先利用同相位相减来消除工频干扰，然后，再用稳态段数据的值来替换微分干扰段数据，从而实现去除微分干扰，并同时避免引入工频干扰。

基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法可以从浆液噪声非常严重的水煤浆流量信号中正确地提取出流量信息，那么，该方法也能够适用于浆液噪声较弱的水和纸浆流量信号。通过对水和纸浆流量信号的时频域分析，结合不同介质的测量要求，从而针对不同测量对象选择出最合适的参数，通过实验和数据处理验证这种方法的有效性和普遍适用性，从而扩展仪表的应用范围。

附图说明

图1是给定幅值为E_m的方波信号图。

图2是水煤浆流量信号波形图。

图3是水煤浆流量信号的频谱图。

图4是水流量流速为零时的信号图。

图5是水流量信号的频谱图。

图6是浆液流量信号的时域图。

图7是电磁流量计的硬件系统框图。

图8是电磁流量计的软件系统框图。

图9是电磁流量计的主监控程序流程图。

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是给定幅值为E_m的方波信号图。当电磁流量计采用方波励磁的时候，其传感器输出的感应电动势信号波形也类似于方波，且感应电动势信号的幅值与流速之间成正比关系。对于一个给定幅值为E_m、均值为E_o的方波信号，其傅里叶变换的展开式为：

式中，f_e表示基波的频率，其值等于励磁频率值。可见，方波信号是由直流分量、基波和奇次谐波叠加而成的，且基波幅值、高次谐波幅值与方波幅值之间存在着一定的比例关系。所以，基波幅值、高次谐波幅值与流速之间也成比例关系，可以通过观察基波或高次谐波的幅值来确定流量的变化。在实验中，可以通过水标定得到的仪表系数直接建立基波或高次谐波幅值与流速的线性关系，避免了中间转换带来的误差，从而可以确定输出特征量与流速之间的关系。

图2是水煤浆流量信号波形图，从中可以看到信号中的浆液噪声十分严重，水煤浆噪声完全淹没了流量信号。在不同的煤化工应用现场，不同的煤浆含量导致水煤浆流量信号受浆液噪声干扰的程度可能会不同，为保证能够从水煤浆流量信号中正确地提取出流量信号，需要根据不同情况选择某个高次谐波的幅值作为与流速成线性关系的特征量。

图3是水煤浆流量信号的频谱图。通过分析发现，该频谱图发现噪声主要集中在低频段，即基波和三、五次谐波的幅值受到浆液噪声的影响，其值变化很大；而高次谐波受浆液噪声的影响较小，其幅值波动较小。所以，可以选择高次谐波作为与流速成线性关系的特征量。一般在水煤浆流量信号频谱图靠近低频段中，选择受浆液噪声影响较小的高次谐波；通过对数据的分析，确定一个幅值波动最小的高次谐波作为该特征量。在每一次对浆液流量信号进行傅里叶变换后，计算两个相邻的奇次谐波幅值的比值，除以这两个相邻的奇次谐波幅值在理想方波情况下的比值，得到每次的比值A_i(i＝1,2,3…)。以A_i的均值和方差来判断高次谐波受浆液噪声干扰的程度，A_i的均值越接近1且方差越小，则受浆液噪声干扰的程度越小，从而选择出一个受浆液噪声干扰较小的谐波幅值来反映流量信号的大小。

以n次谐波为例(n＝1,3,5…)，相邻的高次奇次谐波的次数为n+2，用n+2次谐波幅值除以n次谐波幅值。

(1)在理想方波情况下，假设方波幅值为E_m，n次谐波幅值为

n+2次谐波幅值为

则相邻高次谐波幅值比值

(2)针对实际传感器输出的信号，经放大、滤波后，采集2048点信号进行傅里叶变换，变换完成后分别计算出n和n+2次谐波处的幅值a_n,i和b_n+2,i，则相邻高次谐波幅值比值为b_n+2,i/a_n,i；

(3)计算比值A_i：

(4)新采集80点信号，由参与前一轮傅里叶变换的2048点中的后1968点与新采集的80点组合成2048点数据进行新一轮的傅里叶变换，重复步骤(2)～(3)计算比值A_i+1；

(5)重复步骤(4)999次，得到1000个A_i(1≤i≤1000)值，计算A_i的均值和方差；

(6)更换相邻谐波，重复(1)～(5)，计算不同的相邻谐波的比值A_i，并计算A_i的均值和方差；

(7)选择出A_i的均值最接近1且方差最小的相邻谐波，并选取相邻两个奇次谐波中的较低次的谐波作为特征量。

目前，由于国内企业基本不具备水煤浆标定条件，且国家也没有水煤浆流量标定规程，因此，国内企业普遍采用水标定来代替水煤浆标定。在进行水标定时，若电磁流量计采用方波励磁方式，在励磁磁场发生换向时会导致输出信号中比可避免地产生微分干扰，且在零流量或小流量时微分干扰的幅值远大于流量信号的幅值，从而得到错误的流量信号幅值。

图4是水流量流速为零时的信号图。可见，到当流量为零时，微分干扰的值相对于实际流量信号来说是很大的。此时，若直接对输出信号进行傅里叶变换得到的结果是很大的，其值甚至比有流量时还要大，导致系统的零点特别大。随着流量的增大，微分干扰对计算结果的影响越来越小。当流量较大时，信号中的微分干扰相对于矩形波信号来说很小，此时傅里叶变换得到的结果就很接近真实的幅值。

为了避免微分干扰对计算结果的影响，需要在进行傅里叶变换之前去除微分干扰，选择稳态段数据的值来替换掉微分干扰段数据，从而消除微分干扰。但是，由于电网中交变的电磁场导致流量信号中不可避免地叠加了工频干扰，且工频干扰的影响较大，因此，需要在去微分干扰时避免带入工频干扰。当励磁频率为25Hz时，由于信号半周期时间正好等于工频干扰的周期20ms，因此，不同半周期信号的第i点处(1≤i≤20)的工频干扰在相位上是相同的，此时选择利用同相位相减来避免引入工频干扰。具体地，以当前半周期信号幅值减去下一个半周期幅值，再除以2，得到新的当前半周期信号的幅值，从而在去除微分干扰的同时避免引入工频干扰。

基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法可以从浆液噪声非常严重的水煤浆信号中正确地提取出流量信息，那么对于比浆液噪声干扰弱得多的水流量和浆液流量信号来说，该方法也是有效的。通过对水和纸浆信号的时频域分析，结合不同介质的测量要求，从而针对不同测量对象选择出最合适的参数。

图5是水流量信号的频谱图。可见，水流量信号中的干扰噪声很小，几乎不对基波或者高次谐波的幅值产生影响。由于基波幅值相对于高次谐波来说在频谱中占到了最大的分量，微小噪声对基波幅值的影响很小，因此，选择用基波来确定输出与流速之间的关系最为合适。由于水流量信号中的干扰噪声很小，因而FFT(快速傅里叶变换)移位点数对于最终结果的影响很小，可以根据响应速度等指标选择一个合适的移位点数。

图6是浆液流量信号的时域图。电磁流量计测量纸浆时，纸浆中的固体颗粒随着纸浆的流动随机地划过电极，使得电极输出的感应电动势信号发生尖峰突变。通过频谱分析发现，浆液噪声与励磁频率的倒数1/f成比例关系，浆液噪声主要集中在低频段。因此，提高励磁频率有助于降低浆液噪声带来的影响，将励磁频率值设为25Hz。通过计算比值A_i的均值和方差可以确定选择基波作为与流速成线性关系的特征量是最合适的。在相同流速下，采用基波计算得到的结果相较于三次谐波和五次谐波得到的结果其波动率更小，因此，可以验证选择基波作为与流速成线性关系的特征量最合适。

在工业应用中，纸浆测量的主要要求为稳定测量和快速跟随，一般要求测量结果的稳态波动率不超过5％，流量变化的响应时间不超过5秒。当纸浆中的固体颗粒划过电极时导致输出信号发生跳变，此时，傅里叶变换得到的基波幅值也发生变化，导致计算结果波动变大。为降低稳态波动率，通过增大傅里叶变换移位点数使2048点数据快速通过跳变信号段，减小受跳变信号影响的基波幅值的个数，同时再对基波幅值进行滑动中位值滤波处理，滤除基波幅值中的异常值，从而降低计算结果的波动。但是，移位点数增大后会导致系统响应时间的增加。综合考虑后，最终选择移位点数为信号整周期点数的2倍。当励磁频率为25Hz时，整周期点数为20点，因此，移位点数为80点。

图7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、数字信号处理和控制模块、人机接口模块、输出模块和通信模块组成。其中，励磁驱动模块包括励磁控制电路、H桥电路、检流电路、A/D2(模数转换器2)；信号调理采集模块包括调理电路、D/A(数模转换器)、偏置调整电路、A/D1(模数转换器1)和空管脉冲电路；数字信号处理与控制模块包括TMS320F28335芯片、外扩静态随机存储器(SRAM)和铁电存储器(FRAM)；人机接口电路包括液晶和按键；输出模块包括脉冲输出、电流输出；通信模块采用RS485通信。其中，A/D1和A/D2是同一块模数转换器芯片ADS1255上的两路模拟转换通道。ADS1255支持两路模拟输入同时进行采样，因此，A/D1和A/D2对应同一个中断。

DSP通过ePWM3A和ePWM4A(增强型脉冲宽度调制)产生PWM信号，经励磁控制模块输出控制信号，控制H桥电路的开启和关断以产生方波励磁信号。一次仪表输出的感应电动势经过调理电路的放大、滤波和整形，检流电阻将励磁电流转换为电压，两路信号分别送入A/D1和A/D2中转换为数字信号，并通过多通道缓冲串口(McBSP)发送到TMS320F28335DSP芯片中进行数字信号的处理和计算，得到瞬时流量和累计流量，最后通过DSP的脉冲输出模块和电流输出模块输出相应的脉冲和-20mA电流，并将计算结果显示液晶上。

图8是电磁流量计软件系统框图，采用模块化方式设计，主要包括主监控程序、初始化模块、中断模块、看门狗模块、人机接口模块和算法模块。主监控程序负责调用各个模块，是一个不断循环的过程，从而实现对信号的持续处理和计算。初始化模块包括系统初始化、GPIO初始化(通用输入/输出口)、外设初始化和算法初始化，完成对DSP系统、GPIO和片内外设的配置，并对算法模块的变量参数进行初始化。中断模块包括A/D采样中断、定时器0中断、励磁中断和RS485中断；A/D采样中断是A/D1和A/D2的共用中断，用于读取采集到的数字信号并进行保存；定时器0中断完成脉冲和4-20mA电流输出；励磁中断主要实现方波信号的输出。RS485通讯模块实现DSP与上位机之间的通讯。看门狗模块用于对主监控程序进行监控，防止程序跑飞。人机接口模块实现液晶刷新、显示切换和参数的修改。算法模块用于实现基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法，并计算得到流量信号幅值和流速等信息。

图9是电磁流量计主监控程序流程图。(1)上电后，系统首先进行初始化，包括DSP系统、中断、外设和仪表参数等，在ADS1255的配置中将A/D1和A/D2配置为同步采样；接着，DSP开始输出励磁信号，开启定时器中断，A/D1和A/D2开始采样。(2)每一次A/D1和A/D2转换完成后，将数字信号通过McBSP发送给DSP，在McBSP数据接收中断中将数据实时存储到SRAM中的数据缓冲数组中，当McBSP接收完一个完整信号周期的信号后，将相应标志位置位，执行去微分程序。将去微分后信号赋值给一个缓冲数组，并保存在SRAM中。(3)当去微分后的数据长度等于2048点时，开始调用算法模块，对数据进行快速傅里叶变换、频谱校正、中位值滤波，计算得到流量信号的感应电动势幅值，结合仪表系数得到瞬时流量。(4)将结果显示在液晶上，若达到相应刷新时间后，刷新结果。扫描按键，判断有无按键标志位置位。若有，则执行相应按键功能。(5)经过去微分处理，采集到新的80点数据后，与参与前一轮FFT运算的2048点中的后1968点组成新的2048点数据，调用算法模块计算流量；否则，执行步骤(4)。(6)在定时时间为200ms的定时器0中断服务程序中，进行流量累加，得到累积，并根据瞬时流量值输出4-20mA电流或相应的脉冲。

Claims (4)

1.一种基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

根据输出信号的频谱特征，选取一个受浆液噪声干扰较小的奇次谐波幅值来反映流量信号的大小，从而避开浆液噪声的干扰，使得系统能够从受浆液噪声影响的信号中正确地提取出流量信息；

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；基波和各个奇次倍励磁频率谐波的幅值与流速有着一个确定的线性关系，通过观察基波或高次谐波的幅值来确定流量的变化；通过水标定得到的仪表系数直接建立基波或高次谐波幅值与流速的线性关系，避免了中间转换带来的误差，从而确定输出特征量与流速之间的关系；

在每一次对浆液流量信号进行傅里叶变换后，计算两个相邻的奇次谐波幅值的比值，除以这两个相邻的奇次谐波幅值在理想方波情况下的比值，得到每次的比值A_i(i=1,2,3…)；以A_i的均值和方差来判断高次谐波受浆液噪声干扰的程度；选取一个受浆液噪声干扰较小的高次谐波幅值来反映流量信号的大小，从而避开浆液噪声的干扰，且其幅值也与流量大小成线性关系，使得系统能够从受浆液噪声影响的信号中正确地提取出流量信号；

针对水标定时存在零点过大的问题，先利用同相位相减来消除工频干扰，然后再用稳态段数据的值来替换微分干扰段数据，从而实现去除微分干扰并同时避免引入工频干扰；通过对水和纸浆流量信号的时频域分析，结合不同介质的测量要求，从而针对不同测量对象选择出最合适的参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

为了避免微分干扰对计算结果的影响，需要在进行傅里叶变换之前去除微分干扰，选择稳态段数据的值来替换掉微分干扰段数据，从而消除微分干扰；但由于电网中交变的电磁场导致流量信号中不可避免地叠加了工频干扰，且工频干扰的影响较大，因此，需要在去微分干扰时避免带入工频干扰；具体地，以当前半周期信号幅值减去下一个半周期幅值，再除以2，得到新的当前半周期信号的幅值，从而在去除微分干扰的同时避免引入工频干扰。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

通过对水和纸浆信号的时频域分析，结合不同介质的测量要求，从而针对不同测量对象选择出最合适的参数；水流量信号中的干扰噪声很小，几乎不对基波或者高次谐波的幅值产生影响；由于基波幅值相对于高次谐波来说在频谱中占到了最大的分量，微小噪声对基波幅值的影响很小，因此，选择用基波来确定输出与流速之间的关系最为合适。

4.根据权利要求1所述的一种基于谐波分析的电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

浆液噪声主要集中在低频段，因此，提高励磁频率有助于降低浆液噪声带来的影响，将励磁频率值设为25Hz，通过计算比值A_i的均值和方差可以确定选择基波作为与流速成线性关系的特征量是最合适的；为降低稳态波动率，通过增大傅里叶变换移位点数使2048点数据快速通过跳变信号段，减小受跳变信号影响的基波幅值的个数，同时再对基波幅值进行滑动中位值滤波处理，滤除基波幅值中的异常值，从而降低计算结果的波动，但是，移位点数增大后会导致系统响应时间的增加，最终选择移位点数为信号整周期点数的2倍。

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