CN109708709A - 一种微波固体流量计信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种微波固体流量计信号处理方法，包括多普勒回波采集、滤波降采样模块、FFT变换和幅度谱计算，速度平滑处理、流量值统计、定标处理。采用以上方法对微波固体流量计信号进行处理，对信号进行多次过滤、平滑处理，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，特别是高速流体的检测，能够实时准确的反映固体流量变化，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信号处理方法

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计的信号处理方法，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24GH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，CN102116652A公开了一种微波流量计，包括微波信号源、微波传感器和信号预处理电路及信号处理电路，两个接收传感器分别将接收到的信号转换成电信号；经射频放大电路、解调电路从中解调出低频调制信号后，这两个信号再经过低通滤波器滤除高频噪声、低频放大电路；之后送到模/数转换器进行模/数转换，并将这些数据传送到上位机；最后对两路接收的低频噪声信号进行相关算法处理，从而得到流速，进而得到流量、累计流量等所需最终数据信息。其将通过上位机进行相关测量参数的计算，不能实时计算，信号滞后，并且计算量大、运算效率低，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。

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。

发明内容

本发明目的在于克服上述固体流量计测量不准确、灵敏度低、实时性差等缺陷，特别是高速固体流体的检测，运算效率低，信号滞后，不能真实反映固体流速变化的技术问题，提供一种微波固体流量计的信号处理方法，对信号进行多次过滤、平滑处理、统计、标定，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，提供一种固体流量计信号处理方法，一种微波固体流量计信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集多普勒回波；

(2)将回波进行A/D模数转换；

(3)对数字信号进行滤波处理、降采样；

(4)通过FPGA进行快速傅里叶FFT计算，计算幅度谱；

(5)速度平滑处理，得到固体流动速度、流量值参数；

(6)对检测时间段内的瞬时流量值进行平均处理，将大于U_T的流量值和零值视为不稳定的瞬时流量值，去除，U_T为流量门限值，计为Q_ave为流量平均值；

(7)对小于流量门限值U_T的流量值进行统计处理；

(8)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。

具体为，将采集的回波进行A/D模数转换，转换后的数字信号作为数字信号处理系统信号源，将数字信号进行滤波、降采样处理，减少数据处理量，并对降采样的数据进行缓存，进而进行快速傅里叶FFT计算，将时域信号转换为频域信号，根据频域信号实部re与虚部im，计算出幅度谱利用幅度谱来计算流动固体速度、浓度、流量参数，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输出，作为显示仪器的输入源，用于相应仪器显示数据。

优选地，采用FPGA进行数字信号处理，通过高精度芯片采集含有多普勒信息的I、Q模拟信号，将其转换为数字信号，作为FPGA数字信号处理系统的信号源。将所计算的数据传输到转换板和上位机，转换板将数据进一步处理，转换为电流，用于相应仪器显示数据；上位机用于发送指令和参数给FPGA用来控制其工作机制，接收数据用于显示。

优选地，其中多普勒回波采用多探头进行采集，探头数为n，n＝2、3、4、5、6、7.....n，其中n为整数。

优选地，其中通过抗混叠滤波器进行滤波、降采样处理。

优选地，其中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，多普勒回波采集过程为，系统加电初始化工作时，晶振输出参考信号，该信号提供给集成锁相芯片做锁相环路的参考，同时提供给CPLD做时钟信号，CPLD根据外部数字接口输入控制指令初始化锁相环路，同时对收发一体化芯片进行功率电平控制，通过前端波导口进行微波射频收发。

优选地，通过高精度芯片采集多路含有多普勒信息的I、Q模拟信号，将其转换为数字信号，作为FPGA数字信号处理系统的信号源。

优选地，对速度平滑处理：

根据速度和多普勒频率的关系式其中λ为发射信号的波长，可以求得瞬时速度，但是这样计算出来的瞬时速度不是稳定和连续的，需要在频域内进一步进行平滑处理以达到稳定和连续的目的。

采用频域内统计平均的方法来达到平滑目的；用幅度谱S(f)与相应频点f_d乘积的积分值除以幅度谱S(f)积分值作为速度的统计平均，其频域统计平均关系式如下

其中f_dmin和f_dmax是信号多普勒宽带的下限和上限频率，需根据实际情况适当调节；理论上多普勒宽带应该是从零至最大值；但是在实际中，由于物料和工况的差异，需要根据具体情况做出适当的调节，f_dmin和f_dmax可以通过上位机软件进行更改，多普勒宽带的典型范围为200KHz至800KHz，这一频段测试效果较好。

平滑处理的速度：

流量值的计算：功率谱的积分值与速度的乘积作为瞬时流量值；其中用幅度谱S(f)的平方计算功率谱；由于回波信号中高频分量相对于中、低频信号幅度较小，高频信号的作用很容易被忽略，所以需要进行加权处理，k为加权系数，高频信号的k较大，低频信号的k较小。其关系式如下所示：

其中，Q为瞬时流量值，k为加权系数，S(f)为幅度谱，f_dmin和f_dmax是信号多普勒宽带的下限和上限频率，v为速度。

加权处理的方法：在不同的物料和工况条件下，利于FPGA的Chipscope软件多次测试回波信号幅度谱中各个信号频率幅度的大小，找出回波信号的频率范围，将频率范围分为几个区间，例如：高频区间、中频区间和低频区间；根据每个区间信号频谱幅度的大小和测试结果，配置相应的加权系数k；k的典型值，低频区间为0.8，中频区间为1，高频区间为1.5。

多普勒宽带：根据物料和工况的差异，多普勒宽带也需要进行适当的调节；其中f_dmin和f_dmax可以通过上位机软件进行更改，多普勒宽带的典型范围为200KHz至800KHz，这一频段测试效果较好。

在实验测试的过程中，通过曲线记录仪观测到流量值的曲线会有尖峰的现象，即有突变的瞬时流量值出现，影响测量的效果，所以采取自适应门限的恒虚警处理方法解决这一问题。以瞬时流量值为基础进行统计平均，设置流量门限值U_T，当Q≥U_T时，瞬时流量视为干扰信号，将其忽略不做输出。当Q＜U_T时，且不等于0，瞬时流量值正常输出，从而得到最佳的流量值Q，增加数据的可靠性。

流量门限值U_T确定方法:取一段时间内的瞬时流量值进行平均处理，平均值为Q_ave，选取作为流量门限值U_T，将大于等于U_T的流量值和零值舍去，视为不稳定的瞬时流量值。

流量的统计处理：由于恒虚警处理后的瞬时流量值是不连续的，所以需进行统计平均处理，以固定个数点的流量值成组，优选16个流量值为一组，进行平均处理，以达到平滑数据的目的。

由于FPGA处理数据速率快，显示仪器不能及时显示所处理的流量值，所以用多个fifo将连续的流量值数据流进行缓存，在将多个fifo的数据再做一次统计平均处理，作为最终的输出流量值，以达到匹配显示仪器的刷新率和再次平滑的目的。

定标：输出的流量值反应的是实际固体流量的变化趋势，并不是真正的流量值，所以需要定标处理。根据物料和工况的不同，多次试验，根据称重计测试的真实固体重量和曲线记录仪显示的流量值进行多次校准，使曲线记录仪的结果与称重计的结果一致，达到定标的效果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明中采用含有FPGA数字信号处理系统，收发一体化多普勒回波采集系统，进行多次的过滤、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，通过完善各模块设计，实现流量的精确计量。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。特别是在信号处理过程中，通过速度平滑处理、恒虚警处理以及流量统计、定标方式，实现了流量的精确测量和准确控制。

附图说明

图1为信号处理流程意图

图2为固体流量监测变化曲线

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为信号处理流程意图。

流量计信号处理的基本流程为：射频前端完成射频信号发射以及含有多普勒信息的回波接收，同时直接下变频为基带信号。信号处理板将含有多普勒信息的基带信号进行处理和AD采样。FPGA对采样后的数字信号进行抗混叠降采样以降低数据处理量和噪声的干扰，然后进行FFT和幅度谱的计算，为后续处理做准备。之后再进行速度的统计平均和流量值的计算，并运用恒虚警的处理方法，滤出突变的流量值，最后进行流量的统计处理和定标。

信号处理部分主要在传感板实现，包含AD转换/采样、降采样和滤波处理、FFT变换和幅度谱的计算，用于计算流量值、浓度值和速度值；

信号转换部分主要在转换板实现，转换板接收到传感板的流量值、浓度值和速度值，将其做平均处理之后，转换为相应的电流输出，作为显示仪器的输入源。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。

实施例1

一种微波固体流量计信号处理方法，包括以下步骤：

(1)采用三探头采集多普勒回波，通过AD9251高精度芯片采集3路含有多普勒信息的I、Q模拟信号；

(2)将回波进行A/D模数转换；将采集到的多普勒回波模拟信号转换为14位位宽的数字信号，作为FPGA数字信号处理系统的3路信号源；

(3)对数字信号进行滤波处理、降采样，其中AD的采样率为1MHZ，通过抗混叠滤波器的设计，将3路AD的数据率从1MHZ降低为2.5KHZ，减少数据处理量，并对降采样的3路的数据进行缓存；

(4)通过FPGA进行快速傅里叶FFT计算，进行时域与频域的转换，计算幅度谱，以 16HZ的频率进行4096点的FFT变换，并计算出幅度谱，

(5)速度平滑处理，得到固体流动速度、流量值参数，具体为：

首先，在频域内进一步进行平滑处理以达到稳定和连续的目的，其频域统计平均关系式如下

其中f_dmin和f_dmax为信号多普勒宽带的下限和上限频率，f_dmin＝200KHz，f_dmax＝800KHz；

其次，计算平滑处理的速度：λ为发射信号的波长，优选24GH高频微波；

最后，进行流量值的计算：功率谱的积分值与速度的乘积作为瞬时流量值；其中用幅度谱S(f)的平方计算功率谱；由于回波信号中高频分量相对于中、低频信号幅度较小，高频信号的作用很容易被忽略，所以需要进行加权处理，k为加权系数，高频信号的k较大，低频信号的k较小。其关系式如下所示：

其中，Q为瞬时流量值，k为加权系数，S(f)为幅度谱，f_dmin和f_dmax是信号多普勒宽带的下限和上限频率，f_dmin＝200KHz，f_dmax＝800KHz，v为速度；

其中，加权处理：利于FPGA的Chipscope软件多次测试回波信号幅度谱中各个信号频率幅度的大小，找出回波信号的频率范围，将频率范围分为高频区间、中频区间和低频区间；根据每个区间信号频谱幅度的大小和测试结果，配置相应的加权系数k，低频区间为0.8，中频区间为1，高频区间为1.5；

(6)对检测时间段内的瞬时流量值进行平均处理，将≧U_T的流量值和零值视为不稳定的瞬时流量值，去除，U_T为流量门限值，计为Q_ave为流量平均值；

(7)对小于流量门限值U_T的流量值进行统计处理；由于恒虚警处理后的瞬时流量值是不连续的，所以需进行统计平均处理，以16个数点的流量值成组，进行平均处理，以达到平滑数据的目的。

(8)将三探头测量得到的相应数据进行加权平均，最终稳定测量值；

(9)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。

实施例2

一种微波固体流量计信号处理方法，具体处理过程如同实施例1，固体介质为氧化铝粉，此外，具体的，采用BGT24MTR11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24GHZ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24GHZ的载波信号，产生只含有多普勒信息的I、Q正交信号。通过RS485将所计算的数据传输到转换板和上位机，转换板将数据进一步处理，转换为电流，用于相应仪器显示数据；上位机既可以发送指令和参数给FPGA用来控制其工作机制，也可以接收数据用于显示。

本发明微波固体流量计采用FPGA数字信号处理系统，进行多次过滤、平滑、统计平均处理，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。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。如图2所示，为固体流量监测变化曲线，以氧化铝粉为监测对象，对比于传统固体流量计，采用本发明信号处理方法后得到的固体流量监测曲线，更真实、准确反应实时在线流量变化状况，当固体流量小于1.5t/h时，传统的固体流量监测曲线、本发明微波固体流量监测曲线与在线固体添加量变化曲线基本上一致，而随着添加速度的提升，传统固体流量监测曲线变化显著，不能实时反映在线流量变化状况，而本发明微波固体流量监测曲线与在线固体添加量变化曲线始终保持一致，实时准确的反映在线流量变化曲线。

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的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集多普勒回波；

(2)将回波进行A/D模数转换；

(3)对数字信号进行滤波处理、降采样；

(4)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；

(5)速度平滑处理，得到固体流动速度、流量值参数；

(6)对检测时间段内的瞬时流量值进行平均处理，将≧U_T的流量值和零值视为不稳定的瞬时流量值，去除，U_T为流量门限值，计为Q_ave为流量平均值；

(7)对小于流量门限值U_T的流量值进行统计处理；

(8)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。

2.如权利要求1所述的方法，所述速度平滑处理，采用频域统计平均方法进行，其频域统计平均关系式如下

其中f_dmin和f_dmax为信号多普勒宽带的下限和上限频率，S(f)为幅度谱。

3.如权利要求2所述的方法，其中幅度谱与频域信号存在以下关系，S(f)为幅度谱，re与im分别为频域信号实部与虚部。

4.如权利要求2或3所述的方法，平滑处理的速度为：λ为发射信号的波长。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，所述瞬时流量值为功率谱的积分值与速度的乘积，功率谱为幅度谱S(f)的平方，关系式如下所示：

其中，Q为瞬时流量值，k为加权系数，S(f)为幅度谱，f_dmin和f_dmax是信号多普勒宽带的下限和上限频率，v为速度。

6.如权利要求5所述的方法，所述加权系数k根据每个区间信号频谱幅度的大小和测试结果配置，低频区间为0.8，中频区间为1，高频区间为1.5。

7.如权利要求1所述的方法，其中通过抗混叠滤波器进行滤波、降采样处理。

8.如权利要求1所述的方法，采集多普勒回波过程为：系统初始化后，晶振输出参考信号，将该信号同时提供给集成锁相芯片、CPLD，分别作为锁相环路的参考信号、CPLD的时钟信号，CPLD初始化锁相环路、同时电平控制收发一体化芯片功率，通过前端波导口进行微波射频收发。

9.如权利要求1所述的方法，所述数字信号处理系统为FPGA，采用高精度芯片采集多路含有多普勒信息的I、Q模拟信号，将其转换为数字信号，作为FPGA数字信号处理系统的信号源。

10.如权利要求1所述的方法，所述步骤(7)的流量值统计处理，以固定个数点的流量值成组，进行平均处理，得到平滑数据。