CN109781195A - 一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法，包括激励线圈（1）、信号电极（3）、DSP微处理系统（7）、激励驱动模块（6）、信号预处理模块（4）和信号调理模块（5）。本发明采用双频励磁方式，综合低频励磁的零点稳定和高频励磁的响应速度快以及抑制钻井液干扰能力强的优点。在信号提取与处理方面，硬件系统选用当下性能更优的数字信号处理器件（DSP），同时通过优化滤波算法和流量信号提取算法，有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及井下钻井液流量测量技术领域，尤其涉及一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法。
背景技术
基于法拉第电磁感应定律的电磁流量计是一种根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的电磁测量仪表。因其特有的高精度、高稳定性、快响应、小型化等性能特点,已成为流量测量技术中使用最广泛、产品附加值最高的流量仪表之一,是冶金、电力、石化、食品、医药和环保等工业过程中最重要的自动化仪表之一,在国民经济中占有重要的地位。随着我国石油天然气勘探开发领域的扩大，地下钻井作业的严酷环境不仅促进了对钻井液的研究和开发；也迫使生产企业在适用于钻井环境中的钻井液的前提下研发出新型电磁流量计，为市场提供产品性能更优的电磁流量计。本发明将从两方面着手对流量计进行性能优化，一方面为励磁技术的优化，另一方面则是对信号提取方法的优化。
在励磁技术方面，目前国内外厂家普遍采用低频矩形波励磁方式,低频励磁技术能够保证流量计的零点稳定性及精度，但低频励磁技术不仅降低了测量速度,使得低频电极式电磁流量计无法更好的满足当今工业现场的技术要求，同时低频励磁型电磁流量计对于测量液固两相导电性液体也存在突出问题。而基于高频励磁技术的电磁流量计具有测量反应速度快且能够应用实际环境中的浆液测量，但高频励磁技术的零点稳定性较差，且测量误差偏大。但是如果能够综合低频励磁的零点稳定和高频励磁的响应速度快以及抑制浆液干扰能力强的优点，将大大有益提高电磁流量计信噪比及精度，优化其性能。
在流量计信号提取方式方面，通过前期文献调研和资料整理可知，目前针对双频激励输出流量信号的处理方法主要是通过硬件来实现，通过调制解调的方法，利用采样保持器等硬件电路方法实现流量信号的提取，但是均未给出具体的实现过程。随着电子技术的不断发展和更新换代，软件滤波方法变得越来越受到人们的欢迎。针对电磁流量计的流量信号处理，经历了最初的单片机到数字信号处理器件(DSP)的过渡，出现了一系列的数字滤波方法，目前电磁流量计的数字信号滤波方法主要有滑动滤波算法、中值滤波算法、梳状滤波算法等。而如果能够优化滤波算法和流量信号提取算法，将直接有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法。
一种基于双频励磁的电磁流量计系统，其特征在于，包括激励线圈、信号电极、DSP微处理系统、激励驱动模块、信号预处理模块和信号调理模块；DSP微处理系统控制激励驱动模块产生双频矩形波激励，从而激励线圈在测量管道内激发磁场，测量管道中的导电流体切割磁感线产生感应电动势并被信号电极感受；信号电极将流量信号传输给信号预处理模块，信号经增强后送入信号调理模块；在信号调理模块中，流量信号通过带通滤波器抑制了一定的高频干扰和低频干扰，随后通过削峰电路削除微分干扰引起的尖峰，继而通过电平提升电路送入DSP微处理系统进行数据处理和运算。
DSP微处理系统通过增强PWM输出模块，生成6.25Hz和75Hz单极性方波。
激励驱动模块为恒流源激励电路，由运算放大器、多路模拟开关、稳压器、场效应管等组成，生成激励频率为6.25Hz和75Hz的双频矩形波激励信号。
信号预处理模块为仪用放大电路，将信号电极感受的流量信号增强后送入信号调理模块。
信号调理模块包括前置差分电路、二阶低通滤波器、二阶高通滤波器、后级放大电路、削峰电路和电平提升电路，这些构成单元从左至右依次连接。
二阶低通滤波器的截止频率设置为408.3Hz，用于抑制流量信号中的高频干扰信号，在抑制高频干扰的同时保证了75Hz高频方波的5倍基波频率通过；所述的二阶高通滤波器的截止频率设置为0.5Hz，用于抑制流量信号中的低频干扰信号。
流量信号采样时，高频采样时序只对高频激励矩形波半周期激励的后半段进行幅值解调和数据采集，所述高频采样时序的采样频率为27KHz，每半个周期采集32个数据点。
流量信号提取时，对其幅值解调结果使用滑动平均值滤波算法和冒泡排序对信号进行处理。
一种基于双频励磁的电磁流量计信号提取方法，包括如下步骤：
S1：对每半个高频采样周期采集的32个数据点做16点滑动平均值滤波算法，得到新的经过滑动滤波算法后的16个数据点；
S2：根据幅值解调原理产生幅值解调结果，并进行冒泡排序处理，经过掐头去尾处理后取中间8个数据进行求平均值处理，一个完整的双频激励周期可得到6组幅值解调结果；
S3：采集并处理12个完整双频矩形波激励周期的数据，得到72个幅值解调数据，并对此进行36点滑动平均值滤波处理，再进行冒泡排序处理，取中间18个数据做平均值运算处理，作为一次幅值解调结果输出。
本发明的有益效果：采用双频励磁方式。综合低频励磁的零点稳定和高频励磁的响应速度快以及抑制钻井液干扰能力强的优点。在信号提取与处理方面，硬件系统选用当下性能更优的数字信号处理器件(DSP)，同时通过优化滤波算法和流量信号提取算法，有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明的双频励磁方法与信号提取的整体结构示意图。
图2是图1中激励驱动模块中的恒流源激励电路。
图3是图2恒流源激励电路所产生的激励信号的时序示意图。
图4是双频矩形波激励输出信号采样时序示意图。
图5是图1中信号调理模块的具体调理过程的流程示意图。
示例图中：1-激励线圈、2-测量管道、3-信号电极、4-信号预处理模块、5-信号调理模块、6-激励驱动模块、7-DSP微处理系统、8-前置差分放大电路、9-二阶低通滤波器、10-二阶高通滤波器、11-后级放大电路、12-削峰电路、13-电平提升电路。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于双频励磁的电磁流量计系统，包括激励线圈(1)、信号电极(3)、DSP微处理系统(7)、激励驱动模块(6)、信号预处理模块(4)和信号调理模块(5)；所述激励驱动模块(6)输入端连接DSP微处理系统(7)输出端，激励驱动模块(6)两个输出端分别连接激励线圈(1)；所述信号预处理模块(4)两个输入端分别连接信号电极(3)；所述信号调理模块(5)输入端连接信号预处理模块(4)输出端，信号调理模块(5)输出端连接DSP微处理系统(7)。当系统进入工作状态时，DSP微处理系统(7)控制激励驱动模块(6)产生双频矩形波激励，从而激励线圈(1)在测量管道(2)内激发磁场，测量管道(2)中的导电流体切割磁感线产生感应电动势并被信号电极(3)感受；信号电极(3)将流量信号传输给信号预处理模块(4)，经其中的仪用放大电路增强后送入信号调理模块；在信号调理模块(5)中，流量信号通过带通滤波器抑制了一定的高频干扰和低频干扰，随后通过削峰电路削除微分干扰引起的尖峰，继而通过电平提升电路送入DSP微处理系统(7)进行数据处理和运算。
如图2所示的恒流源激励电路，电路由运算放大器、多路模拟开关、稳压器、场效应管等组成。当运算放大器同相输入端电压为正时，运算放大器自身处于开环状态，开环输出电压接近电源正电压，使得Q1(N沟道)场效应管导通，由运算放大器的“虚短虚断”原理可知，运算放大器会自动保持反馈电阻上的电压与输入电压相等，所以运算放大器需要通过自动调节流过反馈电阻的电流大小来保持同相和反相输入端的电压相等；同理，当输入为负电压时，运算放大器输出接近于电源负电压，使得Q3(P沟道)场效应管导通。同时，反馈电阻和激励线圈处于串联状态，故激励线圈中在电流也是恒定的。当反馈电阻阻值一定时，流过线圈激励电流的大小由运算放大器的输入电压所决定。为了实验测试考虑，即激励电流可以方便调节，利用LM7805和LM7905的稳压作用，反馈电阻的值一定时，可以通过调节电位器从而调节运算放大器的输入电压，从而实现激励电流大小的调节。
激励驱动模块(6)的输入信号为6.25Hz和75Hz的单极性方波信号，此输入信号由DSP微处理系统(7)通过增强PWM输出模块的EPWM2A和EPWM3A端口同时触发产生。输入信号被送给激励驱动模块(6)中的CD4052多路模拟开关A、B通道控制端口，并通过控制多路模拟开关CD4052的选通通道，实现输入电压在正、零、负之间切换，从而实现输出对激励线圈(1)进行控制的双频矩形波激励。双频矩形波激励的激励频率为6.25Hz和75Hz，即一个双极性周期频率为6.25Hz矩形波中包含了12个单极性的周期频率为75Hz的矩形波。
双频矩形波激励控制激励线圈(1)在测量管道(2)中激发出磁场，导电流体通过切割磁感线产生感应电动势，信号电极(3)感受感应电动势产生流量信号，同时将流量信号传输到信号预处理模块(4)，再通过信号调理模块(5)，将经过处理的流量信号送入DSP微处理系统(7)进行数据处理和运算。
在为了避免微分干扰对流量信号的影响一方面，设计了如图4的采样时序图，只对高频激励矩形波半周期激励电流的后半段进行数据采集，这样可以很好地避免微分干扰的影响。
在流量信号提取的解调算法方面中，高频采样是针对75Hz方波信号进行采样，半个周期的时间约为6.66ms，由于微分干扰的存在，使得电极输出信号的平稳段很窄，经过实际测试，电极输出信号的稳定段时间约为1.2ms，设采样频率为27KHz，即每半个周期采集32个数据点作为有用数据，记为DL(1：32)。
为了减少环境中其他噪声的影响，首先对32个数据点做16点滑动平均值滤波算法，得新的经过滑动滤波算法后的16个数据点，记为如式(1)所示。
同理可以得到第二个半周期处理结果第13个半周期处理结果第14个半周期的处理结果根据幅值解调原理，计算出的fuzhi如式(2)所示。
经过滑动滤波算法，对幅值解调结果进行冒泡排序处理，将排序结果记为maopao(L，1：16)，经过掐头去尾处理，取中间8个数据进行求平均值处理，作为当前高频激励信号第一个周期的幅值结果如式(3)所示。
双频矩形波激励方式而言，一个完整的低频6.25Hz周期包含了12个高频75Hz周期，经过幅值解调算法可知，一个完整的双频激励周期可得到6组幅值解调结果，记为fuzhi(L)1,fuzhi(L)2，…，fuzhi(L)6。
同理，采集并处理12个完整双频矩形波激励周期的数据，得到72个幅值解调数据，对这72个数据进行36点滑动滤波处理，再进行冒泡排序处理，取中间18个数据做平均值运算处理，作为一次幅值解调结果输出，运用此解调结果作为流量反算的依据。
所述的信号调理模块包括前置差分电路(8)、二阶低通滤波器(9)、二阶高通滤波器(10)、后级放大电路(11)、削峰电路(12)、电平提升电路(13)构成，这些构成单元从左至右依次连接，用于降低如微分干扰、共模干扰、串模干扰以及外部环境干扰等干扰信号对流量信号的干扰。
带通滤波器包括二阶低通滤波器(9)和二阶高通滤波器(10)，用于抑制流量信号中的高频和低频干扰信号。其中，二阶低通滤波器(9)的截止频率设置为408.3Hz，在抑制高频干扰的同时保证了75Hz高频方波的5倍基波频率通过；二阶高通滤波器(10)的截止频率设置为0.5Hz，抑制了低频干扰。
为了降低微分干扰、增强流量信号，信号提取的过程需要经过削峰电路(12)和电平提升电路(13)。削峰电路具体由比较器电路、或非门电路、反相放大电路和采样保持器构成电平提升电路具体由同相加法电路构成，电平提升的幅值可以由电位器来调节。其中，流量信号通过削峰电路(12)后，能够消除大部分由微分干扰产生的尖峰干扰信号，为后续的数据处理和运算做好保障工作；电平提升电路(13)将流量信号进行电平提升，能够采集到双频矩形波激励下产生的流量信号的完整波形，为后续的数据处理和运算做好准备工作。
本发明采用双频励磁方式，综合低频励磁的零点稳定和高频励磁的响应速度快以及抑制钻井液干扰能力强的优点，在信号提取与处理方面，硬件系统选用当下性能更优的数字信号处理器件(DSP)，同时通过优化滤波算法和流量信号提取算法，有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于双频励磁的电磁流量计系统，其特征在于，包括激励线圈（1）、信号电极（3）、DSP微处理系统（7）、激励驱动模块（6）、信号预处理模块（4）和信号调理模块（5）；DSP微处理系统（7）控制激励驱动模块（6）产生双频矩形波激励，从而激励线圈（1）在测量管道（2）内激发磁场，测量管道（2）中的导电流体切割磁感线产生感应电动势并被信号电极（3）感受；信号电极（3）将流量信号传输给信号预处理模块（4），信号经增强后送入信号调理模块；在信号调理模块（5）中，流量信号通过带通滤波器抑制了一定的高频干扰和低频干扰，随后通过削峰电路削除微分干扰引起的尖峰，继而通过电平提升电路送入DSP微处理系统（7）进行数据处理和运算。
2.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统，其特征在于，所述的DSP微处理系统（7）通过增强PWM输出模块，生成6.25Hz和75Hz单极性方波。
3.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统，其特征在于，所述的激励驱动模块（6）为恒流源激励电路，由运算放大器、多路模拟开关、稳压器、场效应管等组成，生成激励频率为6.25Hz和75Hz的双频矩形波激励信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统，其特征在于，所述的信号预处理模块（4）为仪用放大电路，将信号电极（3）感受的流量信号增强后送入信号调理模块（5）。
5.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统，其特征在于，所述的信号调理模块（5）由前置差分电路（8）、二阶低通滤波器（9）、二阶高通滤波器（10）、后级放大电路（11）、削峰电路（12）和电平提升电路（13）组成，上述组成单元从左至右依次连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统，其特征在于，所述的二阶低通滤波器（9）的截止频率设置为408.3Hz，用于抑制流量信号中的高频干扰信号；所述的二阶高通滤波器（10）的截止频率设置为0.5Hz，用于抑制流量信号中的低频干扰信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统，其特征在于，DSP微处理系统对流量信号进行采样和提取；所述流量信号采样是利用高频采样时序对双频矩形波激励输出信号的后半段进行幅值解调数据采集；所述流量信号提取是对其幅值解调结果使用滑动平均值滤波算法和冒泡排序对信号进行处理。
8.一种基于双频励磁的电磁流量计信号提取方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：利用采样频率为27KHz的高频采样时序对每半个双频矩形波激励信号采集32个数据点，并对32个数据点做16点滑动平均值滤波算法，得到新的经过滑动滤波算法后的16个数据点；
S2：根据幅值解调原理产生幅值解调结果，并进行冒泡排序处理，经过掐头去尾处理后取中间8个数据进行求平均值处理，一个完整的双频激励周期可得到6组幅值解调结果；
S3：采集并处理12个完整双频矩形波激励周期的数据，得到72个幅值解调数据，并对此进行36点滑动平均值滤波处理，再进行冒泡排序处理，取中间18个数据做平均值运算处理，作为一次幅值解调结果输出。
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