CN109974793B - 一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法 - Google Patents

一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，用于克服气泡对一次仪表输出信号的干扰，实现导电液体流量的准确测量。提出一次仪表输出信号基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号。一次仪表输出信号主要是由流量信号和气泡噪声信号组成。该信号处理方法处理过程为：计算一次仪表输出信号的上包络线和下包络线；由上包络线和下包络线计算一次仪表输出信号的基线；把基线从一次仪表输出信号中剔除，得到流量信号；利用基于FFT的频谱分析方法处理得到的流量信号，计算出反映流量的频率。

Description

一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理 方法
技术领域
本发明涉及流量测量领域，为电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，特别是一种基于基线剔除+基于FFT的频谱分析的信号处理方法，用于提高测量含气导电液体流量的准确度。
背景技术
电磁式涡街流量计是一种基于卡门涡街原理和电磁感应原理工作的新型流量仪表，即采用电磁感应原理的方法拾取导电液体流过旋涡发生体后产生的旋涡信号。与电磁流量计相比，它具有信号处理难度低和无零点漂移的特点；与涡街流量计相比，它的输出信号不受管道振动和周边振动源干扰的影响，测量可靠性高。电磁式涡街流量计在测量单相导电液体流量时，采用基于FFT(快速傅里叶变换)的频谱分析方法处理一次仪表输出的信号，就能准确得到与流量成正比的频率信息。但是，在工业生产过程中，可能会出现气体混入到导电液体中的情况。气泡会使电磁式涡街流量计一次仪表输出的信号发生畸变。特别是气体混入量达到一定量时，由于受到气泡的干扰，基于FFT的频谱分析方法就无法准确地得出与流量成正比的频率信息。
此时，要测量的是导电液体的流量，而气体不是我们要测量的量，气体是一种干扰。把气泡给一次仪表输出信号带来的干扰称为气泡噪声信号。把混入气体后的导电液体称为含气导电液体，其中，气体会以气泡的形式随着导电液体流动。
中国发明专利公布了一种测量含气导电液体流量的电磁式涡街流量计(徐科军，汪春畅，许伟等，一种测量含气导电液体流量的电磁式涡街流量计，申请号：CN201710708816，申请日：2018.08.17)。该专利详细给出了电磁式涡街流量计一次仪表的结构组成示意图、二次仪表的硬件组成框图、二次仪表的软件组成框图、二次仪表的主监控程序流程图，提出采用基于微分和基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表在导电液体中混入气泡后输出的信号，可以有效地克服气泡对信号的影响，得到更加准确的流量信号的频率。
发明内容
本发明仍然采用“一种测量含气导电液体流量的电磁式涡街流量计”专利中的电磁式涡街流量计的一次仪表(主要由漩涡发生体、永久磁铁、衬里、电极和壳体组成)，电磁式涡街流量计的二次仪表(主要由信号调理采集模块和数字信号处理与控制模块组成)的硬件部分，以及气液两相流实验装置(主要由旋拧阀1、水泵、压力表1、旋拧阀2、电磁式涡街流量计、电磁阀1、换向器、100L标准罐、500L标准罐、气动阀1、气动阀2、水箱、高压氩气罐、压力表2、质量流量控制器、管道和控制柜组成)。但是，提出一种新的提高电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量准确度的信号处理方法，根据一次仪表输出信号的波形，实时剔除气泡噪声信号，提高信噪比，克服气泡对一次仪表输出信号的影响，实现导电液体流量的准确测量。
本发明的关键技术在于：针对一次仪表输出信号的特点，提出了基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号，则一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的导电液体流量的大小，气泡噪声信号的幅值在导电液体流量保持不变时与注气量成正相关的关系。当导电液体中不含气泡时，一次仪表输出信号中的基线幅值变化范围很小，此时，一次仪表输出的信号就是流量信号。当导电液体中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线幅值变化范围明显变大，流量信号围绕基线上下进行波动，此时，一次仪表输出信号的信噪比较差。因此，对于受气泡影响的一次仪表输出信号，可以通过把基线从一次仪表中剔除的办法来提高信噪比，再使用基于FFT的频谱分析方法对信号进行分析，实现流量的准确测量。
具体的实现方法是：计算出一次仪表输出信号的上包络线和下包络线，由上包络线和下包络线的平均值得到一次仪表输出信号的基线，把基线从一次仪表输出的信号中剔除，剩下的信号就是流量信号。再利用基于FFT的频谱分析方法把流量信号从时域转换到频域，搜索频域中幅值最大点对应的频率，得到与流量成正比的频率信息。
附图说明
图1是基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法的流程图。
图2是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的对比图。
图3是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线对比图。
图4是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线被剔除后得到的信号对比图。
图5是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号在频域的对比图。
图6是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线被剔除后的信号在频域的对比图。
图7是基于FFT的频谱分析方法直接处理一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号得到的频率结果。
图8是利用基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的频率结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明的设计思想是：当流动的导电液体中不含气泡时，电磁式涡街流量计一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化得比较平缓。当流动的导电液体中有气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化得比较剧烈。如果把上包络线和下包络线的平均值定义为一次仪表输出信号的基线，那么，可以发现一次仪表输出信号中与流量相关的信号在围绕着基线上下波动。所以，可以认为一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的导电液体流量的大小，气泡噪声信号的幅值在导电液体流量保持不变时与注气量成正相关的关系。因此，提出把基线从一次仪表输出信号中剔除的办法来提高信噪比，再用基于FFT的频谱分析方法处理剔除基线后的信号，以得到更加准确的频率信号，实现导电液体流量的准确测量。
图1是基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法的流程图。(1)计算一次仪表输出信号的上包络线和下包络线；(2)由上包络线和下包络线计算一次仪表输出信号的基线；(3)把基线从一次仪表输出信号中剔除，得到流量信号。把基线从一次仪表输出信号中剔除的做法是使用一次仪表输出信号与基线进行相减。(4)利用基于FFT的频谱分析方法处理得到的流量信号，计算出反映流量的频率。
基于FFT的频谱分析方法是借助于快速傅里叶变换把信号从时域转换频域，在频域中搜索最大幅值对应的频率点，那么该频率就是反映流量大小的频率。采用快速傅里叶变换，把一次仪表的输出信号从时域转换到频域的公式为
Figure GDA0002519635760000031
式中，x(n)表示变送器采集的一次仪表输出的信号，N表示进行快速傅里叶变换选用的数据长度，X(k)表示时域的序列转换到频域的结果。
再计算其幅值谱。
Figure GDA0002519635760000032
式中，A(0)表示时域信号的直流分量，A(k)表示频率为k*fs/N的信号对应的幅值大小，其中，fs为变送器采集信号的采样率。
为了研究含气导电液体的测量问题，采用向水中注入气体的方法模拟气体混入到导电液体中的情况，则可以在水流量保持不变时，通过调整注气量的大小来模拟水中含气量的多少。图2是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的对比图。该组曲线是在水流量为3.5m3/h时采集得到的，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示幅值，QL表示注气量的大小。可见，当水中不含气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化得比较平缓，而当水中含有气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化得比较剧烈。
图3是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线对比图。图中，横坐标表示时间，纵坐标表示幅值，QL表示注气量的大小。可见，当水中不含气泡时，一次仪表输出信号的基线变化得比较平缓，波动范围比较小，而当水中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线变化得比较剧烈，导致波动范围变大。基线的幅值和波动范围均与水中注气量成正相关的关系，因此，使用基线表征气泡噪声信号。
图4是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线被剔除后得到的信号对比图。把基线从一次仪表输出信号中剔除的做法是使用一次仪表输出信号与基线进行相减。通过对比可以发现：当把不含气时一次仪表输出信号中的基线剔除后，得到的信号与一次仪表输出的信号相比几乎没发生变化，这是因为，此时一次仪表输出信号的气泡噪声信号非常小，可忽略不计，则一次仪表输出的信号就是流量信号。当把含气时一次仪表输出信号的基线剔除以后，得到的信号与流量信号非常接近。根据观察的结果，可以把一次仪表输出的信号看作是流量信号与气泡噪声信号之和。通过对比可以发现，把一次仪表输出信号中的基线剔除后，可以使信噪比大大增强，有助于流量的准确测量。
图5是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号在频域的对比图。任意选取一次仪表在水流量为3.5m3/h时、不同注气量下输出的信号各10s，利用基于FFT的频谱分析方法对信号进行处理，得到不同频率下的幅值信息，并以频率为横坐标，幅值为纵坐标的形式将其画出来。通过对比可以发现：当水中不含气时，一次仪表输出信号被转换到频域之后，通过幅值最大的点可以准确找到反映水流量的频率点；当水中注气量超过0.15L/min后，无法再通过幅值最大的点得到反映水流量的频率点，这会导致电磁式涡街流量计在测量时出现较大的误差。
图6是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线被剔除后的信号在频域的对比图。任意选取一次仪表在水流量为3.5m3/h时、不同注气量下输出的信号各10s，把基线从一次仪表输出信号中的剔除，再利用基于FFT的频谱分析方法对信号进行处理，得到不同频率下的幅值信息，并以频率为横坐标，幅值为纵坐标的形式将其画出来。通过对比可以发现：经过基线剔除操作后，再利用基于FFT的频谱分析方法处理剔除基线后的一次仪表输出信号，可以准确地通过幅值最大的点得到反映水流量的频率点，克服气泡对一次仪表输出信号的影响。
图7是基于FFT的频谱分析方法直接处理一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号得到的频率结果。利用基于FFT的频谱分析方法处理一次仪表输出信号的步骤为：(1)每次取长度为2s数据，利用基于FFT的频谱分析方法对信号进行处理，把信号从时域转换到频域，在频域中找到最大幅值对应的频率，保存频率。该频率反映当前状态下的流量信息。(2)更新数据，即舍掉2s数据中前面的0.5s，并在后面添加0.5s的新数据。重复(1)～(2)，保存每次得到的频率结果。按照上述信号处理步骤，对没有混入气体的信号和注气量分别为0.15L/min、0.3L/min、0.45L/min、0.6L/min和1L/min的信号进行离线处理。为了便于观察，在处理结果中仅选取40个处理结果画在同一张图中。可见，当水中混入气体之后，电磁式涡街流量计几乎无法实现水流量的准确测量。
图8是利用基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的频率结果。为了保证计算包络线时，计算结果不受边缘效应(所谓边缘效应是在利用三次样条插值求包络线时，由于不能确定两端点处的极值，使得拟合出的包络线有可能偏离实际的包络线的现象)的影响，在信号处理方法的实现中，每次选取3s的数据用于计算上包络线和下包络线，而计算流量信息时仅使用3s数据中间的2s数据，以克服边缘效应。基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表输出信号的步骤为：(1)每次取长度为3s数据，计算上包络线和下包络线，计算上包络线和下包络线的平均值得到一次仪表输出信号的基线；(2)对选取的3s数据进行基线剔除工作，得到流量信号；(3)利用基于FFT的频谱分析方法处理得到的流量信号，在频域中找到最大幅值对应的频率，保存频率。该频率反映当前状态下的流量信息。(4)更新数据，即舍掉3s数据中前面的0.5s，并在后面添加0.5s的新数据。重复(1)～(4)，保存每次得到的频率结果。按照上述信号处理步骤，对没有混入气体的信号和注气量分别为0.15L/min、0.3L/min、0.45L/min、0.6L/min和1L/min的信号进行离线处理。为了便于观察，在处理结果中仅选取40个处理结果画在同一张图中。可见，当水中混入气体之后，采用基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法之后，电磁式涡街流量计可以准确地识别出反映水流量信号的频率，克服气泡噪声的影响，实现水流量的准确测量。

Claims (3)

1.一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，采用基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表输出信号，可以使电磁式涡街流量计在导电液体中混入气泡后依然可以准确地测量流量，其特征在于：针对一次仪表输出信号的特点，提出了基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号，则一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的导电液体流量的大小，气泡噪声信号的幅值在导电液体流量保持不变时与注气量成正相关的关系；当导电液体中不含气泡时，一次仪表输出信号中的基线幅值变化范围很小，此时，一次仪表输出的信号就是流量信号；当导电液体中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线幅值变化范围明显变大，流量信号围绕基线上下进行波动，此时，一次仪表输出信号的信噪比较差； 因此，对于受气泡影响的一次仪表输出信号，可以通过把基线从一次仪表中剔除的办法提高信噪比，再使用基于FFT的频谱分析方法对信号进行分析，实现流量的准确测量；
基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表输出信号的步骤为：(1)每次取长度为3s数据，计算上包络线和下包络线，计算上包络线和下包络线的平均值得到一次仪表输出信号的基线；(2)对选取的3s数据进行基线剔除工作，得到流量信号；(3)利用基于FFT的频谱分析方法处理得到的流量信号，在频域中找到最大幅值对应的频率，保存频率；该频率反映当前状态下的流量信息；(4)更新数据，即舍掉3s数据中前面的0.5s，并在后面添加0.5s的新数据；重复(1)～(4)，保存每次得到的频率结果。
2.如权利要求1所述的一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，其特征在于：计算出一次仪表输出信号的上包络线和下包络线，由上包络线和下包络线的平均值得到一次仪表输出信号的基线。
3.如权利要求1所述的一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，其特征在于：为了保证计算包络线时，计算结果不受边缘效应的影响，在信号处理方法的实现中，每次选取3s的数据用于计算上包络线和下包络线，而计算流量信息时仅使用3s数据中间的2s数据，以克服边缘效应。
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Address before: Tunxi road in Baohe District of Hefei city of Anhui Province, No. 193 230009

Patentee before: Hefei University of Technology