CN112050870A - 一种曲线还原抗干扰测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种曲线还原抗干扰测量装置及其方法，通过设置电位计，从测量电极中引出两根线分别连接电位计的两端，并且构成两个回路，当电流IA和IB的值相等时，正交干扰信号和同相干扰信号的幅值相等，因此，在电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号相位相反时，电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号可以相互抵消，进而消除由于工频交流激励方式引入的正交干扰和同相干扰信号。
Description
技术领域
本发明涉及疏浚介质输送过程中流量、浓度测量技术领域，尤其涉及一种曲线还原抗干扰测量装置及其方法。
背景技术
目前国产挖泥船流量计大多采用低频方波励磁方式，其主要特点是能避免零点漂移及无正交干扰，抗同相干扰能力较好。但对于液固两相流体而言，当固体颗粒撞击电极，表面电位变化形成尖峰状噪声，信号呈现大幅度波动。而低频方波励磁不能从硬件技术上消除这种由于冲击造成的干扰，要实现测量结果的稳定，只能通过调整励磁频率外加软件手段加以消除，但有两方面的缺陷：
(1)挖泥船上工况复杂，挖泥工况与合适励磁频率匹配问题很难完美解决，只能通过现场不断调试较合适的频率参数。同一工地不同土质都需要改变频率参数，以目前的现场条件及技术水平，要做到这一步非常困难，目前基本上采用大体上可测量的单一频率；
(2)采用软件滤波降低由冲击噪声产生的波动幅度，波动幅度平滑程度越高，则测量结果的真实性和实时性就越差，很多情况下会导致测量结果失真，尤其当高流速、固体含量高、大颗粒的工况。
因此，为解决上述问题，本发明提供一种曲线还原抗干扰测量装置及其方法，采用工频交流励磁方式激励电磁流量计，采样信号连续为曲线，信号采集速度很快，并且利用滤波算法，滤除采样信号中噪声的干扰，提高成像精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种曲线还原抗干扰测量装置及其方法，采用工频交流励磁方式激励电磁流量计，采样信号连续为曲线，信号采集速度很快，并且利用滤波算法，滤除采样信号中噪声的干扰，提高成像精度。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种曲线还原抗干扰测量装置，其包括电磁流量计和CPU芯片，还包括工频交流激励源、电位计和滤波电路；
电磁流量计包括激励线圈和测量电极对；其中，测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；
测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接；
工频交流激励源输出的交流激励信号施加在励磁线圈上；
滤波电路的输入端分别与测量电极对电性连接，滤波电路的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
另一方面，本发明还提供了一种曲线还原抗干扰测量方法，包括以下步骤：
S1、工频交流激励源输出的交流激励信号施加在电磁流量计的励磁线圈上，建立连续交变磁场，在电磁流量计的测量电极对上测量电动势；测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；
S2、测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接，其中，测量电极S、导线A和电位计构成第一回路，回路中的电流记为IA；测量电极S、导线B和电位计构成第二回路，回路中的电流记为IB；当管道为空管或者管道内流体流速为0时，调节电位计的电位，使得电流IA和IB的值相等，进行下一步；
S3、使用滤波电路检测测量电极对上的电动势，并对该电动势进行滤波和解调处理，最后输出图像数据至CPU芯片；
S4、CPU芯片将图像数据划分为异常数据和非异常数据，对每个异常数据采用曲线拟合滤波算法求取与该异常数据吻合的计算值，并用该计算值代替该异常值，最后输出精确的图像数据。
在以上技术方案的基础上，优选的，S4中曲线拟合滤波算法具体包括以下步骤：
S101、将单个异常数据记为(xi,yi)，其中，xi为该异常数据的位置坐标，yi为其测量值；取xi的前两个位置和后两个位置的图像数据，分别记为xi+1、xi+2、xi-1和xi-2，取这四个图像数据测量值的平均值，记为
S102、计算这四个图像数据的偏移总值以及偏离值，将偏移总值记为M，将偏离值记为N，其中，
S103、预设偏离值阈值，当偏离值N超过预设偏离值阈值时，去除偏离值N对应的测量值，并选取二次曲线
做曲线拟合如下：
确定使方程式(1)达到最小的待定系数值a、b和c，将该异常数据的xi和yi代入方程式(1)，得到用于替换该异常值的计算值。
本发明的一种曲线还原抗干扰测量装置及其方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)用工频交流励磁方式，可以消除电极表面的极化影响；由于工频交流信号为连续信号，其建立的磁场为连续交变磁场，其采样速度快，并且采集结果仅与流量相关；适用于不同的介质状况的施工地，无需调整电磁流量计的励磁频率；采用工频交流励磁方式测量电极输出电动势，非常容易放大和转换，相对比直流信号容易处理；
(2)通过设置电位计，从测量电极中引出两根线分别连接电位计的两端，并且构成两个回路，当电流IA和IB的值相等时，正交干扰信号和同相干扰信号的幅值相等，因此，在电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号相位相反时，电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号可以相互抵消，进而消除由于工频交流激励方式引入的正交干扰和同相干扰信号；
(3)通过采用工频交流激励方式，使得测量电极对的采样信号为连续曲线，其信号采集速度很快，当电动势与干扰信号互相叠加时，采样曲线出现毛刺，利用本发明的滤波算法，可以滤除噪声的干扰，对异常数据进行判断并清洗，利用数据拟合法补充异常数据，提高图像的精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为矩形波励磁与工频正弦波励磁的比较图；
图2为本发明一种曲线还原抗干扰测量装置的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2所示，本发明的一种曲线还原抗干扰测量装置，其包括电磁流量计、CPU芯片、工频交流激励源、电位计和滤波电路。
电磁流量计，用于检测测量管道内的流量信息。电磁流量计可采用现有技术实现，本实施例并不涉及对电磁流量计结构的改进。本实施例中，电磁流量计包括激励线圈和测量电极对；其中，测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；测量电极对贯穿测量管道与流体流向同方向设置。
目前电磁流量计大多采用低频方波励磁方式，其主要特点是能避免零点漂移及无正交干扰，抗同相干扰能力较好。但是本实施例中，一方面，电磁流量计被测介质为液固两相流体(泥浆，甚至有大块石头等固体颗粒)，对于液固两相流体而言，当固体颗粒撞击电极，表面电位变化形成尖峰状噪声，信号呈现大幅度波动，而低频方波励磁不能从硬件技术上消除这种由于冲击造成的干扰；另一方面，如图1所示，采用低频方波励磁方式由于是采用方波激励，其激励信号波形是离散的，因此，只能离散采样，其测量窗口只占波形的小部分，而且采样信号不稳定，一秒只能采样50-100次，无法满足挖泥船应用工程对数据采样的要求。本实施例中，由于ERT管道传感器测量的液固两相流体，其测量环境特殊，造成现有的方波激励模式不适用于液固两相流体测量。因此，为了解决电极表面形成尖峰状噪声、信号呈现大幅度波动以及采样速度慢的问题，本实施例中，采用工频交流励磁方式，工频交流激励源输出工频交流电压和/或电流信号作为交流激励信号，并将该交流激励信号施加在公共电极对上，建立敏感场，在测量电极对上测量电动势。优选的，本实施例中，也可以采用波形类似于正弦波的激励信号解决本实施例的技术问题，例如阶梯多值波形，其波形经过数据拟合以后类似于正弦波，但是其波形没有本实施例中工频交流信号波形平滑，无法对由于固体颗粒撞击电极形成的尖峰状噪声进行平滑处理，而且其滤波时间长，采样信号的实时性和真实性差。采用工频交流励磁方式，可以消除电极表面的极化影响；由于工频交流信号为连续信号，其建立的磁场为连续交变磁场，正弦波波形的任意位置均属于测量窗口，其采样速度快，并且采集结果仅与流量相关；适用于不同的介质状况的施工地，无需调整电磁流量计的励磁频率；采用工频交流励磁方式测量电极输出电动势，非常容易放大和转换，相对比直流信号容易处理。
若采用工频交流励磁方式，则会产生以下两个问题：一是，如图2所示，会引入交流励磁的工频干扰、正交干扰和同相干扰等一系列电磁干扰问题，常规信号处理技术会造成测量结果大幅度波动、回零等现象，情况严重时会失去测量意义，这些干扰信号与有用的流量信号混杂在一起，无法精确的区分流量信号和干扰信号；二是，无法保证测量结果的真实性和实时性，很多情况下会导致测量结果失真，尤其当高流速、固体含量高、大颗粒的工况。以上两个问题是目前交流励磁电磁流量计成功应用于液固两相流体测量的技术难点。因此，采用工频交流励磁方式并不是本领域的常规技术手段，也无法通过简单的置换即可将工频交流励磁方式应用在挖泥船所处液固两相流体环境检测的领域上，为了解决上述问题，本实施例设置电位计与测量电极对构成回路，以消除由于工频交流激励方式引入的正交干扰和同相干扰等电磁干扰问题。具体的，如图2所示，测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接，其中，测量电极S、导线A和电位计构成第一回路，回路中的电流记为IA；测量电极S、导线B和电位计构成第二回路，回路中的电流记为IB；当管道为空管或者管道内流体流速为0时，调节电位计的电位，使得电流IA和IB的值相等。当电流IA和IB的值相等时，正交干扰信号和同相干扰信号的幅值相等，因此，在电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号相位相反时，电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号可以相互抵消，进而消除由于工频交流激励方式引入的正交干扰和同相干扰信号。
滤波电路，消除正交干扰和同相干扰信号后，检测测量电极对上的电动势，并对该电动势进行滤波和解调处理，最后输出图像数据至CPU芯片。本实施例中的滤波电路可以采用低通滤波器和相敏检波器实现本实施例记载的功能，可以采用现有技术实现，因此，在此不再累述。
CPU芯片，对图像数据进行传感异常诊断，将图像数据划分为异常数据和非异常数据，对每个异常数据采用曲线拟合滤波算法求取与该异常数据吻合的计算值，并用该计算值代替该异常值，最后输出精确的图像数据。
本实施例的工作原理为：工频交流激励源输出的交流激励信号施加在励磁线圈上，实时监测电位计两端的电流IA和IB，当IA和IB幅值相等时，开始测量，此时，通过滤波电路检测测量电极对上的电动势，并对该电动势进行滤波和解调处理，最后输出图像数据至CPU芯片，CPU芯片进行图像处理。
本实施例的有益效果为：用工频交流励磁方式，可以消除电极表面的极化影响；由于工频交流信号为连续信号，其建立的磁场为连续交变磁场，其采样速度快，并且采集结果仅与流量相关；适用于不同的介质状况的施工地，无需调整电磁流量计的励磁频率；采用工频交流励磁方式测量电极输出电动势，非常容易放大和转换，相对比直流信号容易处理；
通过设置电位计，从测量电极中引出两根线分别连接电位计的两端，并且构成两个回路，当电流IA和IB的值相等时，正交干扰信号和同相干扰信号的幅值相等，因此，在电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号相位相反时，电流IA和IB中的正交干扰信号和同相干扰信号可以相互抵消，进而消除由于工频交流激励方式引入的正交干扰和同相干扰信号。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例基于实施例1所述的装置提供一种一种曲线还原抗干扰测量方法，包括以下步骤：
S1、工频交流激励源输出的交流激励信号施加在电磁流量计的励磁线圈上，建立连续交变磁场，在电磁流量计的测量电极对上测量电动势；测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；
S2、测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接，其中，测量电极S、导线A和电位计构成第一回路，回路中的电流记为IA；测量电极S、导线B和电位计构成第二回路，回路中的电流记为IB；当管道为空管或者管道内流体流速为0时，调节电位计的电位，使得电流IA和IB的值相等，进行下一步；
S3、使用滤波电路检测测量电极对上的电动势，并对该电动势进行滤波和解调处理，最后输出图像数据至CPU芯片；
S4、CPU芯片对图像数据进行传感异常诊断，将图像数据划分为异常数据和非异常数据，对每个异常数据采用曲线拟合滤波算法求取与该异常数据吻合的计算值，并用该计算值代替该异常值，最后输出精确的图像数据。
其中，曲线拟合滤波算法具体包括以下步骤：
S101、将单个异常数据记为(xi,yi)，其中，xi为该异常数据的位置坐标，yi为其测量值；取xi的前两个位置和后两个位置的图像数据，分别记为xi+1、xi+2、xi-1和xi-2，取这四个图像数据测量值的平均值，记为
S102、计算这四个图像数据的偏移总值以及偏离值，将偏移总值记为M，将偏离值记为N，其中，
S103、预设偏离值阈值，当偏离值N超过预设偏离值阈值时，去除偏离值N对应的测量值，并选取二次曲线
做曲线拟合如下：
确定使方程式(1)达到最小的待定系数值a、b和c，将该异常数据的xi和yi代入方程式(1)，得到用于替换该异常值的计算值。
本实施例的有益效果为：通过采用工频交流激励方式，使得测量电极对的采样信号为连续曲线，其信号采集速度很快，当电动势与干扰信号互相叠加时，采样曲线出现毛刺，利用本实施例的滤波算法，可以滤除噪声的干扰，对异常数据进行判断并清洗，利用数据拟合法补充异常数据，提高图像的精确度。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种曲线还原抗干扰测量装置，其包括电磁流量计和CPU芯片：其特征在于：还包括工频交流激励源、电位计和滤波电路；
所述电磁流量计包括激励线圈和测量电极对；其中，测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；
所述测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接；
所述工频交流激励源输出的交流激励信号施加在励磁线圈上；
所述滤波电路的输入端分别与测量电极对电性连接，滤波电路的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
2.一种曲线还原抗干扰测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、工频交流激励源输出的交流激励信号施加在电磁流量计的励磁线圈上，建立连续交变磁场，在电磁流量计的测量电极对上测量电动势；测量电极对中的两个电极分别记为测量电极S和测量电极P；
S2、测量电极S通过导线A和导线B分别连接电位计的两端，测量电极P通过导线C与电位计的调节端电性连接，其中，测量电极S、导线A和电位计构成第一回路，回路中的电流记为IA；测量电极S、导线B和电位计构成第二回路，回路中的电流记为IB；当管道为空管或者管道内流体流速为0时，调节电位计的电位，使得电流IA和IB的值相等，进行下一步；
S3、使用滤波电路检测测量电极对上的电动势，并对该电动势进行滤波和解调处理，最后输出图像数据至CPU芯片；
S4、CPU芯片将图像数据划分为异常数据和非异常数据，对每个异常数据采用曲线拟合滤波算法求取与该异常数据吻合的计算值，并用该计算值代替该异常值，最后输出精确的图像数据。
3.如权利要求2所述的一种曲线还原抗干扰测量方法，其特征在于：所述S4中曲线拟合滤波算法具体包括以下步骤：
S101、将单个异常数据记为(xi,yi)，其中，xi为该异常数据的位置坐标，yi为其测量值；取xi的前两个位置和后两个位置的图像数据，分别记为xi+1、xi+2、xi-1和xi-2，取这四个图像数据测量值的平均值，记为
S102、计算这四个图像数据的偏移总值以及偏离值，将偏移总值记为M，将偏离值记为N，其中，
S103、预设偏离值阈值，当偏离值N超过预设偏离值阈值时，去除偏离值N对应的测量值，并选取二次曲线
做曲线拟合如下：
确定使方程式(1)达到最小的待定系数值a、b和c，将该异常数据的xi和yi代入方程式(1)，得到用于替换该异常值的计算值。
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