摘要:針對國内 漿液(yè)型電(diàn)磁流量計 測量水煤漿流(liú)量時(shí)出現(xiàn)波動大、甚(shèn)至回零的(de)問題，采集現場(chǎng)水煤(méi)漿信号，進(jìn)行(háng)時域和頻域(yù)分析，找出其無(wú)法穩定測(cè)量水(shuǐ)煤漿(jiāng)流(liú)量(liàng)的原(yuán)因。根據水(shuǐ)煤漿(jiāng)信(xìn)号(hào)的特征，提(tí)出基于勵(lì)磁頻(pín)率高次(cì)諧波分(fèn)析的信号處理方法(fǎ)，選取受漿(jiāng)液(yè)噪聲幹擾小的高(gāo)次(cì)諧波(bō)幅(fú)值來反映(yìng)流量(liàng)信号的大小，有(yǒu)效地(dì)避開(kāi)了水(shuǐ)煤(méi)漿噪聲的幹(gàn)擾。
0引(yǐn)言
　　水煤(méi)漿(jiāng)是一(yī)種由(yóu)55%～65%的煤粉、34%～43%的水(shuǐ)和(hé)1%的化(huà)學添(tiān)加劑，經過(guò)一定的工藝加工而成的固液(yè)混合(hé)物，既可作(zuò)爲燃(rán)料代替油(yóu)、氣和煤用于發電站(zhàn)鍋爐(lú)、工業(yè)鍋爐和工業窯(yáo)爐，緩(huǎn)解(jiě)石(shí)油短(duǎn)缺的能源安全問題(tí)，又可作爲制備合成氣的(de)原料，通過(guò)氣化(huà)生成(chéng)co、co2和h2等(děng)氣體(tǐ)，作爲工(gōng)藝過程(chéng)中的反應氣。水(shuǐ)煤漿(jiāng)在生産過(guò)程中使用(yòng)煤漿(jiāng)泵輸送(sòng)，在生産(chǎn)時，煤(méi)漿(jiāng)泵工作(zuò)在額(é)定轉(zhuǎn)速下(xià)，所以，水煤(méi)漿的(de)流速基(jī)本保持不變。但是(shì)，水煤(méi)漿是(shì)一種非牛(niú)頓流(liú)體，并且存在固體(tǐ)顆粒的(de)沉澱(diàn)，加上流速(sù)低，所以，可(kě)能會(huì)導緻煤漿泵堵(dǔ)塞，使煤漿泵出口壓(yā)力大幅跳(tiào)動，引(yǐn)起水煤漿(jiāng)流速出現(xiàn)大幅(fú)波動，影(yǐng)響正常(cháng)生産。因此，爲了(le)保(bǎo)證(zhèng)産品質量(liàng)和生産安全，需要監測管(guǎn)道内(nèi)水煤漿的流速，以及(jí)時發現煤漿泵的(de)異常。 電(diàn)磁流(liú)量計 測量(liàng)管内不存(cún)在阻礙流體的部件(jiàn)，且受密度、粘度(dù)影響較小，适宜(yí)測量這類(lèi)高濃(nóng)度的固液混合(hé)物。解(jiě)決漿(jiāng)液型(xíng)電磁(cí)流量計測(cè)量水煤漿(jiāng)時波(bō)動較大的問題，不僅能大大減少國内煤化工(gōng)企業(yè)的生産成(chéng)本，還是保證安(ān)全生産的關鍵(jiàn)。某國外著(zhe)名廠家的電磁流量計通(tōng)過選(xuǎn)用耐(nài)沖刷，耐磨(mó)損的(de)增強聚四氟乙(yǐ)烯作爲襯(chèn)裏材(cái)料、低(dī)噪(zào)音電極(jí)以及(jí)抗噪音轉(zhuǎn)換(huàn)器(qì)來降低測(cè)量流量的(de)波動［2］。目前(qián)，國(guó)内(nèi)外對(duì)電磁流(liú)量計測量類(lèi)似紙漿的(de)漿液流(liú)量(liàng)在信号處理方面進行過一定的研(yán)究［3-7］，但(dàn)是，均沒有(yǒu)關于(yú)水煤漿測量信号(hào)處理方(fāng)面的參(cān)考文獻。
　　針對煤漿型電(diàn)磁流量(liàng)計(jì) 測量(liàng)水煤漿時(shí)出現(xiàn)較大波(bō)動、甚至回零的問(wèn)題，采(cǎi)集現場電(diàn)磁流(liú)量計(jì)輸(shū)出的水(shuǐ)煤漿信号;在時(shí)域(yù)和頻域對信(xìn)号進行分(fèn)析，找(zhǎo)出了電磁流量(liàng)計不能穩定測量水煤漿(jiāng)流量(liàng)的原因;根(gēn)據水(shuǐ)煤漿信(xìn)号特(tè)征(zhēng)，提出了(le)基(jī)于勵(lì)磁頻率高次諧(xié)波分(fèn)析的煤漿(jiāng)流量計信号處(chù)理方法;在基于(yú)dsp的電磁流(liú)量計(jì)變送(sòng)器上實時(shí)實現(xiàn)該算法。實驗結果表明，測(cè)量結果較(jiào)穩(wěn)定，驗證(zhèng)了所提出(chū)的算(suàn)法的有效(xiào)性。
1數(shù)據采集分(fèn)析
1.1現場實驗
　　針(zhēn)對煤漿型(xíng)電(diàn)磁(cí)流量(liàng)計測量水(shuǐ)煤漿時(shí)出(chū)現較大波動(dòng)，甚(shèn)至回(huí)零這(zhè)一問(wèn)題，特(tè)去某煤化工(gōng)企(qǐ)業甲醇分公司進行(háng)現場(chǎng)數據(jù)采集(jí)。該(gāi)公司所(suǒ)使用的對置式(shì)四噴嘴氣化爐(lú)有4個噴嘴(zuǐ)，噴嘴管道口徑爲125mm，管(guǎn)中水(shuǐ)煤漿流量(liàng)基本穩定(dìng)在19m3/h(流速約爲0.48m/s)。每條噴(pēn)嘴煤漿線上安(ān)裝了3台煤漿型(xíng)電磁流量(liàng)計，每(měi)台煤(méi)漿型電磁(cí)流量計(jì)由(yóu)傳感器和(hé)變送器兩(liǎng)部分組成(chéng)。選擇其中1條(tiáo)水煤漿(jiāng)管線上的(de)1台電(diàn)磁流(liú)量計進(jìn)行數據采(cǎi)集(jí)，因爲該台電(diàn)磁流量(liàng)計測(cè)量結(jié)果波(bō)動大，甚至出現(xiàn)回零(líng)的現象。将課題組研制的(de)基于dsp的電磁流量變(biàn)送(sòng)器(qì)的信(xìn)号線(xiàn)和勵(lì)磁線(xiàn)接到(dào)該(gāi)電磁流量傳感器(qì)的電(diàn)極和(hé)勵(lì)磁線圈(quān)上，組合成完整(zhěng)的電(diàn)磁流量計(jì)，進行水煤漿數(shù)據采(cǎi)集。使用的(de)電磁流量變送器是(shì)以ti公(gōng)司dsp芯(xīn)片tms320f28335爲核心，采用(yòng)高頻(pín)勵磁方案(àn)，其硬件主(zhǔ)要包括勵磁控制系(xì)統和(hé)信号(hào)采集處理系統，具體(tǐ)的模塊有勵磁(cí)驅動模塊(kuài)、信号(hào)調理(lǐ)采(cǎi)集(jí)模塊(kuài)、信号(hào)處理控制模塊(kuài)、人機(jī)接口(kǒu)模塊、通信模塊及電源管(guǎn)理模(mó)塊［8-12］。信号調理采(cǎi)集模(mó)塊中的調(diào)理電(diàn)路對一次(cì)儀表輸出(chū)的(de)信号進行(háng)放大和(hé)濾波，截(jié)止(zhǐ)頻率(lǜ)是2khz，放大倍數約(yuē)爲230倍。通過(guò)ni公司usb－6216型号(hào)的數據采(cǎi)集卡進行(háng)數據(jù)采集(jí)，把(bǎ)調理電(diàn)路的(de)輸出端連(lián)接(jiē)到數據采集(jí)卡的一個(gè)差分(fèn)輸入(rù)端(duān)，并設置(zhì)數據采(cǎi)集卡工(gōng)作在(zài)差分的測(cè)量模式，設(shè)置采集卡的(de)采樣頻(pín)率爲10khz。采集多組水煤(méi)漿信号數據，每組數據的(de)時間(jiān)長度爲5min。
1.2數(shù)據分析
　　現場采集了(le)25hz方波勵磁(cí)下的水(shuǐ)煤漿信号，發(fā)現水(shuǐ)煤漿(jiāng)信号的幅(fú)值非(fēi)常大(dà)，甚至接近(jìn)ad的量(liàng)程(chéng)上限，如圖1所示。水煤漿(jiāng)信号(hào)主要由感(gǎn)應(yīng)電(diàn)動勢信号(hào)和電極噪聲組成。其中，感(gǎn)應電(diàn)動勢信(xìn)号(hào)是由導電(diàn)液體切割磁場(chǎng)産(chǎn)生(shēng)的，其(qí)幅值(zhí)和相同流(liú)量下(xià)介(jiè)質(zhì)爲水(shuǐ)的感應電動勢幅值相同，僅約(yuē)爲數(shù)十毫伏。這(zhè)是因爲電磁流量計(jì)不受被測導電介質(zhì)的溫度、粘(zhān)度、密度以(yǐ)及導電率(lǜ)的影響，隻要經(jīng)過水(shuǐ)标定(dìng)後，就(jiù)可以用來測量其他(tā)導電液(yè)體(tǐ)的流量［13］。電極噪聲是(shì)水煤漿中(zhōng)的固(gù)體顆(kē)粒劃(huà)過電(diàn)極而引起(qǐ)的信(xìn)号跳(tiào)變，也稱爲(wèi)漿液噪聲，具有(yǒu)強非(fēi)平穩性、随(suí)機性，頻域(yù)具有(yǒu)近似1/f的(de)特(tè)性［14］。水(shuǐ)煤漿信号(hào)中的(de)漿(jiāng)液(yè)噪聲幅值(zhí)非常(cháng)大，峰峰(fēng)值(zhí)可達(dá)數(shù)伏(fú)，遠遠高于(yú)與流量相(xiàng)關的感(gǎn)應電動(dòng)勢信号，如圖2所(suǒ)示。這(zhè)給流(liú)量信(xìn)号的提取造成了極大(dà)的困難(nán)。


　　采用方波(bō)勵磁(cí)的電磁流(liú)量計(jì)，其傳感器(qì)輸出(chū)的與(yǔ)流量(liàng)相關的感(gǎn)應電(diàn)動勢信(xìn)号的波(bō)形也類似于方(fāng)波。針對與流量(liàng)相關的感應電(diàn)動勢(shì)信号f(t)的特(tè)點，可知(zhī)其是由基波和奇次諧(xié)波(bō)疊加(jiā)而成的(de)。對于一個給(gěi)定(dìng)單峰值爲em的矩(jǔ)形波(bō)信号，其傅(fù)裏葉展開爲:

　　在(zài)傳(chuán)感(gǎn)器輸出的(de)信号中(zhōng)隻(zhī)有(yǒu)與(yǔ)流量相關(guān)的感(gǎn)應電動勢信号才是(shì)有用(yòng)信号(hào)，被用來(lái)計算流量。而提(tí)取感應(yīng)電動勢信号就需要(yào)包含頻率(lǜ)等于(yú)fe，3fe，5fe，…等(děng)頻(pín)率點(diǎn)的信(xìn)号。但是，從(cóng)水煤漿信号的頻譜圖(tú)可以看(kàn)出，漿液(yè)噪聲頻帶較寬，在頻率(lǜ)點fe處的(de)幅值較(jiào)大，甚(shèn)至将基(jī)波(bō)淹沒，如圖3所示(shì)。選擇一(yī)組采集(jí)的水煤漿(jiāng)信号，把其等分成數(shù)段，利用matlab計算每(měi)段數據(jù)在(zài)基波(bō)處的(de)幅(fú)值(zhí)并提取保(bǎo)存在一個(gè)數組中(zhōng)，使用繪(huì)圖工(gōng)具畫出來(lái)，如圖4所示。可見，基波(bō)幅(fú)值(zhí)在1～9mv波(bō)動，波動較(jiào)大，而基波幅值在感(gǎn)應電動勢(shì)信(xìn)号(hào)中所占的比重(zhòng)又最大，所(suǒ)以，必(bì)然導(dǎo)緻計算出(chū)的流量波(bō)動劇(jù)烈，出(chū)現測量不(bú)穩定(dìng)的問題。從(cóng)圖3水煤(méi)漿信号的頻譜圖(tú)中還(hái)可以看出(chū)，随着(zhe)頻率的遞增，水(shuǐ)煤漿信(xìn)号中的(de)漿液噪聲(shēng)逐漸(jiàn)衰減，使高次諧(xié)波(bō)開始凸顯。由(yóu)式(1)可(kě)知，高(gāo)次諧(xié)波的(de)幅(fú)值(zhí)也是(shì)與流量成(chéng)線性(xìng)關系的，因此，煤(méi)漿(jiāng)型電磁(cí)流量(liàng)計可以通過提(tí)取高次(cì)諧波計(jì)算流量，有效地(dì)避開(kāi)漿(jiāng)液噪聲(shēng)的幹擾(rǎo)，得到比(bǐ)較穩定(dìng)的(de)測量(liàng)結果。

　　爲了進(jìn)一步研究水煤(méi)漿信号(hào)的特點，将其(qí)與紙漿信(xìn)号進行對(duì)比。通(tōng)過分析課題組(zǔ)采(cǎi)集的25hz矩形波(bō)勵磁(cí)下(xià)的紙漿(jiāng)信号發(fā)現，在同(tóng)樣流速下，測量介質爲紙漿時(shí)，傳感(gǎn)器輸出信(xìn)号經調理放大(dà)後能明顯看到(dào)與流量相關的(de)感應(yīng)電動(dòng)勢信(xìn)号，且其漿液幹(gàn)擾僅(jǐn)爲(wèi)數十毫伏，要(yào)遠小(xiǎo)于水(shuǐ)煤漿信号中的(de)漿液幹擾，如圖(tú)5所示。對(duì)圖5所示(shì)的紙漿信(xìn)号進(jìn)行局(jú)部放(fàng)大，得(dé)到如圖6所示的(de)信号。可(kě)見(jiàn)，紙漿(jiāng)信号中的(de)漿液(yè)幹擾(rǎo)持續的(de)時(shí)間也遠小(xiǎo)于水煤漿(jiāng)信号(hào)中的(de)漿液(yè)幹擾，且頻(pín)率較低。



　　在頻(pín)域中(zhōng)對紙漿信(xìn)号觀察時(shí)發現(xiàn)，紙漿信号的漿(jiāng)液噪聲(shēng)頻帶在(zài)零頻(pín)率點(diǎn)附近(jìn)，距離流(liú)量(liàng)信号(hào)基波頻率(lǜ)點較(jiào)遠，對基波幅值(zhí)和各(gè)奇次諧波(bō)幅值基(jī)本(běn)沒有影響，紙漿信号(hào)在頻域中(zhōng)的圖形如(rú)圖(tú)7所示。選(xuǎn)擇一組采(cǎi)集的(de)紙漿(jiāng)信号(hào)，把其(qí)等分成數(shù)段，利用matlab計算每段數(shù)據在基波(bō)處的幅值(zhí)并(bìng)提取保(bǎo)存在一個(gè)數組中，使用繪圖工(gōng)具畫(huà)出來，如圖(tú)8所(suǒ)示(shì)。可見，基波(bō)幅值在4.7～4.95mv變化，波(bō)動較小(xiǎo)。因(yīn)此，提(tí)取到的(de)與流量(liàng)相關(guān)的(de)感應電動勢信(xìn)号幅值會比較(jiào)穩定。


　　從(cóng)以上分析可知(zhī)，水煤漿(jiāng)信号與紙漿(jiāng)信号有較大差(chà)異，煤漿型(xíng)電磁流量(liàng)計适用于(yú)紙漿信号的信号處(chù)理方法不(bú)再适用于水煤漿信号。
2信(xìn)号處(chù)理方法(fǎ)
2.1基(jī)于勵磁頻率高(gāo)次諧波(bō)的(de)計算(suàn)方法
　　雖然水煤(méi)漿信(xìn)号的基波(bō)受漿液幹(gàn)擾(rǎo)影響，波(bō)動較大，但(dàn)是，流量信号的高次(cì)諧波分量(liàng)受(shòu)水煤漿噪聲(shēng)影響小，幅值穩(wěn)定，且其幅值與流量信号的大(dà)小成比例(lì)。因此(cǐ)，可以選取某一(yī)适當的高次諧波幅(fú)值來(lái)反映(yìng)整體流量(liàng)信号(hào)的大小。
　　信号處(chù)理算法的(de)具體(tǐ)步驟(zhòu)爲對(duì)水煤(méi)漿信号進行一(yī)定點數(shù)的快速(sù)傅裏(lǐ)葉(yè)變換(fft)計(jì)算;提(tí)取(qǔ)某一受(shòu)水煤漿(jiāng)噪聲(shēng)影響小(xiǎo)的高次諧(xié)波所在(zài)頻率點(diǎn)處的(de)幅(fú)值(zhí);對提取到的(de)幅(fú)值進(jìn)行排序，取中(zhōng)間(jiān)若幹點的均值(zhí)作爲(wèi)當(dāng)前一輪(lún)fft計算得到的高(gāo)次諧波幅值;最(zuì)後對得到(dào)的幅值進行(háng)滑(huá)動平(píng)均濾波(bō)，作爲最終的(de)輸出。對圖1所(suǒ)示的(de)水(shuǐ)煤漿(jiāng)信号在matlab中進(jìn)行(háng)上述處理(lǐ)，得到的頻率(lǜ)爲225hz的高次諧(xié)波的(de)幅值曲線(xiàn)如圖9所示(shì)，得到波(bō)動率爲(wèi):

2.2與已(yǐ)有(yǒu)漿(jiāng)液處理方法的比較(jiào)
　　煤漿(jiāng)型電磁流(liú)量計針對紙漿(jiāng)流量，提出了一(yī)種基(jī)于漿(jiāng)液信号統計模型的(de)信号(hào)處(chù)理方法。該算(suàn)法通過對(duì)一段時間内漿(jiāng)液信(xìn)号的(de)幅值(zhí)解調結果(guǒ)進行(háng)統計(jì)篩選，去除其中發生大跳(tiào)變的幅值(zhí)數(shù)據，進而得(dé)出一條受漿液幹擾影響較小(xiǎo)的“幅值(zhí)基準(zhǔn)”。再根據“幅(fú)值基準”，重新(xīn)構(gòu)造“無漿液(yè)幹擾(rǎo)”的流量計輸出信号(hào)。然後，對“構(gòu)造信号”進行處(chù)理，最(zuì)後輸出流(liú)量計算(suàn)結(jié)果。利(lì)用該(gāi)算法對圖(tú)1所示的水(shuǐ)煤漿(jiāng)信号進行處理(lǐ)，得到的解調(diào)幅(fú)值如圖10所(suǒ)示，解調結果的(de)波動(dòng)較大，如下(xià):

　　可見(jiàn)，用已有漿(jiāng)液算(suàn)法處(chù)理水煤漿信号，測量(liàng)結果(guǒ)波動較(jiào)大，說明(míng)無法通過去除(chú)漿液(yè)噪聲來提(tí)取與(yǔ)流(liú)量(liàng)相關的感應電(diàn)動勢(shì)信号，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提算法(fǎ)的正(zhèng)确(què)性(xìng)。
3系統(tǒng)實時(shí)實現和實(shí)驗
3.1系統軟(ruǎn)件
　　系(xì)統的軟件設計(jì)采用模塊化的(de)設計方法，将完(wán)成特(tè)定功能或類似(sì)功(gōng)能的子(zǐ)程序(xù)組合成功(gōng)能模(mó)塊，主要功(gōng)能模塊(kuài)有主監控模塊、初始化(huà)模塊、中斷(duàn)模塊(kuài)及算法(fǎ)模塊等(děng)，由主監控程序(xù)統(tǒng)一(yī)調用。軟件(jiàn)框圖如圖(tú)11所示(shì)。

主(zhǔ)監(jiān)控程(chéng)序的流程圖如(rú)圖12所示。

1)系統上(shàng)電後，dsp完成各種初始(shǐ)化工作，包(bāo)括系統(tǒng)初始化、外(wài)設初始化和(hé)算法初始化等(děng)，開啓定時(shí)器以(yǐ)及ad采樣(yàng)轉換模塊。
2)ad采(cǎi)樣(yàng)轉換結(jié)束(shù)後，通(tōng)過多通(tōng)道緩沖(chòng)器mcbsp傳輸到dsp，實時存儲到外擴saＲam中的數據(jù)緩沖(chòng)數(shù)組(zǔ)中，并(bìng)對采集到的流(liú)量信号進行預(yù)處理。
3)在主循環(huán)中查(chá)詢數據更(gèng)新是否完(wán)成，若(ruò)完成，則進(jìn)行算(suàn)法處理，得到流(liú)速、瞬(shùn)時(shí)流(liú)量等(děng);在定(dìng)時器中斷中累(lèi)加瞬時流(liú)量得到累積流(liú)量，同時，輸出4～20ma電流及pwm脈沖(chòng)輸出(chū);最後，進入按鍵(jiàn)掃描(miáo)程序，查詢按(àn)鍵是否按下(xià)。
4)将測量得到的(de)結果通過(guò)lcd顯示(shì)出來，并判斷是否有按鍵(jiàn)标志位置位。若有，則(zé)執行相應(yīng)的按(àn)鍵操作子(zǐ)程序(xù)。重複步(bù)驟2)～4)的過(guò)程，對流量進行(háng)實時(shí)測量。
3.2現場(chǎng)實驗
　　将軟件工程通(tōng)過仿(páng)真器(qì)下載(zǎi)到變(biàn)送器(qì)中的dsp裏，進行現(xiàn)場(chǎng)實時勵磁和(hé)處理(lǐ)實驗，通(tōng)過液晶可以(yǐ)觀察(chá)流量的波(bō)動情(qíng)況，并(bìng)将實時流(liú)量通過Ｒs485通信傳(chuán)至上位機。通過液晶界面對實時流量進行了長時間(jiān)監(jiān)視，發現流量波動小(xiǎo)于1m3/h。由于上(shàng)位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)量有限(xiàn)，僅記錄(lù)了250s内的(de)實時流量變化(huà)曲線，如圖13所示(shì)。可見，流量在18.5～19.5m3/h波(bō)動，與(yǔ)管道(dào)上某(mǒu)國外(wài)著(zhe)名廠家的電磁流(liú)量計的測量流(liú)量波(bō)動情況相(xiàng)吻合(hé)。

4結論(lùn)
　　從(cóng)時(shí)域和(hé)頻域兩(liǎng)方面對(duì)水煤(méi)漿信号進(jìn)行分(fèn)析(xī)。分析煤(méi)漿型電磁流量(liàng)計發現信号中漿液噪(zào)聲幅值(zhí)遠大于與流量(liàng)信号相關的感(gǎn)應電動勢幅(fú)值(zhí)，且漿液噪(zào)聲疊(dié)加在(zài)基(jī)波上，導(dǎo)緻基(jī)波幅值大(dà)幅波動，從而使電磁(cí)流量計測(cè)量結(jié)果波(bō)動大。
　　提出基于(yú)fft計算的勵磁頻率高(gāo)次諧波分析方(fāng)法。即選取(qǔ)某一适當(dāng)高次諧波分量的幅值來(lái)反映(yìng)流量信号(hào)的大(dà)小，有(yǒu)效地(dì)避開(kāi)了水(shuǐ)煤(méi)漿(jiāng)噪聲的(de)幹(gàn)擾。在matlab中，用(yòng)所提算法對實(shí)際(jì)采集的信(xìn)号進行處理(lǐ)，得到(dào)的(de)高次諧(xié)波幅值穩(wěn)定，波動較小(xiǎo)。
　

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