摘(zhāi)要：針(zhēn)對漿液(yè)型(xíng)電(diàn)磁(cí)流量(liàng)計 的矩形(xíng)波勵磁技術(shù)，提出一(yī)種更(gèng)加符合矩形波特點的walsh變(biàn)換法。對(duì)基于walsh變(biàn)換的諧波分
析方法進行實驗(yàn)驗證(zhèng)其可行性(xìng)和實際(jì)效果。實(shí)驗表明在不提(tí)升勵磁頻(pín)率(lǜ)的前提(tí)下，該諧波(bō)分析方法可以(yǐ)一定(dìng)程度克服(fú)漿液(yè)噪(zào)
聲引起(qǐ)的流量信号波(bō)動。從而爲(wèi)漿液型電(diàn)磁流(liú)量計(jì)的諧波分析方法提供了一種(zhǒng)新的思路(lù)和理論依據。
　　電磁流(liú)量計 是20世紀50~60年代随(suí)着電子技(jì)術的發(fā)展(zhǎn)而迅(xùn)速發展起來的(de)新型流量(liàng)測量(liàng)儀表(biǎo)畢(bì)。漿液型(xíng)電磁(cí)流量(liàng)計是電磁(cí)
流量計性(xìng)能的進一(yī)步發展,可以用來測(cè)量含有(yǒu)砂漿、泥(ní)漿、紙(zhǐ)漿等大小(xiǎo)不均(jun1)的固(gù)體顆(kē)粒的漿液型流(liú)體。目前(qián)漿液型(xíng)電磁(cí)流(liú)量(liàng)計
在(zài)工業(yè)中(zhōng)的(de)應用(yòng)越來(lái)越(yuè)多，但是(shì)由于漿液型流(liú)體流量測量中(zhōng).存在(zài)的漿(jiāng)液噪(zào)聲問(wèn)題，使得漿(jiāng)液型電磁(cí)流量計存在(zài)測量(liàng)精(jīng)度不高(gāo)
、測(cè)量不(bú)穩定等問(wèn)題。國(guó)内外(wài)學者(zhě)主要通過(guò)改(gǎi)進勵磁(cí)技術(shù),提高勵磁(cí)頻率(lǜ)或研究漿(jiāng)液型流體(tǐ)流量(liàng)信号(hào)的特點，運(yùn)用各種信号處(chù)
理技(jì)術的方法(fǎ)抑制漿液(yè)噪聲。本文主要針對在不提高(gāo)勵磁頻率的情(qíng)況下(xià)，對流(liú)量信(xìn)号進(jìn)行的頻域特征(zhēng)進行分析并計算流(liú)量,由
此提(tí)出一種新(xīn)的諧(xié)波分(fèn)析方法進(jìn)行探讨。
　　walsh函(hán)數是由j.l.walsh提出，是一種(zhǒng)完備(bèi)的(de)正交函數系(xì)凹(āo),該(gāi)函數(shù)的取值(zhí)僅(jǐn)爲+1.-1,walsh變換比較容易在(zài)工業(yè)上進行實現。walsh函(hán)數和傅裏(lǐ)葉函(hán)數(shù)具有很(hěn)高的相似性旦(dàn),不同(tóng)之處(chù)在于(yú)walsh函數是(shì)由方波(bō)組成,傅裏葉函(hán)數是由三角函(hán)數組成,将傅裏(lǐ)葉變換中的三角函(hán)數(shù)替換成(chéng)walsh函數就可以進(jìn)行walsh變換。
　　在(zài)漿液(yè)型電磁流量計(jì)的勵磁方式中，通常(cháng)都是采用矩形波勵磁，産(chǎn)生的流量信号(hào)也都(dōu)呈現(xiàn)矩形(xíng)波的(de)形(xíng)式(shì)。這正(zhèng)與walsh函
數(shù)的方波(bō)形式(shì)的特(tè)點相(xiàng)對應。另(lìng)外,walsh變換(huàn)在計算方(fāng)面(miàn)僅(jǐn)需要進行實數(shù)的加(jiā)減(jiǎn)運算，相(xiàng)比于(yú)需要進行(háng)複數(shù)乘法(fǎ)運算(suàn)的傅(fù)裏葉變換(huàn)更加(jiā)的簡單、運算速(sù)度(dù)更加的高效(xiào)凹(āo),同時也(yě)更加方便工業(yè)實現。本文通過(guò)對基(jī)于walsh變(biàn)換的(de)諧波(bō)分析方法(fǎ)進行實驗探讨(tǎo)，爲漿(jiāng)液(yè)型電磁(cí)流量(liàng)計諧波(bō)分(fèn)析的信(xìn)号(hào)處理方法提(tí)供一種新的(de)方向和思(sī)路。
1漿液噪(zào)聲介紹
　　漿液噪聲(shēng)是(shì)指,在測量(liàng)漿液(yè)型固液兩(liǎng)相流(liú)時,漿(jiāng)液内(nèi)部有(yǒu)很.大兩的團狀(zhuàng)物或者砂漿等(děng)大小(xiǎo)不(bú)均的固(gù)體顆(kē)粒(lì)。漿(jiāng)液流(liú)動時,
這些顆粒會撞擊到(dào)電磁(cí)流量計的測(cè)量電極上，使(shǐ)得測量點(diǎn)擊(jī)産生一(yī)個幹擾信(xìn)号,大(dà)量的(de)幹(gàn)擾信号(hào)就會擾亂正常(cháng)的測(cè)量信(xìn)号,原(yuán)
本.應該(gāi)平滑的(de)感應(yīng)電(diàn)動勢疊(dié)加漿液噪聲，就(jiù)是使(shǐ)得流量的(de)測量出現偏差(chà)。圖1爲勵磁頻率爲12.5hz方波勵(lì)磁的(de)砂(shā)漿(jiāng)流量信号(hào)
的幾乎(hū)不含砂漿的清(qīng)水流量信号(hào)。

　　從圖(tú)1中可以看出砂(shā)漿信(xìn)号(hào)有着明顯的(de)信号跳變(biàn)，而傳(chuán)統的方波(bō)勵磁(cí)信号計算(suàn)方法是使用正負勵磁相(xiàng)減的(de)方式再進(jìn)行處理
得到流速信(xìn)息(xī)。然(rán)而(ér)，在(zài)面對(duì)有着劇烈波動(dòng)的漿液流量信(xìn)号時(shí),這(zhè)種方法無法(fǎ)消除信号的(de)劇烈波(bō)動,從(cóng)而導緻測(cè)量的(de)波動(dòng)非常大導(dǎo)緻測量(liàng)不準确(què)。所以(yǐ)本(běn)文從諧(xié)波分析人手，采(cǎi)用walsh變換(huàn)從諧波(bō)分析角度(dù)對漿液流量信号進(jìn)行探(tàn)讨。
2walsh變(biàn)換簡介
　　walsh(沃(wò)爾什)函數(shù)是[o,1]定義在上完(wán)備、歸(guī)一化的正(zhèng)交系,記爲wal(n,k),具體波形如(rú)圖2所示(shì)。其中k爲自變量,n爲序率,表示walsh函(hán)數在(zài)[0,1]間變号的次數,walsh函數的矩(jǔ)形波幅(fú)值的取(qǔ)值爲+1或-1。
　　walsh函數即(jí)爲-.組矩形(xíng)波(bō)族,任何以1爲周期(qī),且在[0,1)内可積的函數,都可(kě)以分(fèn)解爲一組walsh函數的加(jiā)權和,即爲walsh
級數:


3諧波(bō)分析(xī)方法(fǎ)
3.1諧波分析(xī)方法的原(yuán)理.
　　目(mù)前漿液(yè)型(xíng)電磁(cí)流量(liàng)計(jì)一(yī)般(bān)大(dà)都采用矩(jǔ)形波勵磁方(fāng)式,如方波勵(lì)磁。方(fāng)波勵(lì)磁所以(yǐ)得(dé)到的流量(liàng)信号也都(dōu)是基于方(fāng)波形式。
對于給定幅(fú)值的e、均值(zhí)爲a的(de)方波信号，其傅(fù)裏葉(yè)展開公式(shì)爲
　　由(yóu)于walsh函(hán)數與(yǔ)傅裏葉函數具有很(hěn)好的相似(sì)性,所以(yǐ)walsh變換的(de)基波(bō)以(yǐ)及諧波幅值也和方波幅值(zhí)存(cún)在着一(yī)-定的(de)比例關系。
　　因(yīn)此(cǐ),諧波幅值(zhí)和測量流(liú)體(tǐ)的流速之間存在(zài)着一定(dìng)的(de)比例關系，選擇(zé)頻譜(pǔ)中能夠(gòu)表征流(liú)量信号(hào)且受到(dào)幹擾較小的諧(xié)波幅(fú)值(zhí)
，通過測(cè)量諧(xié)波幅(fú)值的(de)大小來計算流(liú)速。實驗(yàn)中(zhōng)會通過對(duì)實際流量(liàng)信号的采集并(bìng)處理(lǐ),對諧波幅(fú)值和流速(sù)進行(háng)線性拟合來确(què)定
walsh變換諧(xié)波幅(fú)值和流(liú)速(sù)之間(jiān)存在的(de)線(xiàn)性關(guān)系(xì)。
3.2實(shí)驗平台介(jiè)紹
　　本文采用(yòng)如(rú)圖3所(suǒ)示實驗裝(zhuāng)置來驗(yàn)證walsh諧波(bō)分析(xī)方法的可行(háng)性。實驗(yàn)裝置(zhì)上用于設定流(liú)量和流速(sù)的可作爲(wèi)對照表使用的儀表爲日本(běn)橫河生産的(de)最新款axf040g漿(jiāng)液型(xíng)電磁流量(liàng)計。實(shí)驗采(cǎi)用口徑爲dn40的電(diàn)磁流量計(jì)傳(chuán)感器,被測流(liú)體分别爲清水(shuǐ)以及｜ 石英砂、水(shuǐ)質量比爲1/128.2/128..4/128的砂(shā)漿,其(qí)中石英砂(shā)粒度爲20~120目。

　　本實(shí)驗設定(dìng)流(liú)體流速分别(bié)爲1m/s、1.5m/s、2m/s.2.5m/s和3m/s。勵(lì)磁頻率爲(wèi)12.5hz方波勵磁,設定示波(bō)器的采樣頻率(lǜ)爲
2500hz,采(cǎi)樣時間爲(wèi)40s,采樣的數(shù)據長(zhǎng)度爲(wèi)100000點。3.3walsh變換諧(xié)波分(fèn)析方法的(de)可行性驗證把(bǎ)實驗采集(jí)到的每組數(shù)據進行(háng)
分段--共分爲40段(duàn)數據(jù),對長度爲n的(de)每(měi)段數據進(jìn)行walsh變(biàn)換得到長(zhǎng)度爲(wèi)n的walsh數(shù)組。對(duì)walsh數據進行計算(suàn)得到walsh頻(pín)譜
計算，設walsh序的系數是(shì)f(0),f(1),..f(n-1),則walsh頻(pín)譜計算方式爲:

　　根據walsh變換頻譜分析尋找突出(chū)并且(qiě)能代(dài)表(biǎo)流量(liàng)變化的(de)幅值。最(zuì)終本(běn)實(shí)驗選擇采(cǎi)用12.5hz頻率點(diǎn)下(xià)的幅值數據(jù)進行實驗(yàn)
提取每組walsh變換(huàn)頻譜圖(tú)中(zhōng)的12.5hz頻(pín)率點(diǎn)的幅(fú)值構成一個(gè)長度爲40的數(shù)組x;(i=0,1...39),對數組(zǔ)進行窗口長度(dù)爲w=8的
滑動中(zhōng)值濾波(bō)。如(rú)待(dài)處理(lǐ)的數據(jù)爲(wèi)xo~x7,首先(xiān)對該段數據進(jìn)行排序，之後取(qǔ)間第3到第5點之(zhī)間值的平(píng)均值(zhí)作爲該點的值(zhí)。最
後(hòu)對處(chù)理過後的(de)數組求均(jun1)值得到(dào)一組數(shù)據的諧波(bō)幅值(zhí)點y,用流速和幅(fú)值點y進行(háng)線性拟(nǐ)合(hé)結果如圖(tú)5所示

　　通過對(duì)流(liú)量信号進行walsh變(biàn)換提取諧波幅值,并(bìng)對提取到(dào)的數據進行線(xiàn)性拟合,如圖5所(suǒ)示可(kě)以看(kàn)出基(jī)于walsh變換(huàn)諧波幅(fú)
值拟合滿(mǎn)足與流速的線(xiàn)性關(guān)系。除去測量誤(wù)差等(děng)幹(gàn)擾因素,walsh變換(huàn)的(de)諧波幅(fú)值可(kě)以很(hěn)好地符(fú)合(hé)流速的變(biàn)換,驗(yàn)證(zhèng)了運用(yòng)walsh
變換諧波分析的可行(háng)性。
4實驗(yàn)驗證基于(yú)walsh變換的諧波分析的(de)計算波動率效果
　　本實驗(yàn)采用(yòng)本文上述的實驗裝置在介質爲清(qīng)水、1/128漿液、2/128漿(jiāng)液.4/128漿(jiāng)液的條件(jiàn)下，在12.5hz的頻率點(diǎn)walsh變換的(de)諧波分(fèn)析方法進(jìn)行驗證(zhèng)。信号處理算(suàn)法具體步驟爲(wèi)對流(liú)量信(xìn)号進(jìn)行一定(dìng)點數的(de)walsh變換(huàn)計算,提取(qǔ)其中(zhōng)受到(dào)漿液(yè)影響(xiǎng)較小能(néng)夠(gòu)表征流速(sù)的頻(pín)率點幅值，對提(tí)取到(dào)的幅值進(jìn)行排序(xù)，取排序(xù)後的幅值中間部分(fèn)的一(yī).定點(diǎn)數當作(zuò)當前一(yī)輪walsh計(jì)算得到的(de)諧(xié)波幅(fú)值;對這(zhè)一組諧波幅值進行滑動(dòng)中值濾波;對得到的(de)這組(zǔ)數據(jù)進行流速計算(suàn);最後(hòu)對實驗得到的(de)流量(liàng)信号進行(háng)上述(shù)處理(lǐ)得到(dào)諧波(bō)幅值曲線(xiàn),計算波動(dòng)率:

從(cóng)表1可以(yǐ)看(kàn)出walsh變(biàn)換的波動(dòng)率大(dà)多數(shù)都(dōu)處于5%以下，隻有當流速(sù)增(zēng)大由于漿液(yè)固體(tǐ)顆粒(lì)的碰(pèng)撞更加(jiā)的頻繁(fán)導緻波(bō)動率
會(huì)略微偏大。上述(shù)實(shí)驗表明(míng)基于(yú)walsh變換的諧波方法可以一定程度的一直漿液(yè)噪聲造成的影響。
5結(jié)束語
本文(wén)将基于walsh變換的諧波方法應用(yòng)于漿液(yè)型電磁流量(liàng)計的流量(liàng)測量中。，首先對walsh變換(huàn)的諧波方(fāng)法的可行性進(jìn)行實
驗(yàn)驗證驗(yàn)證,證(zhèng)明了(le)該方法可以表征流(liú)量的變化。通過(guò)實驗(yàn)分析(xī)驗證(zhèng),基于walsh變(biàn)換的諧(xié)波分析方(fāng)法可(kě)以(yǐ)在不提高勵(lì)磁頻(pín)
率的情況下克服漿(jiāng)液噪(zào)聲帶來(lái)的幹擾(rǎo)，保證流(liú)量(liàng)信号一定(dìng)程度的波(bō)動穩定(dìng)性(xìng)。此(cǐ)方(fāng)法也爲漿(jiāng)液型(xíng)電磁(cí)流量(liàng)計在諧波(bō)分析方
法(fǎ)方面提供了新(xīn)的思(sī)考(kǎo)方向(xiàng)和(hé)技術積累(lèi)。

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