摘要:針對(duì)國內(nèi)漿液型電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿流量時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)大、甚至回零的問題，采集現(xiàn)場(chǎng)水煤漿信號(hào)，進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，找出其無法穩(wěn)定測(cè)量水煤漿流量的原因。根據(jù)水煤漿信號(hào)的特征，提出基于勵(lì)磁頻率高次諧波分析的信號(hào)處理方法，選取受漿液噪聲干擾小的高次諧波幅值來反映流量信號(hào)的大小，有效地避開了水煤漿噪聲的干擾。
0引言
　　水煤漿是一種由55%～65%的煤粉、34%～43%的水和1%的化學(xué)添加劑，經(jīng)過一定的工藝加工而成的固液混合物，既可作為燃料代替油、氣和煤用于發(fā)電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐，緩解石油短缺的能源安全問題，又可作為制備合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過程中的反應(yīng)氣。水煤漿在生產(chǎn)過程中使用煤漿泵輸送，在生產(chǎn)時(shí)，煤漿泵工作在額定轉(zhuǎn)速下，所以，水煤漿的流速基本保持不變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，并且存在固體顆粒的沉淀，加上流速低，所以，可能會(huì)導(dǎo)致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅跳動(dòng)，引起水煤漿流速出現(xiàn)大幅波動(dòng)，影響正常生產(chǎn)。因此，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，需要監(jiān)測(cè)管道內(nèi)水煤漿的流速，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤漿泵的異常。電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)不存在阻礙流體的部件，且受密度、粘度影響較小，適宜測(cè)量這類高濃度的固液混合物。解決漿液型電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿時(shí)波動(dòng)較大的問題，不僅能大大減少國內(nèi)煤化工企業(yè)的生產(chǎn)成本，還是保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。某國外著名廠家的電磁流量計(jì)通過選用耐沖刷，耐磨損的增強(qiáng)聚四氟乙烯作為襯里材料、低噪音電極以及抗噪音轉(zhuǎn)換器來降低測(cè)量流量的波動(dòng)［2］。目前，國內(nèi)外對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量類似紙漿的漿液流量在信號(hào)處理方面進(jìn)行過一定的研究［3-7］，但是，均沒有關(guān)于水煤漿測(cè)量信號(hào)處理方面的參考文獻(xiàn)。
　　針對(duì)煤漿型電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)、甚至回零的問題，采集現(xiàn)場(chǎng)電磁流量計(jì)輸出的水煤漿信號(hào);在時(shí)域和頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，找出了電磁流量計(jì)不能穩(wěn)定測(cè)量水煤漿流量的原因;根據(jù)水煤漿信號(hào)特征，提出了基于勵(lì)磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計(jì)信號(hào)處理方法;在基于DSP的電磁流量計(jì)變送器上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)該算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定，驗(yàn)證了所提出的算法的有效性。
1數(shù)據(jù)采集分析
1.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
　　針對(duì)煤漿型電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)，甚至回零這一問題，特去某煤化工企業(yè)甲醇分公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。該公司所使用的對(duì)置式四噴嘴氣化爐有4個(gè)噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩(wěn)定在19m3/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3臺(tái)煤漿型電磁流量計(jì)，每臺(tái)煤漿型電磁流量計(jì)由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1臺(tái)電磁流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因?yàn)樵撆_(tái)電磁流量計(jì)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大，甚至出現(xiàn)回零的現(xiàn)象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號(hào)線和勵(lì)磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵(lì)磁線圈上，組合成完整的電磁流量計(jì)，進(jìn)行水煤漿數(shù)據(jù)采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵(lì)磁方案，其硬件主要包括勵(lì)磁控制系統(tǒng)和信號(hào)采集處理系統(tǒng)，具體的模塊有勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)調(diào)理采集模塊、信號(hào)處理控制模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊及電源管理模塊［8-12］。信號(hào)調(diào)理采集模塊中的調(diào)理電路對(duì)一次儀表輸出的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，截止頻率是2kHz，放大倍數(shù)約為230倍。通過NI公司USB－6216型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把調(diào)理電路的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)差分輸入端，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡工作在差分的測(cè)量模式，設(shè)置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號(hào)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的時(shí)間長度為5min。
1.2數(shù)據(jù)分析
　　現(xiàn)場(chǎng)采集了25Hz方波勵(lì)磁下的水煤漿信號(hào)，發(fā)現(xiàn)水煤漿信號(hào)的幅值非常大，甚至接近AD的量程上限，如圖1所示。水煤漿信號(hào)主要由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和電極噪聲組成。其中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是由導(dǎo)電液體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的，其幅值和相同流量下介質(zhì)為水的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值相同，僅約為數(shù)十毫伏。這是因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)不受被測(cè)導(dǎo)電介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及導(dǎo)電率的影響，只要經(jīng)過水標(biāo)定后，就可以用來測(cè)量其他導(dǎo)電液體的流量［13］。電極噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電極而引起的信號(hào)跳變，也稱為漿液噪聲，具有強(qiáng)非平穩(wěn)性、隨機(jī)性，頻域具有近似1/f的特性［14］。水煤漿信號(hào)中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值可達(dá)數(shù)伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，如圖2所示。這給流量信號(hào)的提取造成了極大的困難。


　　采用方波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)，其傳感器輸出的與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的波形也類似于方波。針對(duì)與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)f(t)的特點(diǎn)，可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對(duì)于一個(gè)給定單峰值為Em的矩形波信號(hào)，其傅里葉展開為:

　　在傳感器輸出的信號(hào)中只有與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)才是有用信號(hào)，被用來計(jì)算流量。而提取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)就需要包含頻率等于fe，3fe，5fe，…等頻率點(diǎn)的信號(hào)。但是，從水煤漿信號(hào)的頻譜圖可以看出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點(diǎn)fe處的幅值較大，甚至將基波淹沒，如圖3所示。選擇一組采集的水煤漿信號(hào)，把其等分成數(shù)段，利用MATLAB計(jì)算每段數(shù)據(jù)在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數(shù)組中，使用繪圖工具畫出來，如圖4所示�？梢姡�基波幅值在1～9mV波動(dòng)，波動(dòng)較大，而基波幅值在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中所占的比重又最大，所以，必然導(dǎo)致計(jì)算出的流量波動(dòng)劇烈，出現(xiàn)測(cè)量不穩(wěn)定的問題。從圖3水煤漿信號(hào)的頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的遞增，水煤漿信號(hào)中的漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波開始凸顯。由式(1)可知，高次諧波的幅值也是與流量成線性關(guān)系的，因此，煤漿型電磁流量計(jì)可以通過提取高次諧波計(jì)算流量，有效地避開漿液噪聲的干擾，得到比較穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。

　　為了進(jìn)一步研究水煤漿信號(hào)的特點(diǎn)，將其與紙漿信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵(lì)磁下的紙漿信號(hào)發(fā)現(xiàn)，在同樣流速下，測(cè)量介質(zhì)為紙漿時(shí)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大后能明顯看到與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，且其漿液干擾僅為數(shù)十毫伏，要遠(yuǎn)小于水煤漿信號(hào)中的漿液干擾，如圖5所示。對(duì)圖5所示的紙漿信號(hào)進(jìn)行局部放大，得到如圖6所示的信號(hào)。可見，紙漿信號(hào)中的漿液干擾持續(xù)的時(shí)間也遠(yuǎn)小于水煤漿信號(hào)中的漿液干擾，且頻率較低。



　　在頻域中對(duì)紙漿信號(hào)觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，紙漿信號(hào)的漿液噪聲頻帶在零頻率點(diǎn)附近，距離流量信號(hào)基波頻率點(diǎn)較遠(yuǎn)，對(duì)基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒有影響，紙漿信號(hào)在頻域中的圖形如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號(hào)，把其等分成數(shù)段，利用MATLAB計(jì)算每段數(shù)據(jù)在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數(shù)組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示�？梢�，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動(dòng)較小。因此，提取到的與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)幅值會(huì)比較穩(wěn)定。


　　從以上分析可知，水煤漿信號(hào)與紙漿信號(hào)有較大差異，煤漿型電磁流量計(jì)適用于紙漿信號(hào)的信號(hào)處理方法不再適用于水煤漿信號(hào)。
2信號(hào)處理方法
2.1基于勵(lì)磁頻率高次諧波的計(jì)算方法
　　雖然水煤漿信號(hào)的基波受漿液干擾影響，波動(dòng)較大，但是，流量信號(hào)的高次諧波分量受水煤漿噪聲影響小，幅值穩(wěn)定，且其幅值與流量信號(hào)的大小成比例。因此，可以選取某一適當(dāng)?shù)母叽沃C波幅值來反映整體流量信號(hào)的大小。
　　信號(hào)處理算法的具體步驟為對(duì)水煤漿信號(hào)進(jìn)行一定點(diǎn)數(shù)的快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算;提取某一受水煤漿噪聲影響小的高次諧波所在頻率點(diǎn)處的幅值;對(duì)提取到的幅值進(jìn)行排序，取中間若干點(diǎn)的均值作為當(dāng)前一輪FFT計(jì)算得到的高次諧波幅值;最后對(duì)得到的幅值進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，作為最終的輸出。對(duì)圖1所示的水煤漿信號(hào)在MATLAB中進(jìn)行上述處理，得到的頻率為225Hz的高次諧波的幅值曲線如圖9所示，得到波動(dòng)率為:

2.2與已有漿液處理方法的比較
　　煤漿型電磁流量計(jì)針對(duì)紙漿流量，提出了一種基于漿液信號(hào)統(tǒng)計(jì)模型的信號(hào)處理方法。該算法通過對(duì)一段時(shí)間內(nèi)漿液信號(hào)的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選，去除其中發(fā)生大跳變的幅值數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出一條受漿液干擾影響較小的“幅值基準(zhǔn)”。再根據(jù)“幅值基準(zhǔn)”，重新構(gòu)造“無漿液干擾”的流量計(jì)輸出信號(hào)。然后，對(duì)“構(gòu)造信號(hào)”進(jìn)行處理，最后輸出流量計(jì)算結(jié)果。利用該算法對(duì)圖1所示的水煤漿信號(hào)進(jìn)行處理，得到的解調(diào)幅值如圖10所示，解調(diào)結(jié)果的波動(dòng)較大，如下:

　　可見，用已有漿液算法處理水煤漿信號(hào)，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大，說明無法通過去除漿液噪聲來提取與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提算法的正確性。
3系統(tǒng)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)
3.1系統(tǒng)軟件
　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將完成特定功能或類似功能的子程序組合成功能模塊，主要功能模塊有主監(jiān)控模塊、初始化模塊、中斷模塊及算法模塊等，由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調(diào)用。軟件框圖如圖11所示。

主監(jiān)控程序的流程圖如圖12所示。

1)系統(tǒng)上電后，DSP完成各種初始化工作，包括系統(tǒng)初始化、外設(shè)初始化和算法初始化等，開啟定時(shí)器以及AD采樣轉(zhuǎn)換模塊。
2)AD采樣轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過多通道緩沖器McBSP傳輸?shù)紻SP，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到外擴(kuò)SAＲAM中的數(shù)據(jù)緩沖數(shù)組中，并對(duì)采集到的流量信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。
3)在主循環(huán)中查詢數(shù)據(jù)更新是否完成，若完成，則進(jìn)行算法處理，得到流速、瞬時(shí)流量等;在定時(shí)器中斷中累加瞬時(shí)流量得到累積流量，同時(shí)，輸出4～20mA電流及PWM脈沖輸出;最后，進(jìn)入按鍵掃描程序，查詢按鍵是否按下。
4)將測(cè)量得到的結(jié)果通過LCD顯示出來，并判斷是否有按鍵標(biāo)志位置位。若有，則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵操作子程序。重復(fù)步驟2)～4)的過程，對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。
3.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
　　將軟件工程通過仿真器下載到變送器中的DSP里，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)勵(lì)磁和處理實(shí)驗(yàn)，通過液晶可以觀察流量的波動(dòng)情況，并將實(shí)時(shí)流量通過ＲS485通信傳至上位機(jī)。通過液晶界面對(duì)實(shí)時(shí)流量進(jìn)行了長時(shí)間監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)流量波動(dòng)小于1m3/h。由于上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)量有限，僅記錄了250s內(nèi)的實(shí)時(shí)流量變化曲線，如圖13所示�？梢�，流量在18.5～19.5m3/h波動(dòng)，與管道上某國外著名廠家的電磁流量計(jì)的測(cè)量流量波動(dòng)情況相吻合。

4結(jié)論
　　從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)水煤漿信號(hào)進(jìn)行分析。分析煤漿型電磁流量計(jì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)中漿液噪聲幅值遠(yuǎn)大于與流量信號(hào)相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值，且漿液噪聲疊加在基波上，導(dǎo)致基波幅值大幅波動(dòng)，從而使電磁流量計(jì)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大。
　　提出基于FFT計(jì)算的勵(lì)磁頻率高次諧波分析方法。即選取某一適當(dāng)高次諧波分量的幅值來反映流量信號(hào)的大小，有效地避開了水煤漿噪聲的干擾。在MATLAB中，用所提算法對(duì)實(shí)際采集的信號(hào)進(jìn)行處理，得到的高次諧波幅值穩(wěn)定，波動(dòng)較小。
　

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