摘要:針對(duì)國内 漿液型(xíng)電磁流量計(jì) 測量水煤漿(jiang)流量時出現(xiàn)波動大、甚至(zhì)回零的問題(ti)，采集現場水(shui)煤漿信号，進(jìn)行時域和頻(pín)域分析，找出(chu)其無法穩定(ding)測量水煤漿(jiang)流量的原因(yin)。根據水煤漿(jiang)信号的特征(zheng)，提出基于勵(lì)磁頻率高次(cì)諧波分析的(de)🈲信号處理方(fāng)法，選取受漿(jiang)液噪聲幹擾(rǎo)小✌️的高次諧(xié)波幅值來反(fan)映流量信号(hào)🔴的大小，有效(xiao)🔞地避開了水(shuǐ)🌈煤漿噪聲的(de)幹擾。
0引言
　　水(shuǐ)煤漿是一種(zhong)由55%～65%的煤粉、34%～43%的(de)水和1%的化學(xué)添加劑，經過(guo)一🔴定的工藝(yi)加工而成的(de)固液混合物(wù)，既可作爲燃(rán)料代替油、氣(qì)和煤用于發(fā)電站鍋爐、工(gong)業鍋爐和工(gōng)業窯💋爐，緩解(jie)石油短缺的(de)能源安全問(wèn)題，又可作爲(wèi)制備合成氣(qì)的原🧑🏽‍🤝‍🧑🏻料，通過(guò)氣✉️化生成CO、CO2和(he)📱H2等氣體，作爲(wèi)工藝過程中(zhong)的反應氣。水(shuǐ)煤漿在生産(chǎn)過程中使用(yong)煤漿泵輸送(song)♌，在生産時，煤(mei)漿泵工作在(zai)額定轉速下(xia)，所以，水✔️煤漿(jiāng)的流速基本(ben)保持不變。但(dàn)是，水煤漿是(shi)🍉一種非牛頓(dun)流體，并且存(cún)在固體顆粒(li)🥵的沉澱，加上(shang)流速低，所以(yi)，可能會導緻(zhì)煤漿泵堵塞(sāi)，使煤漿泵出(chu)口壓力大幅(fú)跳動，引起水(shui)煤漿流速出(chū)現大幅波動(dong)，影響正常🈲生(shēng)産。因此，爲了(le)保證産品質(zhì)量和生産🔞安(an)全😘，需要監測(cè)管道内水煤(méi)漿的流速，以(yǐ)及時發現煤(méi)漿泵的異常(cháng)。 電磁流量計(ji) 測量管内不(bu)存在阻礙流(liu)體的部件，且(qie)受密度、粘度(dù)影響較小，适(shi)宜測量這類(lèi)高濃度的固(gù)液混合物。解(jie)決漿液型電(diàn)磁流量計測(cè)量水煤漿時(shí)波動較大的(de)問題，不僅能(neng)大大減少🌏國(guo)内煤化工企(qǐ)業的生産成(cheng)本，還是保證(zheng)安全生産的(de)關鍵。某國外(wai)著名廠家的(de)電磁流量計(jì)☀️通過選用耐(nai)沖刷，耐磨損(sun)的增強聚四(sì)氟乙烯作爲(wèi)襯裏材料、低(di)噪音電極以(yi)及抗噪音轉(zhuan)換器來降低(di)測量流量的(de)波動［2］。目前🔞，國(guó)内外對電磁(cí)流量計測量(liàng)類似紙漿的(de)漿液流量在(zài)信号處理方(fāng)🚶‍♀️面進行過一(yi)定的研究［3-7］，但(dàn)是，均沒有關(guan)于水煤漿測(ce)♈量信号處理(lǐ)方面的參考(kao)文獻。
　　針對煤(méi)漿型電磁流(liú)量計 測量水(shui)煤漿時出現(xian)較大波動、甚(shèn)至回零的問(wen)題，采集📱現✉️場(chang)🧡電磁🔴流量計(jì)輸出的水煤(méi)漿信号;在時(shi)域和頻域對(duì)信号進行分(fèn)析，找出了電(diàn)磁流量計不(bu)能穩定測量(liàng)水煤漿流量(liang)的☎️原因;根據(ju)水煤漿信号(hao)特征，提出了(le)基于勵磁頻(pín)🌈率高次諧波(bō)分析的煤漿(jiāng)流量計信号(hào)處理方法;在(zai)基于DSP的電磁(cí)流量計變送(sòng)器上實時實(shi)現該算法。實(shi)驗結果表⛷️明(míng)，測量結果較(jiao)穩定，驗證了(le)所提出的算(suàn)法的有效性(xing)。
1數據采集分(fen)析
1.1現場實驗(yan)
　　針對煤漿型(xing)電磁流量計(ji)測量水煤漿(jiāng)時出現較大(dà)波動，甚至回(hui)🌍零這一問題(ti)，特去某煤化(huà)工企業甲醇(chún)💚分公司進行(háng)現🔴場數據采(cǎi)集。該公司所(suǒ)使用的對置(zhi)式四噴🤟嘴氣(qi)化爐有4個噴(pēn)嘴，噴嘴管道(dào)口徑爲125mm，管中(zhōng)⭐水煤漿流量(liàng)基本穩定在(zài)19m3/h(流速約爲0.48m/s)。每(mei)條噴嘴煤漿(jiāng)線上安裝了(le)3台煤漿型電(diàn)磁流量計，每(měi)🌈台煤漿型電(dian)磁流量計由(you)傳感器和變(biàn)送器👄兩部分(fèn)組成。選擇其(qi)中1條水煤漿(jiang)管線上的1台(tai)⭐電磁流量計(jì)進行數據采(cǎi)集，因爲該台(tái)電磁流💃量計(jì)測量結果波(bō)動☂️大，甚至出(chū)📧現回零的現(xiàn)象。将課題組(zǔ)研制的基于(yú)DSP的電磁流量(liang)變送器的信(xin)号線⭐和勵磁(cí)線接到該電(dian)磁流量傳感(gan)器的電極和(hé)勵磁線圈上(shang)，組合成完整(zhěng)的電磁流量(liàng)計，進行水煤(mei)漿數據采集(jí)。使用的電磁(cí)流量變送器(qi)☀️是以TI公司⛱️DSP芯(xin)片TMS320F28335爲核心，采(cai)用高頻勵磁(cí)方案，其硬件(jiàn)主要包括勵(lì)磁控制系統(tǒng)和信号采集(jí)處理系統，具(jù)體的模塊有(you)勵磁驅動模(mo)塊、信号調理(lǐ)采集模塊、信(xin)💯号處理控制(zhì)模塊、人機接(jiē)口模塊、通信(xin)模塊及電源(yuán)管理模塊［8-12］。信(xìn)号調理采集(jí)模塊🏃‍♂️中的調(diào)理電🔴路對一(yī)次儀表輸出(chū)的信号進行(hang)放大和濾波(bō)🐕，截止頻率是(shì)2kHz，放大倍數約(yuē)爲230倍。通過NI公(gong)司USB－6216型号的數(shu)據采集卡進(jìn)行數據采集(jí)，把調理電路(lù)的輸出端連(lián)接到數據采(cai)💯集卡的一個(ge)🍉差分輸入端(duan)，并設置數據(jù)采集卡工作(zuò)在差分的測(cè)量模式，設置(zhì)采集卡的采(cai)樣頻率爲10kHz。采(cai)集多🤩組水煤(mei)漿信号數據(ju)，每組數據的(de)時間長度爲(wèi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻5min。
1.2數據分析
　　現(xiàn)場采集了25Hz方(fāng)波勵磁下的(de)水煤漿信号(hao)，發現水煤漿(jiāng)信号的幅值(zhi)非常大，甚至(zhì)接近AD的量程(chéng)上限，如圖☎️1所(suǒ)示📱。水煤漿信(xìn)号主要由感(gan)應電動勢信(xìn)号和電極噪(zao)聲組成。其中(zhōng)，感應電動勢(shì)信✍️号是由導(dao)電液體切割(gē)磁場産生的(de)，其幅值和相(xiàng)同流量下介(jie)質爲水的感(gan)應電動勢💯幅(fú)值相同，僅約(yuē)爲數十毫伏(fu)。這是因爲電(diàn)磁流量計不(bú)受被測導電(diàn)介質的溫度(dù)、粘度、密度以(yi)及導電率的(de)影響，隻要✏️經(jing)過水标定後(hou)，就可以用來(lái)測量其他導(dǎo)電液體的流(liu)量［13］。電極噪聲(sheng)是水煤漿中(zhong)的固體🐪顆粒(li)劃過電極而(ér)引起的信号(hào)跳變，也稱爲(wei)漿液噪聲，具(ju)有強非平穩(wen)性、随機性，頻(pin)♉域具有近似(sì)1/f的特性［14］。水👌煤(mei)漿信号中的(de)漿液噪聲幅(fu)值非常大，峰(feng)峰值可達數(shù)伏，遠遠高于(yu)與流♌量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信号，如圖(tú)2所示。這給流(liú)量信号的♋提(tí)取造成了極(jí)大的困難。


　　采用方波勵(lì)磁的電磁流(liú)量計，其傳感(gan)器輸出的與(yǔ)流量相🧡關的(de)感應電動勢(shì)信号的波形(xíng)也類似于方(fāng)波。針對與流(liu)量相關的感(gan)應電動勢信(xin)号f(t)的特點，可(kě)知其是由基(ji)波🍓和奇次諧(xie)波疊加而成(chéng)的。對于一個(gè)💘給定單峰值(zhí)爲Em的矩㊙️形波(bō)信号🔅，其傅裏(lǐ)葉展開爲:

　　在(zai)傳感器輸出(chū)的信号中隻(zhī)有與流量相(xiàng)關的感應電(dian)動☁️勢😘信号才(cái)是有用信号(hào)，被用來計算(suan)流量。而提取(qu)感應電動勢(shì)信号就需要(yao)包含頻率等(deng)于fe，3fe，5fe，…等頻率點(diǎn)的信号。但是(shì)，從水煤漿信(xin)号的頻譜圖(tú)可以看出♉，漿(jiāng)液噪聲頻帶(dài)較寬，在頻率(lü)點fe處的幅值(zhí)較大，甚至将(jiāng)基波淹沒，如(ru)圖3所示。選擇(zé)一組采集的(de)水煤漿信号(hao)，把其等分成(chéng)數段，利用MATLAB計(jì)算每段數據(ju)在基🔆波處的(de)幅值并提取(qu)保存在一個(gè)數組中，使用(yong)繪圖工具畫(hua)出來，如圖4所(suo)示。可見，基波(bō)幅值在1～9mV波動(dong)，波動較大，而(ér)基波幅值在(zai)感應電動勢(shi)信💘号中所占(zhan)的比重又💯最(zuì)大，所以，必然(ran)導💯緻計算出(chu)的流量波動(dong)劇烈，出現測(ce)量不穩定的(de)問題。從圖💯3水(shuǐ)♈煤漿信号的(de)頻譜圖中♈還(hai)可以看出，随(sui)着頻率的遞(dì)增，水🤞煤漿信(xin)号中的漿液(ye)噪聲逐漸衰(shuai)減，使高次諧(xie)波開始凸顯(xian)💜。由式(1)可知📐，高(gāo)次諧波的幅(fu)值也是與流(liu)量成線🔆性關(guan)系的，因💋此🈲，煤(mei)漿型電磁流(liú)量計可以通(tong)過提取高次(ci)諧波計算流(liu)量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，有效地避(bì)開漿液噪聲(sheng)的幹擾，得到(dao)比較穩定的(de)測量結果🔴。

　　爲了進(jìn)一步研究水(shuǐ)煤漿信号的(de)特點，将其與(yǔ)紙漿信号進(jin)行對比。通過(guò)分析課題組(zǔ)采集的25Hz矩形(xíng)波勵🌏磁下的(de)紙漿信号發(fā)👣現，在💁同樣流(liú)速下，測量介(jiè)質爲紙漿時(shí)📞，傳感器🌂輸出(chu)信💞号經調😘理(li)放大後能明(ming)顯看到與流(liu)量相關的感(gan)應電動勢信(xin)号，且其漿液(ye)幹擾👣僅爲數(shù)十毫伏，要遠(yuǎn)小于✌️水煤漿(jiāng)信号🌐中的漿(jiang)液幹擾，如圖(tu)5所示🔞。對圖5所(suǒ)示的紙漿信(xìn)号進行局部(bu)放大，得到如(rú)圖6所示的信(xin)号。可見，紙漿(jiang)信号中的漿(jiang)液幹擾持續(xu)的時間也遠(yuǎn)小于水煤漿(jiāng)信号中的漿(jiang)液幹擾，且頻(pin)率較低。



　　在頻域中(zhōng)對紙漿信号(hao)觀察時發現(xiàn)，紙漿信号的(de)漿🌏液噪聲頻(pín)帶在零頻率(lü)點附近，距離(li)流量信号基(ji)波頻率🔆點較(jiao)遠，對基波幅(fú)值✌️和各奇次(cì)諧波幅值基(jī)本🔞沒有影☎️響(xiǎng)，紙漿信号在(zài)頻域中的圖(tú)形🏒如圖7所示(shi)。選擇一組采(cǎi)集的紙漿信(xin)号，把其等分(fèn)成數段，利用(yòng)MATLAB計📧算每段數(shu)據在基波處(chu)的幅值并提(tí)取保存在一(yi)個數組中，使(shǐ)用繪圖工具(jù)畫出來，如圖(tu)8所示。可見，基(ji)波幅值在4.7～4.95mV變(bian)化，波動‼️較小(xiǎo)。因此，提取到(dao)的與流量相(xiàng)關的感應電(diàn)動勢信号幅(fu)值會比較穩(wen)定。


　　從以上分(fèn)析可知，水煤(mei)漿信号與紙(zhi)漿信号有較(jiao)大差異，煤漿(jiāng)型電磁流量(liang)計适用于紙(zhǐ)漿信号的信(xin)号處理方法(fa)不再适用于(yu)水煤漿信号(hao)。
2信号處理方(fang)法
2.1基于勵磁(ci)頻率高次諧(xié)波的計算方(fang)法
　　雖然水煤(mei)漿信号的基(ji)波受漿液幹(gàn)擾影響，波動(dòng)較大，但是，流(liu)量信号的高(gao)次諧波分量(liàng)受水煤漿噪(zao)聲影響小，幅(fu)值穩定，且其(qi)幅🌂值與流量(liàng)信号的大小(xiao)成比例。因😄此(ci)，可以選取某(mǒu)一适當🌐的高(gāo)次🏃‍♂️諧波幅值(zhi)來反映整體(ti)流量信号的(de)大小。
　　信号處(chu)理算法的具(ju)體步驟爲對(duì)水煤漿信号(hao)進行一定點(dian)⛷️數的💃🏻快速傅(fu)裏葉變換(FFT)計(jì)算;提取某一(yi)受水煤漿噪(zào)聲影響✂️小的(de)高次諧波所(suo)在頻率點處(chu)的幅值;對提(tí)取到的🤟幅值(zhi)進行排序，取(qu)中間若幹點(dian)的均值作爲(wèi)當前一輪FFT計(ji)算得到的高(gao)次諧波幅值(zhi);最後😘對得到(dào)的幅值進行(hang)滑動💚平均濾(lü)波，作爲最終(zhong)的輸出。對圖(tu)1所示🏃‍♂️的水煤(méi)漿信号在MATLAB中(zhong)進行上述處(chù)理，得到的頻(pín)率爲225Hz的高次(cì)諧波😄的幅值(zhí)曲線如圖9所(suo)示，得到波動(dòng)率爲:

2.2與已有(yǒu)漿液處理方(fang)法的比較
　　煤(mei)漿型電磁流(liu)量計針對紙(zhi)漿流量，提出(chū)了一種基于(yú)漿液🚩信号統(tǒng)計模型的信(xìn)号處理方法(fǎ)。該算法通過(guo)對👈一段時間(jiān)⁉️内漿液信号(hao)的幅值解調(diao)結果進行統(tong)計篩選，去除(chú)其中發生大(da)跳變的幅值(zhi)數據，進而得(dé)出一條受漿(jiāng)液幹擾影響(xiang)較小的“幅值(zhi)基準”。再根🆚據(ju)“幅值基準”，重(zhong)新構造“無漿(jiāng)液幹擾”的流(liú)量計輸出📞信(xin)号。然後，對“構(gòu)造信号”進行(hang)處理，最後輸(shu)出流☀️量計算(suan)結果。利用該(gai)算法對圖1所(suo)示的水煤漿(jiāng)信号進行處(chu)理，得到的解(jie)調幅值如圖(tú)10所示，解調結(jié)果的波動較(jiao)大，如下:

　　可見(jiàn)，用已有漿液(ye)算法處理水(shui)煤漿信号，測(cè)量結果波動(dong)‼️較大，說明無(wu)法通過去除(chu)漿液噪聲來(lái)提取與流量(liang)相關的感應(ying)電動勢信号(hao)，進一步驗證(zheng)了所提算法(fǎ)的正确性。
3系(xi)統實時實現(xian)和實驗
3.1系統(tǒng)軟件
　　系統的(de)軟件設計采(cai)用模塊化的(de)設計方法，将(jiāng)完成特定功(gōng)能或類似功(gong)能的子程序(xu)組合成功能(neng)模塊🔆，主要功(gong)能模塊有主(zhu)監控🙇‍♀️模塊、初(chu)始化模塊、中(zhōng)斷模塊及算(suan)法模塊等，由(yóu)主監控程序(xù)統一調用。軟(ruan)件框圖如圖(tu)11所示。

主監控程(chéng)序的流程圖(tú)如圖12所示。

1)系(xì)統上電後，DSP完(wán)成各種初始(shǐ)化工作，包括(kuo)系統初始化(huà)、外設初始化(hua)和算法初始(shǐ)化等，開啓定(dìng)時器以及AD采(cǎi)樣轉換模塊(kuai)。
2)AD采樣轉換結(jié)束後，通過多(duo)通道緩沖器(qi)McBSP傳輸到DSP，實時(shí)存儲到外擴(kuo)SAＲAM中的數據緩(huǎn)沖數組中，并(bìng)對采集到的(de)㊙️流量信号進(jin)行預處理。
3)在(zài)主循環中查(chá)詢數據更新(xin)是否完成，若(ruo)完成，則進行(hang)算法處理🈲，得(dé)到流速、瞬時(shí)流量等;在定(ding)時器中斷中(zhong)累加瞬時流(liú)量得到累積(jī)流量，同時，輸(shū)出4～20mA電流及PWM脈(mo)沖輸🐕出;最後(hòu)，進入按鍵掃(sao)描程序，查詢(xun)按鍵是否按(an)下。
4)将測量得(dé)到的結果通(tōng)過LCD顯示出來(lai)，并判斷是否(fou)有按鍵标志(zhi)✉️位置位。若有(yǒu)，則執行相應(ying)的按鍵操作(zuo)子🛀🏻程序。重複(fú)步驟2)～4)的過程(chéng)，對流量進行(háng)實時測量。
3.2現(xian)場實驗
　　将軟(ruan)件工程通過(guò)仿真器下載(zai)到變送器中(zhōng)的DSP裏，進行現(xian)場🈚實時勵磁(ci)和處理實驗(yàn)，通過液晶可(kě)以觀察流量(liàng)的波動情況(kuàng)，并将實🌍時流(liu)量通過ＲS485通信(xìn)傳至上位機(ji)。通過液晶🌐界(jie)面對🙇‍♀️實時流(liú)量進行了長(zhang)時間監視，發(fā)現流量波動(dòng)小于1m3/h。由于上(shàng)位機存儲數(shù)量有限🏒，僅記(jì)錄了250s内的實(shi)時流量變化(huà)曲線，如圖13所(suo)示。可見，流量(liang)在18.5～19.5m3/h波動👈，與管(guǎn)道上某國外(wài)著名廠家的(de)電🥵磁流量計(jì)的測量流量(liang)波動情況相(xiàng)吻合。

4結論
　　從(cóng)時域和頻域(yu)兩方面對水(shui)煤漿信号進(jin)行分析。分📧析(xi)煤漿型💛電磁(cí)流量計發現(xiàn)信号中漿液(yè)噪聲幅值遠(yuan)大于與流量(liang)♈信号相關的(de)感應電動勢(shì)幅值，且漿液(yè)噪聲疊加在(zai)基波上，導緻(zhi)基❤️波幅值大(dà)幅波動，從⭐而(er)使電磁流量(liang)計測⭕量結果(guǒ)波動大。
　　提出(chu)基于FFT計算的(de)勵磁頻率高(gāo)次諧波分析(xī)方法。即🚶‍♀️選取(qu)某一适當高(gāo)次諧波分量(liang)的幅值來反(fan)映流量信号(hào)的大小，有效(xiao)地避開🔞了水(shui)煤漿噪聲的(de)幹擾。在MATLAB中，用(yong)所提算法對(dui)實際🌈采集的(de)信号進行處(chù)理，得到的高(gāo)次諧波幅值(zhí)穩定，波動較(jiào)小。
　

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