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基于諧波分析的煤漿電磁流量計信號處理方法 
發布時間:2018-08-20

摘要:針對國內漿液型電磁流量計測量水煤漿流量時出現波動大、甚至回零的問題,采集現場水煤漿信號,進行時域和頻域分析,找出其無法穩定測量水煤漿流量的原因。根據水煤漿信號的特征,提出基于勵磁頻率高次諧波分析的信號處理方法,選取受漿液噪聲干擾小的高次諧波幅值來反映流量信號的大小,有效地避開了水煤漿噪聲的干擾。在基于DSP的電磁流量計硬件系統上,實時實現水煤漿處理算法,并在現場進行實驗。實驗結果表明,測量的實時流量波動小于1m3/h,與現場實際流量的工況相吻合。
0引言
  水煤漿是一種由55%~65%的煤粉、34%~43%的水和1%的化學添加劑,經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、氣和煤用于發電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐,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氣。水煤漿在生產過程中使用煤漿泵輸送,在生產時,煤漿泵工作在額定轉速下,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,可能會導致煤漿泵堵塞,使煤漿泵出口壓力大幅跳動,引起水煤漿流速出現大幅波動,影響正常生產。因此,為了保證產品質量和生產安全,需要監測管道內水煤漿的流速,以及時發現煤漿泵的異常。電磁流量計測量管內不存在阻礙流體的部件,且受密度、粘度影響較小,適宜測量這類高濃度的固液混合物,是水煤漿計量的首選方案[1]。但是,隨著水煤漿應用范圍擴大,煤質開始發生變化,主要表現為煤的灰分變高,導致只有極少數國外著名廠家的電磁流量計可以實現水煤漿流量的穩定測量,但是,價格非常昂貴,是國產品牌的7~8倍,且沒有披露技術細節,而多數國外品牌和國內生產的電磁流量計,在管道內水煤漿流量穩定時,都出現了測量結果波動大,甚至測量結果回零的情況,這會導致系統跳車停產事故。因此,解決漿液型電磁流量計測量水煤漿時波動較大的問題,不僅能大大減少國內煤化工企業的生產成本,還是保證安全生產的關鍵。某國外著名廠家的電磁流量計通過選用耐沖刷,耐磨損的增強聚四氟乙烯作為襯里材料、低噪音電極以及抗噪音轉換器來降低測量流量的波動[2]。目前,國內外對電磁流量計測量類似紙漿的漿液流量在信號處理方面進行過一定的研究[3-7],但是,均沒有關于水煤漿測量信號處理方面的參考文獻。
  針對煤漿型電磁流量計測量水煤漿時出現較大波動、甚至回零的問題,本文采集現場電磁流量計輸出的水煤漿信號;在時域和頻域對信號進行分析,找出了電磁流量計不能穩定測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿信號特征,提出了基于勵磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基于DSP的電磁流量計變送器上實時實現該算法,進行現場驗證。實驗結果表明,測量結果較穩定,驗證了所提出的算法的有效性。
1數據采集分析
1.1現場實驗
  針對煤漿型電磁流量計測量水煤漿時出現較大波動,甚至回零這一問題,特去某煤化工企業甲醇分公司進行現場數據采集。該公司所使用的對置式四噴嘴氣化爐有4個噴嘴,噴嘴管道口徑為125mm,管中水煤漿流量基本穩定在19m3/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3臺煤漿型電磁流量計,每臺煤漿型電磁流量計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臺電磁流量計進行數據采集,因為該臺電磁流量計測量結果波動大,甚至出現回零的現象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵磁線圈上,組合成完整的電磁流量計,進行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心,采用高頻勵磁方案,其硬件主要包括勵磁控制系統和信號采集處理系統,具體的模塊有勵磁驅動模塊、信號調理采集模塊、信號處理控制模塊、人機接口模塊、通信模塊及電源管理模塊[8-12]。信號調理采集模塊中的調理電路對一次儀表輸出的信號進行放大和濾波,截止頻率是2kHz,放大倍數約為230倍。通過NI公司USB-6216型號的數據采集卡進行數據采集,把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一個差分輸入端,并設置數據采集卡工作在差分的測量模式,設置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號數據,每組數據的時間長度為5min。
1.2數據分析
  現場采集了25Hz方波勵磁下的水煤漿信號,發現水煤漿信號的幅值非常大,甚至接近AD的量程上限,如圖1所示。水煤漿信號主要由感應電動勢信號和電極噪聲組成。其中,感應電動勢信號是由導電液體切割磁場產生的,其幅值和相同流量下介質為水的感應電動勢幅值相同,僅約為數十毫伏。這是因為電磁流量計不受被測導電介質的溫度、粘度、密度以及導電率的影響,只要經過水標定后,就可以用來測量其他導電液體的流量[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跳變,也稱為漿液噪聲,具有強非平穩性、隨機性,頻域具有近似1/f的特性[14]。水煤漿信號中的漿液噪聲幅值非常大,峰峰值可達數伏,遠遠高于與流量相關的感應電動勢信號,如圖2所示。這給流量信號的提取造成了極大的困難。
煤漿型電磁流量計信號整體圖
煤漿型電磁流量計信號細節圖
  采用方波勵磁的電磁流量計,其傳感器輸出的與流量相關的感應電動勢信號的波形也類似于方波。針對與流量相關的感應電動勢信號f(t)的特點,可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對于一個給定單峰值為Em的矩形波信號,其傅里葉展開為:

  在傳感器輸出的信號中只有與流量相關的感應電動勢信號才是有用信號,被用來計算流量。而提取感應電動勢信號就需要包含頻率等于fe,3fe,5fe,…等頻率點的信號。但是,從水煤漿信號的頻譜圖可以看出,漿液噪聲頻帶較寬,在頻率點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,把其等分成數段,利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值并提取保存在一個數組中,使用繪圖工具畫出來,如圖4所示。可見,基波幅值在1~9mV波動,波動較大,而基波幅值在感應電動勢信號中所占的比重又最大,所以,必然導致計算出的流量波動劇烈,出現測量不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖中還可以看出,隨著頻率的遞增,水煤漿信號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系的,因此,煤漿型電磁流量計可以通過提取高次諧波計算流量,有效地避開漿液噪聲的干擾,得到比較穩定的測量結果。
煤漿型電磁流量計信號頻譜圖
  為了進一步研究水煤漿信號的特點,將其與紙漿信號進行對比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信號發現,在同樣流速下,測量介質為紙漿時,傳感器輸出信號經調理放大后能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號,且其漿液干擾僅為數十毫伏,要遠小于水煤漿信號中的漿液干擾,如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進行局部放大,得到如圖6所示的信號。可見,紙漿信號中的漿液干擾持續的時間也遠小于水煤漿信號中的漿液干擾,且頻率較低。
煤漿型電磁流量計信號基波幅值圖
煤漿型電磁流量計紙漿信號整體圖
煤漿型電磁流量計信號細節圖
  在頻域中對紙漿信號觀察時發現,紙漿信號的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近,距離流量信號基波頻率點較遠,對基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒有影響,紙漿信號在頻域中的圖形如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號,把其等分成數段,利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值并提取保存在一個數組中,使用繪圖工具畫出來,如圖8所示。可見,基波幅值在4.7~4.95mV變化,波動較小。因此,提取到的與流量相關的感應電動勢信號幅值會比較穩定。


  從以上分析可知,水煤漿信號與紙漿信號有較大差異,煤漿型電磁流量計適用于紙漿信號的信號處理方法不再適用于水煤漿信號。
2信號處理方法
2.1基于勵磁頻率高次諧波的計算方法
  雖然水煤漿信號的基波受漿液干擾影響,波動較大,但是,流量信號的高次諧波分量受水煤漿噪聲影響小,幅值穩定,且其幅值與流量信號的大小成比例。因此,可以選取某一適當的高次諧波幅值來反映整體流量信號的大小。
  信號處理算法的具體步驟為對水煤漿信號進行一定點數的快速傅里葉變換(FFT)計算;提取某一受水煤漿噪聲影響小的高次諧波所在頻率點處的幅值;對提取到的幅值進行排序,取中間若干點的均值作為當前一輪FFT計算得到的高次諧波幅值;最后對得到的幅值進行滑動平均濾波,作為最終的輸出。對圖1所示的水煤漿信號在MATLAB中進行上述處理,得到的頻率為225Hz的高次諧波的幅值曲線如圖9所示,得到波動率為:

2.2與已有漿液處理方法的比較
  煤漿型電磁流量計針對紙漿流量,提出了一種基于漿液信號統計模型的信號處理方法。該算法通過對一段時間內漿液信號的幅值解調結果進行統計篩選,去除其中發生大跳變的幅值數據,進而得出一條受漿液干擾影響較小的“幅值基準”。再根據“幅值基準”,重新構造“無漿液干擾”的流量計輸出信號。然后,對“構造信號”進行處理,最后輸出流量計算結果。利用該算法對圖1所示的水煤漿信號進行處理,得到的解調幅值如圖10所示,解調結果的波動較大,如下:

  可見,用已有漿液算法處理水煤漿信號,測量結果波動較大,說明無法通過去除漿液噪聲來提取與流量相關的感應電動勢信號,進一步驗證了所提算法的正確性。
3系統實時實現和實驗
3.1系統軟件
  系統的軟件設計采用模塊化的設計方法,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控模塊、初始化模塊、中斷模塊及算法模塊等,由主監控程序統一調用。軟件框圖如圖11所示。
煤漿型電磁流量計系統軟件框圖
主監控程序的流程圖如圖12所示。

1)系統上電后,DSP完成各種初始化工作,包括系統初始化、外設初始化和算法初始化等,開啟定時器以及AD采樣轉換模塊。
2)AD采樣轉換結束后,通過多通道緩沖器McBSP傳輸到DSP,實時存儲到外擴SARAM中的數據緩沖數組中,并對采集到的流量信號進行預處理。
3)在主循環中查詢數據更新是否完成,若完成,則進行算法處理,得到流速、瞬時流量等;在定時器中斷中累加瞬時流量得到累積流量,同時,輸出4~20mA電流及PWM脈沖輸出;最后,進入按鍵掃描程序,查詢按鍵是否按下。
4)將測量得到的結果通過LCD顯示出來,并判斷是否有按鍵標志位置位。若有,則執行相應的按鍵操作子程序。重復步驟2)~4)的過程,對流量進行實時測量。
3.2現場實驗
  將軟件工程通過仿真器下載到變送器中的DSP里,進行現場實時勵磁和處理實驗,通過液晶可以觀察流量的波動情況,并將實時流量通過RS485通信傳至上位機。通過液晶界面對實時流量進行了長時間監視,發現流量波動小于1m3/h。由于上位機存儲數量有限,僅記錄了250s內的實時流量變化曲線,如圖13所示。可見,流量在18.5~19.5m3/h波動,與管道上某國外著名廠家的電磁流量計的測量流量波動情況相吻合。

4結論
  從時域和頻域兩方面對水煤漿信號進行分析。分析煤漿型電磁流量計發現信號中漿液噪聲幅值遠大于與流量信號相關的感應電動勢幅值,且漿液噪聲疊加在基波上,導致基波幅值大幅波動,從而使電磁流量計測量結果波動大。
  提出基于FFT計算的勵磁頻率高次諧波分析方法。即選取某一適當高次諧波分量的幅值來反映流量信號的大小,有效地避開了水煤漿噪聲的干擾。在MATLAB中,用所提算法對實際采集的信號進行處理,得到的高次諧波幅值穩定,波動較小。
  在基于DSP的煤漿型電磁流量計硬件系統上,編寫軟件,實時實現水煤漿處理算法,并在現場進行實驗。實驗結果表明,測量的實時流量波動小于1m3/h,與現場實際流量的工況相吻合。本文所提方法和研制的系統解決了水煤漿流量的測量問題。

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