摘要:针对国内浆液型电磁流量计测量水煤浆流量时出现波动大、甚至回零的问题，采集现场水煤浆信号，进行时域和频域分析，找出其无法稳定测量水煤浆流量的原因。根据水煤浆信号的特征，提出基于励磁频率高次谐波分析的信号处理方法，选取受浆液噪声干扰小的高次谐波幅值来反映流量信号的大小，有效地避开了水煤浆噪声的干扰。在基于DSP的电磁流量计硬件系统上，实时实现水煤浆处理算法，并在现场进行实验。实验结果表明，测量的实时流量波动小于1m3/h，与现场实际流量的工况相吻合。
0引言
　　水煤浆是一种由55%～65%的煤粉、34%～43%的水和1%的化学添加剂，经过一定的工艺加工而成的固液混合物，既可作为燃料代替油、气和煤用于发电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉，缓解石油短缺的能源安全问题，又可作为制备合成气的原料，通过气化生成CO、CO2和H2等气体，作为工艺过程中的反应气。水煤浆在生产过程中使用煤浆泵输送，在生产时，煤浆泵工作在额定转速下，所以，水煤浆的流速基本保持不变。但是，水煤浆是一种非牛顿流体，并且存在固体颗粒的沉淀，加上流速低，所以，可能会导致煤浆泵堵塞，使煤浆泵出口压力大幅跳动，引起水煤浆流速出现大幅波动，影响正常生产。因此，为了保证产品质量和生产安全，需要监测管道内水煤浆的流速，以及时发现煤浆泵的异常。电磁流量计测量管内不存在阻碍流体的部件，且受密度、粘度影响较小，适宜测量这类高浓度的固液混合物，是水煤浆计量的首选方案［1］。但是，随着水煤浆应用范围扩大，煤质开始发生变化，主要表现为煤的灰分变高，导致只有极少数国外著名厂家的电磁流量计可以实现水煤浆流量的稳定测量，但是，价格非常昂贵，是国产品牌的7～8倍，且没有披露技术细节，而多数国外品牌和国内生产的电磁流量计，在管道内水煤浆流量稳定时，都出现了测量结果波动大，甚至测量结果回零的情况，这会导致系统跳车停产事故。因此，解决浆液型电磁流量计测量水煤浆时波动较大的问题，不仅能大大减少国内煤化工企业的生产成本，还是保证安全生产的关键。某国外著名厂家的电磁流量计通过选用耐冲刷，耐磨损的增强聚四氟乙烯作为衬里材料、低噪音电极以及抗噪音转换器来降低测量流量的波动［2］。目前，国内外对电磁流量计测量类似纸浆的浆液流量在信号处理方面进行过一定的研究［3-7］，但是，均没有关于水煤浆测量信号处理方面的参考文献。
　　针对煤浆型电磁流量计测量水煤浆时出现较大波动、甚至回零的问题，本文采集现场电磁流量计输出的水煤浆信号;在时域和频域对信号进行分析，找出了电磁流量计不能稳定测量水煤浆流量的原因;根据水煤浆信号特征，提出了基于励磁频率高次谐波分析的煤浆流量计信号处理方法;在基于DSP的电磁流量计变送器上实时实现该算法，进行现场验证。实验结果表明，测量结果较稳定，验证了所提出的算法的有效性。
1数据采集分析
1.1现场实验
　　针对煤浆型电磁流量计测量水煤浆时出现较大波动，甚至回零这一问题，特去某煤化工企业甲醇分公司进行现场数据采集。该公司所使用的对置式四喷嘴气化炉有4个喷嘴，喷嘴管道口径为125mm，管中水煤浆流量基本稳定在19m3/h(流速约为0.48m/s)。每条喷嘴煤浆线上安装了3台煤浆型电磁流量计，每台煤浆型电磁流量计由传感器和变送器两部分组成。选择其中1条水煤浆管线上的1台电磁流量计进行数据采集，因为该台电磁流量计测量结果波动大，甚至出现回零的现象。将课题组研制的基于DSP的电磁流量变送器的信号线和励磁线接到该电磁流量传感器的电极和励磁线圈上，组合成完整的电磁流量计，进行水煤浆数据采集。使用的电磁流量变送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335为核心，采用高频励磁方案，其硬件主要包括励磁控制系统和信号采集处理系统，具体的模块有励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通信模块及电源管理模块［8-12］。信号调理采集模块中的调理电路对一次仪表输出的信号进行放大和滤波，截止频率是2kHz，放大倍数约为230倍。通过NI公司USB－6216型号的数据采集卡进行数据采集，把调理电路的输出端连接到数据采集卡的一个差分输入端，并设置数据采集卡工作在差分的测量模式，设置采集卡的采样频率为10kHz。采集多组水煤浆信号数据，每组数据的时间长度为5min。
1.2数据分析
　　现场采集了25Hz方波励磁下的水煤浆信号，发现水煤浆信号的幅值非常大，甚至接近AD的量程上限，如图1所示。水煤浆信号主要由感应电动势信号和电极噪声组成。其中，感应电动势信号是由导电液体切割磁场产生的，其幅值和相同流量下介质为水的感应电动势幅值相同，仅约为数十毫伏。这是因为电磁流量计不受被测导电介质的温度、粘度、密度以及导电率的影响，只要经过水标定后，就可以用来测量其他导电液体的流量［13］。电极噪声是水煤浆中的固体颗粒划过电极而引起的信号跳变，也称为浆液噪声，具有强非平稳性、随机性，频域具有近似1/f的特性［14］。水煤浆信号中的浆液噪声幅值非常大，峰峰值可达数伏，远远高于与流量相关的感应电动势信号，如图2所示。这给流量信号的提取造成了极大的困难。


　　采用方波励磁的电磁流量计，其传感器输出的与流量相关的感应电动势信号的波形也类似于方波。针对与流量相关的感应电动势信号f(t)的特点，可知其是由基波和奇次谐波叠加而成的。对于一个给定单峰值为Em的矩形波信号，其傅里叶展开为:

　　在传感器输出的信号中只有与流量相关的感应电动势信号才是有用信号，被用来计算流量。而提取感应电动势信号就需要包含频率等于fe，3fe，5fe，…等频率点的信号。但是，从水煤浆信号的频谱图可以看出，浆液噪声频带较宽，在频率点fe处的幅值较大，甚至将基波淹没，如图3所示。选择一组采集的水煤浆信号，把其等分成数段，利用MATLAB计算每段数据在基波处的幅值并提取保存在一个数组中，使用绘图工具画出来，如图4所示。可见，基波幅值在1～9mV波动，波动较大，而基波幅值在感应电动势信号中所占的比重又最大，所以，必然导致计算出的流量波动剧烈，出现测量不稳定的问题。从图3水煤浆信号的频谱图中还可以看出，随着频率的递增，水煤浆信号中的浆液噪声逐渐衰减，使高次谐波开始凸显。由式(1)可知，高次谐波的幅值也是与流量成线性关系的，因此，煤浆型电磁流量计可以通过提取高次谐波计算流量，有效地避开浆液噪声的干扰，得到比较稳定的测量结果。

　　为了进一步研究水煤浆信号的特点，将其与纸浆信号进行对比。通过分析课题组采集的25Hz矩形波励磁下的纸浆信号发现，在同样流速下，测量介质为纸浆时，传感器输出信号经调理放大后能明显看到与流量相关的感应电动势信号，且其浆液干扰仅为数十毫伏，要远小于水煤浆信号中的浆液干扰，如图5所示。对图5所示的纸浆信号进行局部放大，得到如图6所示的信号。可见，纸浆信号中的浆液干扰持续的时间也远小于水煤浆信号中的浆液干扰，且频率较低。



　　在频域中对纸浆信号观察时发现，纸浆信号的浆液噪声频带在零频率点附近，距离流量信号基波频率点较远，对基波幅值和各奇次谐波幅值基本没有影响，纸浆信号在频域中的图形如图7所示。选择一组采集的纸浆信号，把其等分成数段，利用MATLAB计算每段数据在基波处的幅值并提取保存在一个数组中，使用绘图工具画出来，如图8所示。可见，基波幅值在4.7～4.95mV变化，波动较小。因此，提取到的与流量相关的感应电动势信号幅值会比较稳定。


　　从以上分析可知，水煤浆信号与纸浆信号有较大差异，煤浆型电磁流量计适用于纸浆信号的信号处理方法不再适用于水煤浆信号。
2信号处理方法
2.1基于励磁频率高次谐波的计算方法
　　虽然水煤浆信号的基波受浆液干扰影响，波动较大，但是，流量信号的高次谐波分量受水煤浆噪声影响小，幅值稳定，且其幅值与流量信号的大小成比例。因此，可以选取某一适当的高次谐波幅值来反映整体流量信号的大小。
　　信号处理算法的具体步骤为对水煤浆信号进行一定点数的快速傅里叶变换(FFT)计算;提取某一受水煤浆噪声影响小的高次谐波所在频率点处的幅值;对提取到的幅值进行排序，取中间若干点的均值作为当前一轮FFT计算得到的高次谐波幅值;最后对得到的幅值进行滑动平均滤波，作为最终的输出。对图1所示的水煤浆信号在MATLAB中进行上述处理，得到的频率为225Hz的高次谐波的幅值曲线如图9所示，得到波动率为:

2.2与已有浆液处理方法的比较
　　煤浆型电磁流量计针对纸浆流量，提出了一种基于浆液信号统计模型的信号处理方法。该算法通过对一段时间内浆液信号的幅值解调结果进行统计筛选，去除其中发生大跳变的幅值数据，进而得出一条受浆液干扰影响较小的“幅值基准”。再根据“幅值基准”，重新构造“无浆液干扰”的流量计输出信号。然后，对“构造信号”进行处理，最后输出流量计算结果。利用该算法对图1所示的水煤浆信号进行处理，得到的解调幅值如图10所示，解调结果的波动较大，如下:

　　可见，用已有浆液算法处理水煤浆信号，测量结果波动较大，说明无法通过去除浆液噪声来提取与流量相关的感应电动势信号，进一步验证了所提算法的正确性。
3系统实时实现和实验
3.1系统软件
　　系统的软件设计采用模块化的设计方法，将完成特定功能或类似功能的子程序组合成功能模块，主要功能模块有主监控模块、初始化模块、中断模块及算法模块等，由主监控程序统一调用。软件框图如图11所示。

主监控程序的流程图如图12所示。

1)系统上电后，DSP完成各种初始化工作，包括系统初始化、外设初始化和算法初始化等，开启定时器以及AD采样转换模块。
2)AD采样转换结束后，通过多通道缓冲器McBSP传输到DSP，实时存储到外扩SAＲAM中的数据缓冲数组中，并对采集到的流量信号进行预处理。
3)在主循环中查询数据更新是否完成，若完成，则进行算法处理，得到流速、瞬时流量等;在定时器中断中累加瞬时流量得到累积流量，同时，输出4～20mA电流及PWM脉冲输出;最后，进入按键扫描程序，查询按键是否按下。
4)将测量得到的结果通过LCD显示出来，并判断是否有按键标志位置位。若有，则执行相应的按键操作子程序。重复步骤2)～4)的过程，对流量进行实时测量。
3.2现场实验
　　将软件工程通过仿真器下载到变送器中的DSP里，进行现场实时励磁和处理实验，通过液晶可以观察流量的波动情况，并将实时流量通过ＲS485通信传至上位机。通过液晶界面对实时流量进行了长时间监视，发现流量波动小于1m3/h。由于上位机存储数量有限，仅记录了250s内的实时流量变化曲线，如图13所示。可见，流量在18.5～19.5m3/h波动，与管道上某国外著名厂家的电磁流量计的测量流量波动情况相吻合。

4结论
　　从时域和频域两方面对水煤浆信号进行分析。分析煤浆型电磁流量计发现信号中浆液噪声幅值远大于与流量信号相关的感应电动势幅值，且浆液噪声叠加在基波上，导致基波幅值大幅波动，从而使电磁流量计测量结果波动大。
　　提出基于FFT计算的励磁频率高次谐波分析方法。即选取某一适当高次谐波分量的幅值来反映流量信号的大小，有效地避开了水煤浆噪声的干扰。在MATLAB中，用所提算法对实际采集的信号进行处理，得到的高次谐波幅值稳定，波动较小。
　　在基于DSP的煤浆型电磁流量计硬件系统上，编写软件，实时实现水煤浆处理算法，并在现场进行实验。实验结果表明，测量的实时流量波动小于1m3/h，与现场实际流量的工况相吻合。本文所提方法和研制的系统解决了水煤浆流量的测量问题。

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