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(wěn)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?shù)母叽沃C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(shù)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 225 Hz的高次諧波的幅值曲線如圖 9 所示，得到波動率為:

式中:max、min 分別表示計算得到的幅值結(jié)果中的最大值和最小值。可見，所提算法的處理效果較好。

2. 2 與已有漿液處理方法的比較

文獻［15］針對紙漿流量，提出了一種基于漿液信號統(tǒng)計模型的信號處理方法。該算法通過對一段時間內(nèi)漿液信號的幅值解調(diào)結(jié)果進行統(tǒng)計篩選，去除其中發(fā)生大跳變的幅值數(shù)據(jù)，進而得出一條受漿液干擾影響較小的“幅值基準”。再根據(jù)“幅值基準”，重新構(gòu)造“無漿液干擾”的流量計輸出信號。然后，對“構(gòu)造信號”進行處理，最后輸出流量計算結(jié)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(diào)幅值如圖 10 所示，解調(diào)結(jié)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(jié)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(guān)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(tǒng)實時實現(xiàn)和實驗

3. 1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)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(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)?DSP，實時存儲到外擴 SAＲAM 中的數(shù)據(jù)緩沖數(shù)組中，并對采集到的流量信號進行預處理。

 

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 ～20 mA 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(jié)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(zhí)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(xiàn)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(xiàn)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(jiān)視，發(fā)現(xiàn)流量波動小于 1 m 3 /h。由于上位機存儲數(shù)量有限，僅記錄了250 s 內(nèi)的實時流量變化曲線，如圖 13 所示?？梢姡髁吭?18. 5 ～ 19. 5 m 3 /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(jié) 論

從時域和頻域兩方面對水煤漿信號進行分析。分析發(fā)現(xiàn)水煤漿信號中漿液噪聲幅值遠大于與流量信號相關(guān)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(jié)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(wěn)定，波動較小。

 

在基于 DSP 的電磁流量計硬件系統(tǒng)上，編寫軟件，實時實現(xiàn)水煤漿處理算法，并在現(xiàn)場進行實驗。實驗結(jié)果表明，測量的實時流量波動小于1 m 3 /h，與現(xiàn)場實際流量的工況相吻合。本文所提方法和研制的系統(tǒng)解決了水煤漿流量的測量問題。