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 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。

 

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 ～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 1 m 3 /h。由于上位機存儲數量有限，僅記錄了250 s 內的實時流量變化曲線，如圖 13 所示。可見，流量在 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 論

從時域和頻域兩方面對水煤漿信號進行分析。分析發現水煤漿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1 m 3 /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。