电磁流量传感器浆液流量信号处理方法研究与实现

摘要

电磁流量计因测量管内无阻流及活动部件，适宜于进行水煤浆、纸浆、矿浆等固液两相流流量的测量。但是，在测量浆液流量时，流体中的固体颗粒随机摩擦传感器电极产生随机非平稳浆液干扰，导致电磁流量计测量结果发生剧烈波动、无法正常工作。国际著名公司虽然推出了可以测量固液两相流测量的电磁流量计，但是，没有披露具体技术细节。国内还无法解决这一技术难题。为此，本文开展电磁流量传感器浆液流量信号处理方法研究与实现工作。
　　基于浆液流量测量的实验数据，建立电磁流量计浆液流量信号幅值解调结果的概率统计模型。针对电磁流量传感器浆液流量信号的随机非平稳特性，先进行浆液流量信号的幅值解调，再对解调结果进行概率密度拟合，结果表明浆液流量信号幅值解调结果的概率密度服从非高斯的α稳定分布。
　　提出一种基于幅值统计重构滤波的电磁流量计浆液信号处理方法。基于α稳定分布模型，对浆液流量信号先进行幅值解调，再进行非线性中值滤波去除解调结果中的浆液干扰，使用滤波结果重构“无干扰”的流量信号，最后对重构信号进行梳状带通滤波进一步去除干扰。
　　提出一种基于小波分解重构滤波的电磁流量计浆液信号处理方法。首先进行浆液流量信号的平稳Haar小波分解。根据流量信号小波系数的周期性，进行小波系数的同相位序列分解。因为小波系数同相位序列的幅值概率密度服从α稳定分布，所以对小波系数进行同相位分解、非线性中值滤波去除浆液干扰。对低频尺度系数进行陷波提取流量信号分量，再对陷波结果进行同相位分解、非线性中值滤波去除浆液干扰。最后采用小波系数和尺度系数的滤波结果进行平稳Haar小波重构，实现流量信号和非平稳浆液噪声的完整分离。
　　提出一种基于差分预处理的电磁流量计浆液信号处理方法。首先进行浆液流量信号的一阶差分预处理、半周期差分预处理，将浆液信号近似平稳化到零附近。因为差分预处理信号同相位序列的幅值概率密度服从α稳定分布，所以对差分预处理信号进行同相位分解、非线性中值滤波去除浆液干扰。半周期差分预处理信号的滤波结果即为流量信号。一阶差分预处理信号滤波后，再进行梳状带通滤波去除低频漂移干扰，以零为初值进行一阶积分还原成流量信号。
　　提出一种基于流速特征的可变窗口动态流速跟随方法。基于系统采用的浆液流量信号处理方法，在滤波过程中同时进行大窗口参数非线性滤波、小窗口参数非线性滤波。以两种滤波结果之差作为流速变化特征信号，并设置判断条件。判断流速变化时输出小窗口参数滤波结果，判断流速稳定时输出大窗口参数滤波结果，实现浆液信号处理系统在稳态流量测量时波动率小、流量变化时跟随速度快的效果。
　　研制一套基于DSP的电磁流量计浆液信号处理系统。基于电磁流量计变送器硬件系统，实时实现了基于幅值统计重构滤波的浆液信号处理算法，实时实现了基于梳状带通滤波的水流量信号处理方法。系统具有上电空管检测和正常测量空管检测功能，采用基于阈值控制的流量信号偏置调整方法，校正了电流输出模块和脉冲输出模块，提高了输出模块精度。水流量标定结果表明，本文研制的电磁流量计水流量信号处理系统在流速0.25～10 m/s时标定精度优于0.5％、重复性优于0.1。
　　设计一套电磁流量传感器的固液两相流实验标定装置。为考核本文研制的电磁流量计浆液信号处理系统，设计一套固液两相实验装置，能够完成标准表法、容积法、质量法标定。在制作完成的实验装置上，将本文研制的浆液型电磁流量计变送器依次连接日本横河电磁流量计传感器、上海一诺仪表有限公司电磁流量计传感器，与德国科隆电磁流量计开展了水流量和纸浆浆液的质量法标定实验、PVC颗粒浆液的对比实验。实验结果表明，本文研制的浆液型电磁流量变送器的响应时间与德国科隆电磁流量计相当;本文研制的浆液型电磁流量变送器连接日本横河电磁流量计传感器时，性能指标优于德国科隆电磁流量计;本文研制的浆液型电磁流量变送器连接上海一诺仪表有限公司电磁流量计传感器时，性能指标与德国科隆电磁流量计相当。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 电磁流量计

1．2．1 基本类型

1．2．2 励磁方式

1．3 国内外研究现状

1．3．1 励磁和信号处理方法研究

1．3．2 浆液噪声分析

1．3．3 存在问题

1．4 主要研究内容

第二章 纸浆浆液流量实验和信号分析

2．1 实验装置

2．2 频域分布

2．3 概率统计

2．3．1 幅值解调

2．3．2 分布函数

2．3．3 数据拟合

2．4 本章小结

第三章 基于幅值统计重构滤波的浆液流量信号处理方法

3．1 幅值重构

3．2 滤波方案

3．3 实际信号处理

3．4 本章小结

第四章 基于平稳小波分解重构的浆液流量信号分离方法

4．1 信号分离方法

4．1．1 平稳小波变换

4．1．2 同相位序列分解

4．1．3 系数滤波

4．1．4 信号重构

4．2 方法验证

4．2．1 构造信号

4．2．2 同相位序列分解

4．2．3 小波系数滤波

4．2．4 尺度系数滤波

4．2．5 信号重构

4．3 实际信号处理

4．3．1 同相位序列分解

4．3．2 系数滤波和信号重构

4．3．3 幅值解调

4．4 算法简化

4．5 本章小结

第五章 基于差分预处理的浆液流量信号分离方法

5．1 差分预处理

5．2 同相位序列分解

5．3 滤波和重构

5．4 幅值解调结果

5．5 本章小结

第六章 基于流速特征的可变窗口动态流量跟随方法

6．1 基于方法2的动态流速跟随方法

6．1．1 流速特征提取

6．1．2 流速变化判断

6．1．3 幅值重构滤波

6．2 基于方法5的动态流速跟随方法

6．2．1 流速特征提取

6．2．2 流速变化判断

6．2．3 幅值重构滤波

6．3 本章小结

第七章 基于DSP的信号处理系统研制

7．1 硬件模块

7．1．1 系统框图

7．1．2 工作过程

7．2 浆液测量软件系统

7．2．1 软件结构框图

7．2．2 主监控模块

7．2．3 偏置调整模块

7．2．4 励磁控制模块和空管侦测模块

7．2．5 浆液测量信号处理模块

7．2．6 输出模块

7．3 水流量测量软件系统

7．4 水流量标定实验

7．5 本章小结

第八章 固液两相流实验装置的设计与实验

8．1 装置组成

8．2 标定实验

8．2．1 水流量标定

8．2．2 纸浆浆液标定

8．3 稳态波动率实验

8．3．1 纸浆浆液实验

8．3．2 PVC颗粒浆液实验

8．4 动态响应速度实验

8．5 本章小结

第九章 总结与展望

9．1 工作总结

9．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况

附录