汙（wū）泥計量表測量水煤漿流量（liàng）不穩定原因（yīn）分析
點擊次數（shù）：1877 發布時間（jiān）：2021-01-03 08:17:33
汙（wū）泥計量表是由（yóu）直（zhí）接接觸管道介質的傳感器和上端信號轉換器兩部（bù）分構成。它是基於法拉*電磁感應定律工作的（de），用來測量電導率大於3μs/cm的導電液體的流（liú）量，是（shì）一種測量導電介質流量的儀表。除（chú）了（le）可以測量一般導電液體的流量外，還可以用於測量強酸、強堿等強腐蝕性液體和均勻含有液（yè）固兩相懸浮的液體，如泥漿、礦漿、紙漿（jiāng）等。特別設計了帶背光寬屏的中.英文液晶顯示（shì）器，功能齊全實用、顯示直觀、操作使用方便，在滿足現場顯示的同時，還可以輸出4～20mA電流信號（hào）供記錄、調節和控製用，現已廣泛地應用於化工、環保、冶（yě）金、醫藥、造紙、給（gěi）排水等工業技術和管理部（bù）門。
水煤漿（jiāng）是一種由55%～65%的（de）煤粉、34%～43%的水（shuǐ）和1%的化學添加（jiā）劑，經過一定的工藝加工（gōng）而成的固液（yè）混合物，既可作為（wéi）燃料代替油、氣和煤用於發電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯（yáo）爐，緩解石油短缺的能源安全問題，又可作為製（zhì）備合成（chéng）氣的（de）原料，通過氣化生（shēng）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（yòng）煤漿泵輸送，在生（shēng）產時，煤漿泵（bèng）工作在額定（dìng）轉速下，所以，水煤漿的流速基本保持不變。但（dàn）是，水煤漿是一種非牛（niú）頓流體，並且存在固體顆粒的沉澱，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（sù）出現大幅（fú）波動，影響正常（cháng）生產。因此，為了保證產品質量和生產（chǎn）安（ān）全，需要監（jiān）測管道內水煤漿的流速，以及時發現煤漿泵的異常。汙泥計量表測量管內不存在阻礙流體的部件，且受密度、粘（zhān）度影響較小，適宜測量（liàng）這（zhè）類高濃度的固液混合物，是水煤漿（jiāng）計量的*選方案。但是，隨著水煤漿應用範圍擴大（dà），煤質開（kāi）始發生變化，主（zhǔ）要表現為煤的灰分變高，導致（zhì）隻有*少數（shù）國（guó）外（wài）**廠家的汙泥計量表可（kě）以實現水（shuǐ）煤漿流量的穩定測量，但是，價格非常昂貴，是國產品*的7～8倍，且沒有披露技術細節（jiē），而多數國外品*和國內生產（chǎn）的汙泥計量表，在管道內水（shuǐ）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，這會導致係統跳車停產事故。因此，解決（jué）漿液型汙泥計量表測（cè）量水煤漿時波動（dòng）較大的問題，不僅能大大減（jiǎn）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（wài）**廠家的汙泥計量表通過選用（yòng）耐衝（chōng）刷，耐磨損的增（zēng）強聚四氟乙（yǐ）烯作為襯裏材料、低噪音電*以及抗噪音轉換器（qì）來（lái）降低測量流量的（de）波動 。目前（qián），國內外對汙泥計量（liàng）表測量類（lèi）似紙漿的漿液流（liú）量在信號處理方（fāng）麵進行過一定的研究，但是，均（jun1）沒有關於水煤漿測量信號處理方麵的參考文獻（xiàn）。
針對汙泥（ní）計量表測量水煤（méi）漿時出現較大波動、甚至回零的問題，本文采集（jí）現場（chǎng）汙泥計量表輸出的水煤漿信號;在（zài）時域和頻域對信號進行分析，找出了汙泥計量表不能穩定測量水煤（méi）漿流量的原因;根據水煤漿信號特征，提出了基於勵磁頻率高次諧（xié）波（bō）分析的煤漿流量計信號處理方法;在基於DSP的汙泥計（jì）量表變送器上實時實現該算（suàn）法，進行現場驗證。實驗結果表明，測量結果較穩定（dìng），驗證了所提出的算法的有（yǒu）效性。
1、數據采集分（fèn）析
1.1現場實驗（yàn）
針對汙（wū）泥計量表測量水（shuǐ）煤漿時出現較大波動，甚至回零這一問題，特去（qù）某煤化工企業（yè）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（qì）化有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台汙泥計量表，每台汙泥計量表由傳感器和變送器兩部分組（zǔ）成。選擇其（qí）中1條水煤漿管線上的（de）1台汙泥計量表進行數據采集，因為該台汙泥計量表測量結果波動大，甚至出現回零的（de）現象。將課題組研製（zhì）的基於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*和勵磁線圈上，組合成（chéng）完（wán）整的汙（wū）泥計（jì）量表，進（jìn）行水煤漿數據采集。使用（yòng）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（zhǔ）要包括勵磁控製係統和信號采（cǎi）集處理係統，具體的模塊有勵磁驅動（dòng）模塊、信號調理采集模塊（kuài）、信號處理控製模塊、人機接口模塊、通信（xìn）模（mó）塊及電源管理模塊。信號（hào）調理采集模塊中的調理電路對一（yī）次儀表輸（shū）出的信號進（jìn）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（jù）采集卡的一個差分輸入端，並設置數據采集卡（kǎ）工作在差（chà）分（fèn）的測量模式，設置采集卡的采（cǎi）樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信（xìn）號數據，每組數據的時間長度為5min。
1.2數據（jù）分析
現場（chǎng）采集（jí）了25Hz方波勵磁下的水煤（méi）漿（jiāng）信號，發現水煤（méi）漿信號的幅（fú）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（yóu）感應電動勢信號和電*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（qí）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。這是因為汙泥計量表不受被測導電介質的溫度、粘（zhān）度、密度以及（jí）導電率的（de）影（yǐng）響，隻要經過水標定後，就可以用（yòng）來測量其他導電液體（tǐ）的流量。電（diàn）*噪聲是水煤漿中的固體顆粒（lì）劃過電*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（yù）具有近似1/f的特性。水煤漿信號中的漿液（yè）噪聲（shēng）幅值非常大，峰峰（fēng）值可達數伏，遠遠高（gāo）於與流量相關的感（gǎn）應電動勢信號，如（rú）圖2所示。這給流量信號的提取造成（chéng）了*大的困難。
采用方波勵磁的汙泥計量表（biǎo），其傳感器輸出的（de）與流（liú）量相（xiàng）關的感應電動勢信號的波形也類似於方波。針（zhēn）對與流（liú）量相關的感應電（diàn）動（dòng）勢信號f(t)的特（tè）點，可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對於一個給定單峰值為（wéi）Em的矩（jǔ）形波信號，其傅裏葉（yè）展開為：
式中：g(t) 表示（shì）漿液信號的幅值（zhí），特（tè）點為隨機跳變（biàn）的信（xìn）號，波動比較大，f表示頻率。漿液噪聲（shēng）在（zài）低（dī）頻段幅值比較大，隨著頻率的增加，漿液噪聲的幅值在減小。那麽，傳感器輸出的信（xìn）號s(t) 形式為：
在傳感器輸出的信（xìn）號中隻有與流量（liàng）相關的感應電（diàn）動勢信號（hào）才是有用信（xìn）號，被用來計算流量。而提取感應電動（dòng）勢信號就需（xū）要包含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信號。但是（shì），從水煤漿信號的頻（pín）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（shèn）至將基波淹沒，如圖（tú）3所示。選擇一（yī）組（zǔ）采集的水煤（méi）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（fú）值並提取保存在一（yī）個數組中，使用繪圖工（gōng）具畫出來，如圖4所示。可見，基波幅值（zhí）在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在（zài）感應電動勢信號中所（suǒ）占的比重又*大，所以，必然導致計算（suàn）出的流量（liàng）波動劇（jù）烈（liè），出現測（cè）量不穩定的問題。從圖3水（shuǐ）煤漿信號的頻譜圖中還可以看出（chū），隨著頻率的遞增，水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減，使高（gāo）次諧波開始凸顯。由（yóu）式(1)可知，高次（cì）諧波的幅值也是與流（liú）量成線性關係的，因（yīn）此，可以通過提取高次諧波（bō）計（jì）算流（liú）量，有效地避開漿液噪聲的（de）幹擾，得到比較穩定的測量結果。
為了（le）進一步研究水煤漿信號的特點，將（jiāng）其與紙漿信號進行對比。通過分析課題組采集（jí）的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信號發現，在同樣流速下，測（cè）量介質（zhì）為紙漿時，傳感器輸出信號經調理放大後能明顯看到與流量相關（guān）的感應電動勢信號，且其（qí）漿（jiāng）液幹擾（rǎo）僅為數十毫伏，要遠小於水煤漿信號中的（de）漿液幹擾，如圖5所示。對（duì）圖5所示的紙漿信號進行局部放（fàng）大，得到如圖6所示的信號。可見，紙漿信號中的漿液幹擾持續的時間（jiān）也（yě）遠小於水煤漿信號中的漿液幹擾，且頻率較低。
在頻域中對紙漿信號觀察時發現，紙（zhǐ）漿信（xìn）號的（de）漿（jiāng）液（yè）噪聲頻帶在零頻率點附近，距離流量（liàng）信號基（jī）波頻率點較遠（yuǎn），對基波幅值和各奇次諧波幅值（zhí）基本沒有影響，紙（zhǐ）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（hào），把其等分成數段，利（lì）用MATLAB計（jì）算（suàn）每段數據在基波處的幅（fú）值並提取保存在一個數組中，使用繪圖工具畫出來（lái），如圖8所示。可見，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動較（jiào）小（xiǎo）。因此，提（tí）取到的與流量相關的感應電動勢（shì）信號幅值會比較穩定。
從（cóng）以上分析可知，水煤漿信號與紙漿信號有較大差（chà）異，適用於紙漿（jiāng）信號（hào）的信號處理方法不再適用於水煤漿信號。
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水煤漿（jiāng）是一種由55%～65%的（de）煤粉、34%～43%的水（shuǐ）和1%的化學添加（jiā）劑，經過一定的工藝加工（gōng）而成的固液（yè）混合物，既可作為（wéi）燃料代替油、氣和煤用於發電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯（yáo）爐，緩解石油短缺的能源安全問題，又可作為製（zhì）備合成（chéng）氣的（de）原料，通過氣化生（shēng）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（yòng）煤漿泵輸送，在生（shēng）產時，煤漿泵（bèng）工作在額定（dìng）轉速下，所以，水煤漿的流速基本保持不變。但（dàn）是，水煤漿是一種非牛（niú）頓流體，並且存在固體顆粒的沉澱，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（sù）出現大幅（fú）波動，影響正常（cháng）生產。因此，為了保證產品質量和生產（chǎn）安（ān）全，需要監（jiān）測管道內水煤漿的流速，以及時發現煤漿泵的異常。汙泥計量表測量管內不存在阻礙流體的部件，且受密度、粘（zhān）度影響較小，適宜測量（liàng）這（zhè）類高濃度的固液混合物，是水煤漿（jiāng）計量的*選方案。但是，隨著水煤漿應用範圍擴大（dà），煤質開（kāi）始發生變化，主（zhǔ）要表現為煤的灰分變高，導致（zhì）隻有*少數（shù）國（guó）外（wài）**廠家的汙泥計量表可（kě）以實現水（shuǐ）煤漿流量的穩定測量，但是，價格非常昂貴，是國產品*的7～8倍，且沒有披露技術細節（jiē），而多數國外品*和國內生產（chǎn）的汙泥計量表，在管道內水（shuǐ）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，這會導致係統跳車停產事故。因此，解決（jué）漿液型汙泥計量表測（cè）量水煤漿時波動（dòng）較大的問題，不僅能大大減（jiǎn）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（wài）**廠家的汙泥計量表通過選用（yòng）耐衝（chōng）刷，耐磨損的增（zēng）強聚四氟乙（yǐ）烯作為襯裏材料、低噪音電*以及抗噪音轉換器（qì）來（lái）降低測量流量的（de）波動 。目前（qián），國內外對汙泥計量（liàng）表測量類（lèi）似紙漿的漿液流（liú）量在信號處理方（fāng）麵進行過一定的研究，但是，均（jun1）沒有關於水煤漿測量信號處理方麵的參考文獻（xiàn）。
針對汙泥（ní）計量表測量水煤（méi）漿時出現較大波動、甚至回零的問題，本文采集（jí）現場（chǎng）汙泥計量表輸出的水煤漿信號;在（zài）時域和頻域對信號進行分析，找出了汙泥計量表不能穩定測量水煤（méi）漿流量的原因;根據水煤漿信號特征，提出了基於勵磁頻率高次諧（xié）波（bō）分析的煤漿流量計信號處理方法;在基於DSP的汙泥計（jì）量表變送器上實時實現該算（suàn）法，進行現場驗證。實驗結果表明，測量結果較穩定（dìng），驗證了所提出的算法的有（yǒu）效性。
1、數據采集分（fèn）析
1.1現場實驗（yàn）
針對汙（wū）泥計量表測量水（shuǐ）煤漿時出現較大波動，甚至回零這一問題，特去（qù）某煤化工企業（yè）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（qì）化有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台汙泥計量表，每台汙泥計量表由傳感器和變送器兩部分組（zǔ）成。選擇其（qí）中1條水煤漿管線上的（de）1台汙泥計量表進行數據采集，因為該台汙泥計量表測量結果波動大，甚至出現回零的（de）現象。將課題組研製（zhì）的基於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*和勵磁線圈上，組合成（chéng）完（wán）整的汙（wū）泥計（jì）量表，進（jìn）行水煤漿數據采集。使用（yòng）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（zhǔ）要包括勵磁控製係統和信號采（cǎi）集處理係統，具體的模塊有勵磁驅動（dòng）模塊、信號調理采集模塊（kuài）、信號處理控製模塊、人機接口模塊、通信（xìn）模（mó）塊及電源管理模塊。信號（hào）調理采集模塊中的調理電路對一（yī）次儀表輸（shū）出的信號進（jìn）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（jù）采集卡的一個差分輸入端，並設置數據采集卡（kǎ）工作在差（chà）分（fèn）的測量模式，設置采集卡的采（cǎi）樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信（xìn）號數據，每組數據的時間長度為5min。
1.2數據（jù）分析
現場（chǎng）采集（jí）了25Hz方波勵磁下的水煤（méi）漿（jiāng）信號，發現水煤（méi）漿信號的幅（fú）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（yóu）感應電動勢信號和電*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（qí）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。這是因為汙泥計量表不受被測導電介質的溫度、粘（zhān）度、密度以及（jí）導電率的（de）影（yǐng）響，隻要經過水標定後，就可以用（yòng）來測量其他導電液體（tǐ）的流量。電（diàn）*噪聲是水煤漿中的固體顆粒（lì）劃過電*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（yù）具有近似1/f的特性。水煤漿信號中的漿液（yè）噪聲（shēng）幅值非常大，峰峰（fēng）值可達數伏，遠遠高（gāo）於與流量相關的感（gǎn）應電動勢信號，如（rú）圖2所示。這給流量信號的提取造成（chéng）了*大的困難。
采用方波勵磁的汙泥計量表（biǎo），其傳感器輸出的（de）與流（liú）量相（xiàng）關的感應電動勢信號的波形也類似於方波。針（zhēn）對與流（liú）量相關的感應電（diàn）動（dòng）勢信號f(t)的特（tè）點，可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對於一個給定單峰值為（wéi）Em的矩（jǔ）形波信號，其傅裏葉（yè）展開為：
式中：g(t) 表示（shì）漿液信號的幅值（zhí），特（tè）點為隨機跳變（biàn）的信（xìn）號，波動比較大，f表示頻率。漿液噪聲（shēng）在（zài）低（dī）頻段幅值比較大，隨著頻率的增加，漿液噪聲的幅值在減小。那麽，傳感器輸出的信（xìn）號s(t) 形式為：
在傳感器輸出的信（xìn）號中隻有與流量（liàng）相關的感應電（diàn）動勢信號（hào）才是有用信（xìn）號，被用來計算流量。而提取感應電動（dòng）勢信號就需（xū）要包含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信號。但是（shì），從水煤漿信號的頻（pín）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（shèn）至將基波淹沒，如圖（tú）3所示。選擇一（yī）組（zǔ）采集的水煤（méi）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（fú）值並提取保存在一（yī）個數組中，使用繪圖工（gōng）具畫出來，如圖4所示。可見，基波幅值（zhí）在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在（zài）感應電動勢信號中所（suǒ）占的比重又*大，所以，必然導致計算（suàn）出的流量（liàng）波動劇（jù）烈（liè），出現測（cè）量不穩定的問題。從圖3水（shuǐ）煤漿信號的頻譜圖中還可以看出（chū），隨著頻率的遞增，水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減，使高（gāo）次諧波開始凸顯。由（yóu）式(1)可知，高次（cì）諧波的幅值也是與流（liú）量成線性關係的，因（yīn）此，可以通過提取高次諧波（bō）計（jì）算流（liú）量，有效地避開漿液噪聲的（de）幹擾，得到比較穩定的測量結果。
為了（le）進一步研究水煤漿信號的特點，將（jiāng）其與紙漿信號進行對比。通過分析課題組采集（jí）的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信號發現，在同樣流速下，測（cè）量介質（zhì）為紙漿時，傳感器輸出信號經調理放大後能明顯看到與流量相關（guān）的感應電動勢信號，且其（qí）漿（jiāng）液幹擾（rǎo）僅為數十毫伏，要遠小於水煤漿信號中的（de）漿液幹擾，如圖5所示。對（duì）圖5所示的紙漿信號進行局部放（fàng）大，得到如圖6所示的信號。可見，紙漿信號中的漿液幹擾持續的時間（jiān）也（yě）遠小於水煤漿信號中的漿液幹擾，且頻率較低。
在頻域中對紙漿信號觀察時發現，紙（zhǐ）漿信（xìn）號的（de）漿（jiāng）液（yè）噪聲頻帶在零頻率點附近，距離流量（liàng）信號基（jī）波頻率點較遠（yuǎn），對基波幅值和各奇次諧波幅值（zhí）基本沒有影響，紙（zhǐ）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（hào），把其等分成數段，利（lì）用MATLAB計（jì）算（suàn）每段數據在基波處的幅（fú）值並提取保存在一個數組中，使用繪圖工具畫出來（lái），如圖8所示。可見，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動較（jiào）小（xiǎo）。因此，提（tí）取到的與流量相關的感應電動勢（shì）信號幅值會比較穩定。
從（cóng）以上分析可知，水煤漿信號與紙漿信號有較大差（chà）異，適用於紙漿（jiāng）信號（hào）的信號處理方法不再適用於水煤漿信號。
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