[发明专利]一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法

权利要求书

1.一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法具体步骤依次为：对A/D采集的数据进行FFT频谱分析、中位值滤波、滑动平均和流量转换；

步骤一：FFT频谱分析；对水煤浆信号进行一定点数的FFT计算，提取某一受水煤浆噪声影响小的励磁频率的高次的奇次谐波所在频率点处的幅值；

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x(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E_m的矩形波信号，其傅里叶级数展开为：

式中，f_e表示基波的频率，大小等于励磁频率；t表示时间；

浆液噪声在低频段幅值比较大，随着频率的增加，浆液噪声的幅值在减小；

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f_e、3f_e、5f_e、……等频率点的信号；对水煤浆信号进行频谱分析，发现浆液噪声频带较宽，在频率点f_e处的幅值较大，甚至将基波淹没，但是，随着频率的递增，水煤浆信号中的浆液噪声逐渐衰减，使高次谐波开始突显；由式(1)可知：高次的奇次谐波的幅值也是与流量成线性关系的，因此，可以通过提取高次的奇次谐波的幅值计算流量，有效地避开浆液噪声的干扰，得到比较稳定的测量结果；

步骤二：中位值滤波；对步骤一计算得到的高次的奇次谐波幅值进行多点排序，去掉等个数的最大值和最小值，对剩下的幅值进行平均，作为当前幅值输出结果D(k)(单位：V)；

步骤三：滑动平均滤波；对经过中位值滤波后的幅值结果D(k)进行滑动平均滤波；设滑动平均滤波点数为N，则滤波算式为：

步骤四：流量转换；将信号处理经滑动平均滤波后的结果J(k)(单位：V)乘以仪表系数K(单位：m/s/V)，得出当前流体流速v(k)(单位：m/s)，其计算公式为：

v(k)＝K*J(k) (3)

再根据管道口径D(单位：mm)将流速转换为流量q(k)(单位：m³/h)，其计算公式为：

通过上述信号处理方法具体步骤就可以较为准确地测量水煤浆流量。

2.如权利要求1所述的一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

硬件系统主要由励磁驱动模块、信号调理采集模块、数字信号处理与控制模块组成；其中，励磁驱动模块主要包括H桥电路、励磁控制；信号调理采集模块包括检流电阻、调理电路、偏置调整电路、A/D1(模数转换器1)、A/D2(模数转换器2)、D/A(数模转换器)和空管脉冲电路；数字信号处理与控制模块包括TMS320F28335 DSP芯片、人机接口电路、RS485电路、脉冲输出电路、4-20mA电流输出电路、外扩静态随机存储器(SRAM)和铁电存储器(FRAM)；

软件系统包括主监控程序、初始化模块、看门狗模块、算法模块、人机接口模块、中断模块，以实现基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆流量测量的信号处理方法，以及仪表所必须具备的各种功能；主监控程序统一调用和协调各个模块，使二次仪表的软件系统实现正常有序的工作；初始化模块包括系统初始化、GPIO初始化、外设初始化和算法初始化；初始化模块对DSP芯片及其GPIO和片内外设进行配置，并初始化算法模块的参数变量；看门狗模块对主监控程序进行监控，防止系统“死机”；算法模块对采集的数据进行处理，计算出流量信号频率和流速等信息；人机接口模块用于液晶刷新、显示切换及参数修改等；中断模块包括A/D采样中断模块、定时器0中断模块和RS485通讯中断模块，其中，A/D采样中断模块在A/D芯片完成数据转换之后读取数字信号，并进行保存和信号预处理；定时器0中断模块使用定时器0进行定时，在定时器0中断模块中主要完成4～20mA电流输出和脉冲输出；RS485通讯模块实现二次仪表与上位机之间的通讯。

3.如权利要求1所述的一种基于励磁频率高次谐波分析的水煤浆电磁流量计信号处理方法，其特征在于：

软件系统的主监控程序流程为:(1)系统上电后，TMS320F28335 DSP完成各种初始化工作，包括DSP系统初始化、GPIO初始化、外设初始化以及算法模块初始化，然后，开启A/D采样转换；(2)每一次A/D转换完成，将数字信号通过多通道缓冲串口McBSP传输到TMS320F28335DSP，在McBSP数据接收中断中将数据实时存储到外扩SRAM中的数据缓冲数组中，并对采集到的信号进行预处理；(3)采集并传输完成4096点后，开始进入系统循环；(3)调用算法模块；对4096点进行FFT频谱分析、中位值滤波和滑动平均滤波，计算出流量信号的感应电动势幅值，结合仪表系数得出流速；(4)查询液晶刷新时间是否已到，若刷新时间到，则调用液晶显示子程序；查询键盘标志位是否置位，若置位，则调用键盘处理子程序；(5)当采集到新的500点数据后，又开始调用算法模块，此时，参与FFT运算的4096点由参与前一轮FFT运算的4096点的后3596点与新采集的500点组合而成；否则，执行步骤(4)；(6)通过定时器0定时500ms中断，在定时器0中断服务程序中，累加瞬时流量得到累积流量；另外，根据瞬时流量值，通过D/A或DSP的ePWM(增强型脉冲宽度调制)模块向外输出4～20mA电流或脉冲。