一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法技术方案

技术编号:21179674 阅读:30 留言:0更新日期:2019-05-22 12:58
一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法,包括激励线圈(1)、信号电极(3)、DSP微处理系统(7)、激励驱动模块(6)、信号预处理模块(4)和信号调理模块(5)。本发明专利技术采用双频励磁方式,综合低频励磁的零点稳定和高频励磁的响应速度快以及抑制钻井液干扰能力强的优点。在信号提取与处理方面,硬件系统选用当下性能更优的数字信号处理器件(DSP),同时通过优化滤波算法和流量信号提取算法,有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性。

An Electromagnetic Flowmeter System Based on Dual-Frequency Excitation and Its Signal Extraction Method

A dual-frequency excitation based electromagnetic flowmeter system and signal extraction method include excitation coil (1), signal electrode (3), DSP micro-processing system (7), excitation drive module (6), signal preprocessing module (4) and signal conditioning module (5). The invention adopts dual-frequency excitation mode, which integrates the advantages of zero stability of low-frequency excitation, fast response speed of high-frequency excitation and strong ability of suppressing drilling fluid interference. In the aspect of signal extraction and processing, the hardware system chooses the digital signal processing device (DSP) with better performance at present. At the same time, it is beneficial to improve the measurement accuracy and reliability of electromagnetic flowmeter by optimizing filtering algorithm and flow signal extraction algorithm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法
本专利技术涉及井下钻井液流量测量
,尤其涉及一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法。
技术介绍
基于法拉第电磁感应定律的电磁流量计是一种根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的电磁测量仪表。因其特有的高精度、高稳定性、快响应、小型化等性能特点,已成为流量测量技术中使用最广泛、产品附加值最高的流量仪表之一,是冶金、电力、石化、食品、医药和环保等工业过程中最重要的自动化仪表之一,在国民经济中占有重要的地位。随着我国石油天然气勘探开发领域的扩大,地下钻井作业的严酷环境不仅促进了对钻井液的研究和开发;也迫使生产企业在适用于钻井环境中的钻井液的前提下研发出新型电磁流量计,为市场提供产品性能更优的电磁流量计。本专利技术将从两方面着手对流量计进行性能优化,一方面为励磁技术的优化,另一方面则是对信号提取方法的优化。在励磁技术方面,目前国内外厂家普遍采用低频矩形波励磁方式,低频励磁技术能够保证流量计的零点稳定性及精度,但低频励磁技术不仅降低了测量速度,使得低频电极式电磁流量计无法更好的满足当今工业现场的技术要求,同时低频励磁型电磁流量计对于测量液固两相导电性液体也存在突出问题。而基于高频励磁技术的电磁流量计具有测量反应速度快且能够应用实际环境中的浆液测量,但高频励磁技术的零点稳定性较差,且测量误差偏大。但是如果能够综合低频励磁的零点稳定和高频励磁的响应速度快以及抑制浆液干扰能力强的优点,将大大有益提高电磁流量计信噪比及精度,优化其性能。在流量计信号提取方式方面,通过前期文献调研和资料整理可知,目前针对双频激励输出流量信号的处理方法主要是通过硬件来实现,通过调制解调的方法,利用采样保持器等硬件电路方法实现流量信号的提取,但是均未给出具体的实现过程。随着电子技术的不断发展和更新换代,软件滤波方法变得越来越受到人们的欢迎。针对电磁流量计的流量信号处理,经历了最初的单片机到数字信号处理器件(DSP)的过渡,出现了一系列的数字滤波方法,目前电磁流量计的数字信号滤波方法主要有滑动滤波算法、中值滤波算法、梳状滤波算法等。而如果能够优化滤波算法和流量信号提取算法,将直接有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于,针对上述问题,提出一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法。一种基于双频励磁的电磁流量计系统,其特征在于,包括激励线圈、信号电极、DSP微处理系统、激励驱动模块、信号预处理模块和信号调理模块;DSP微处理系统控制激励驱动模块产生双频矩形波激励,从而激励线圈在测量管道内激发磁场,测量管道中的导电流体切割磁感线产生感应电动势并被信号电极感受;信号电极将流量信号传输给信号预处理模块,信号经增强后送入信号调理模块;在信号调理模块中,流量信号通过带通滤波器抑制了一定的高频干扰和低频干扰,随后通过削峰电路削除微分干扰引起的尖峰,继而通过电平提升电路送入DSP微处理系统进行数据处理和运算。DSP微处理系统通过增强PWM输出模块,生成6.25Hz和75Hz单极性方波。激励驱动模块为恒流源激励电路,由运算放大器、多路模拟开关、稳压器、场效应管等组成,生成激励频率为6.25Hz和75Hz的双频矩形波激励信号。信号预处理模块为仪用放大电路,将信号电极感受的流量信号增强后送入信号调理模块。信号调理模块包括前置差分电路、二阶低通滤波器、二阶高通滤波器、后级放大电路、削峰电路和电平提升电路,这些构成单元从左至右依次连接。二阶低通滤波器的截止频率设置为408.3Hz,用于抑制流量信号中的高频干扰信号,在抑制高频干扰的同时保证了75Hz高频方波的5倍基波频率通过;所述的二阶高通滤波器的截止频率设置为0.5Hz,用于抑制流量信号中的低频干扰信号。流量信号采样时,高频采样时序只对高频激励矩形波半周期激励的后半段进行幅值解调和数据采集,所述高频采样时序的采样频率为27KHz,每半个周期采集32个数据点。流量信号提取时,对其幅值解调结果使用滑动平均值滤波算法和冒泡排序对信号进行处理。一种基于双频励磁的电磁流量计信号提取方法,包括如下步骤:S1:对每半个高频采样周期采集的32个数据点做16点滑动平均值滤波算法,得到新的经过滑动滤波算法后的16个数据点;S2:根据幅值解调原理产生幅值解调结果,并进行冒泡排序处理,经过掐头去尾处理后取中间8个数据进行求平均值处理,一个完整的双频激励周期可得到6组幅值解调结果;S3:采集并处理12个完整双频矩形波激励周期的数据,得到72个幅值解调数据,并对此进行36点滑动平均值滤波处理,再进行冒泡排序处理,取中间18个数据做平均值运算处理,作为一次幅值解调结果输出。本专利技术的有益效果:采用双频励磁方式。综合低频励磁的零点稳定和高频励磁的响应速度快以及抑制钻井液干扰能力强的优点。在信号提取与处理方面,硬件系统选用当下性能更优的数字信号处理器件(DSP),同时通过优化滤波算法和流量信号提取算法,有益于提高电磁流量计的测量精度和可靠性。附图说明图1为本专利技术的双频励磁方法与信号提取的整体结构示意图。图2是图1中激励驱动模块中的恒流源激励电路。图3是图2恒流源激励电路所产生的激励信号的时序示意图。图4是双频矩形波激励输出信号采样时序示意图。图5是图1中信号调理模块的具体调理过程的流程示意图。示例图中:1-激励线圈、2-测量管道、3-信号电极、4-信号预处理模块、5-信号调理模块、6-激励驱动模块、7-DSP微处理系统、8-前置差分放大电路、9-二阶低通滤波器、10-二阶高通滤波器、11-后级放大电路、12-削峰电路、13-电平提升电路。具体实施方式下面结合附图说明本专利技术的具体实施方式,但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。如图1所示,一种基于双频励磁的电磁流量计系统,包括激励线圈(1)、信号电极(3)、DSP微处理系统(7)、激励驱动模块(6)、信号预处理模块(4)和信号调理模块(5);所述激励驱动模块(6)输入端连接DSP微处理系统(7)输出端,激励驱动模块(6)两个输出端分别连接激励线圈(1);所述信号预处理模块(4)两个输入端分别连接信号电极(3);所述信号调理模块(5)输入端连接信号预处理模块(4)输出端,信号调理模块(5)输出端连接DSP微处理系统(7)。当系统进入工作状态时,DSP微处理系统(7)控制激励驱动模块(6)产生双频矩形波激励,从而激励线圈(1)在测量管道(2)内激发磁场,测量管道(2)中的导电流体切割磁感线产生感应电动势并被信号电极(3)感受;信号电极(3)将流量信号传输给信号预处理模块(4),经其中的仪用放大电路增强后送入信号调理模块;在信号调理模块(5)中,流量信号通过带通滤波器抑制了一定的高频干扰和低频干扰,随后通过削峰电路削除微分干扰引起的尖峰,继而通过电平提升电路送入DSP微处理系统(7)进行数据处理和运算。如图2所示的恒流源激励电路,电路由运算放大器、多路模拟开关、稳压器、场效应管等组成。当运算放大器同相输入端电压为正时,运算放大器自身处于开环状态,开环输出电压接近电源正电压,使得Q1(N沟道)场效应管导通,由运算放大器的“虚短虚断”原理可知,运算放大器会自动保持反馈电阻上的电压与输入电压相等,所以运算本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于双频励磁的电磁流量计系统,其特征在于,包括激励线圈(1)、信号电极(3)、DSP微处理系统(7)、激励驱动模块(6)、信号预处理模块(4)和信号调理模块(5);DSP微处理系统(7)控制激励驱动模块(6)产生双频矩形波激励,从而激励线圈(1)在测量管道(2)内激发磁场,测量管道(2)中的导电流体切割磁感线产生感应电动势并被信号电极(3)感受;信号电极(3)将流量信号传输给信号预处理模块(4),信号经增强后送入信号调理模块;在信号调理模块(5)中,流量信号通过带通滤波器抑制了一定的高频干扰和低频干扰,随后通过削峰电路削除微分干扰引起的尖峰,继而通过电平提升电路送入DSP微处理系统(7)进行数据处理和运算。

【技术特征摘要】
1.一种基于双频励磁的电磁流量计系统,其特征在于,包括激励线圈(1)、信号电极(3)、DSP微处理系统(7)、激励驱动模块(6)、信号预处理模块(4)和信号调理模块(5);DSP微处理系统(7)控制激励驱动模块(6)产生双频矩形波激励,从而激励线圈(1)在测量管道(2)内激发磁场,测量管道(2)中的导电流体切割磁感线产生感应电动势并被信号电极(3)感受;信号电极(3)将流量信号传输给信号预处理模块(4),信号经增强后送入信号调理模块;在信号调理模块(5)中,流量信号通过带通滤波器抑制了一定的高频干扰和低频干扰,随后通过削峰电路削除微分干扰引起的尖峰,继而通过电平提升电路送入DSP微处理系统(7)进行数据处理和运算。2.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统,其特征在于,所述的DSP微处理系统(7)通过增强PWM输出模块,生成6.25Hz和75Hz单极性方波。3.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统,其特征在于,所述的激励驱动模块(6)为恒流源激励电路,由运算放大器、多路模拟开关、稳压器、场效应管等组成,生成激励频率为6.25Hz和75Hz的双频矩形波激励信号。4.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统,其特征在于,所述的信号预处理模块(4)为仪用放大电路,将信号电极(3)感受的流量信号增强后送入信号调理模块(5)。5.根据权利要求1所述的一种基于双频励磁的电磁流量计系统,其特征在于,所述的信号调理模块(5)由前置差分...

【专利技术属性】
技术研发人员:葛亮李海龙李俊兰赖欣韦国晖杨青贾虎石明江邓魁曹洪黄龙黄琪
申请(专利权)人:西南石油大学
类型:发明
国别省市:四川,51

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