一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法技术

本发明专利技术为一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，用于克服气泡对一次仪表输出信号的干扰，实现导电液体流量的准确测量。提出一次仪表输出信号基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号。一次仪表输出信号主要是由流量信号和气泡噪声信号组成。该信号处理方法处理过程为：计算一次仪表输出信号的上包络线和下包络线；由上包络线和下包络线计算一次仪表输出信号的基线；把基线从一次仪表输出信号中剔除，得到流量信号；利用基于FFT的频谱分析方法处理得到的流量信号，计算出反映流量的频率。

A Signal Processing Method for Measuring the Flow of Conductive Liquid Containing Gas by Electromagnetic Vortex Flowmeter

【技术实现步骤摘要】
一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法
本专利技术涉及流量测量领域，为电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，特别是一种基于基线剔除+基于FFT的频谱分析的信号处理方法，用于提高测量含气导电液体流量的准确度。
技术介绍
电磁式涡街流量计是一种基于卡门涡街原理和电磁感应原理工作的新型流量仪表，即采用电磁感应原理的方法拾取导电液体流过旋涡发生体后产生的旋涡信号。与电磁流量计相比，它具有信号处理难度低和无零点漂移的特点；与涡街流量计相比，它的输出信号不受管道振动和周边振动源干扰的影响，测量可靠性高。电磁式涡街流量计在测量单相导电液体流量时，采用基于FFT(快速傅里叶变换)的频谱分析方法处理一次仪表输出的信号，就能准确得到与流量成正比的频率信息。但是，在工业生产过程中，可能会出现气体混入到导电液体中的情况。气泡会使电磁式涡街流量计一次仪表输出的信号发生畸变。特别是气体混入量达到一定量时，由于受到气泡的干扰，基于FFT的频谱分析方法就无法准确地得出与流量成正比的频率信息。此时，要测量的是导电液体的流量，而气体不是我们要测量的量，气体是一种干扰。把气泡给一次仪表输出信号带来的干扰称为气泡噪声信号。把混入气体后的导电液体称为含气导电液体，其中，气体会以气泡的形式随着导电液体流动。中国专利技术专利公布了一种测量含气导电液体流量的电磁式涡街流量计(徐科军，汪春畅，许伟等，一种测量含气导电液体流量的电磁式涡街流量计，申请号：CN201710708816，申请日：2018.08.17)。该专利详细给出了电磁式涡街流量计一次仪表的结构组成示意图、二次仪表的硬件组成框图、二次仪表的软件组成框图、二次仪表的主监控程序流程图，提出采用基于微分和基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表在导电液体中混入气泡后输出的信号，可以有效地克服气泡对信号的影响，得到更加准确的流量信号的频率。
技术实现思路
本专利技术仍然采用“一种测量含气导电液体流量的电磁式涡街流量计”专利中的电磁式涡街流量计的一次仪表(主要由漩涡发生体、永久磁铁、衬里、电极和壳体组成)，电磁式涡街流量计的二次仪表(主要由信号调理采集模块和数字信号处理与控制模块组成)的硬件部分，以及气液两相流实验装置(主要由旋拧阀1、水泵、压力表1、旋拧阀2、电磁式涡街流量计、电磁阀1、换向器、100L标准罐、500L标准罐、气动阀1、气动阀2、水箱、高压氩气罐、压力表2、质量流量控制器、管道和控制柜组成)。但是，提出一种新的提高电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量准确度的信号处理方法，根据一次仪表输出信号的波形，实时剔除气泡噪声信号，提高信噪比，克服气泡对一次仪表输出信号的影响，实现导电液体流量的准确测量。本专利技术的关键技术在于：针对一次仪表输出信号的特点，提出了基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号，则一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的导电液体流量的大小，气泡噪声信号的幅值在导电液体流量保持不变时与注气量成正相关的关系。当导电液体中不含气泡时，一次仪表输出信号中的基线幅值变化范围很小，此时，一次仪表输出的信号就是流量信号。当导电液体中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线幅值变化范围明显变大，流量信号围绕基线上下进行波动，此时，一次仪表输出信号的信噪比较差。因此，对于受气泡影响的一次仪表输出信号，可以通过把基线从一次仪表中剔除的办法来提高信噪比，再使用基于FFT的频谱分析方法对信号进行分析，实现流量的准确测量。具体的实现方法是：计算出一次仪表输出信号的上包络线和下包络线，由上包络线和下包络线的平均值得到一次仪表输出信号的基线，把基线从一次仪表输出的信号中剔除，剩下的信号就是流量信号。再利用基于FFT的频谱分析方法把流量信号从时域转换到频域，搜索频域中幅值最大点对应的频率，得到与流量成正比的频率信息。附图说明图1是基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法的流程图。图2是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的对比图。图3是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线对比图。图4是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线被剔除后得到的信号对比图。图5是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号在频域的对比图。图6是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线被剔除后的信号在频域的对比图。图7是基于FFT的频谱分析方法直接处理一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号得到的频率结果。图8是利用基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的频率结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。本专利技术的设计思想是：当流动的导电液体中不含气泡时，电磁式涡街流量计一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化得比较平缓。当流动的导电液体中有气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化得比较剧烈。如果把上包络线和下包络线的平均值定义为一次仪表输出信号的基线，那么，可以发现一次仪表输出信号中与流量相关的信号在围绕着基线上下波动。所以，可以认为一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的导电液体流量的大小，气泡噪声信号的幅值在导电液体流量保持不变时与注气量成正相关的关系。因此，提出把基线从一次仪表输出信号中剔除的办法来提高信噪比，再用基于FFT的频谱分析方法处理剔除基线后的信号，以得到更加准确的频率信号，实现导电液体流量的准确测量。图1是基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法的流程图。(1)计算一次仪表输出信号的上包络线和下包络线；(2)由上包络线和下包络线计算一次仪表输出信号的基线；(3)把基线从一次仪表输出信号中剔除，得到流量信号。把基线从一次仪表输出信号中剔除的做法是使用一次仪表输出信号与基线进行相减。(4)利用基于FFT的频谱分析方法处理得到的流量信号，计算出反映流量的频率。基于FFT的频谱分析方法是借助于快速傅里叶变换把信号从时域转换频域，在频域中搜索最大幅值对应的频率点，那么该频率就是反映流量大小的频率。采用快速傅里叶变换，把一次仪表的输出信号从时域转换到频域的公式为式中，x(n)表示变送器采集的一次仪表输出的信号，N表示进行快速傅里叶变换选用的数据长度，X(k)表示时域的序列转换到频域的结果。再计算其幅值谱。式中，A(0)表示时域信号的直流分量，A(k)表示频率为k*fs/N的信号对应的幅值大小，其中，fs为变送器采集信号的采样率。为了研究含气导电液体的测量问题，采用向水中注入气体的方法模拟气体混入到导电液体中的情况，则可以在水流量保持不变时，通过调整注气量的大小来模拟水中含气量的多少。图2是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的对比图。该组曲线是在水流量为3.5m3/h时采集得到的，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示幅值，QL表示注气量的大小。可见，当水中不含气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化得比较平缓，而当水中含有气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化得比较剧烈。图3是一次仪表在同一水流量、不同注气量下输出信号的基线对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，采用基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表输出信号，可以使电磁式涡街流量计在导电液体中混入气泡后依然可以准确地测量流量，其特征在于：针对一次仪表输出信号的特点，提出了基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号，则一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的导电液体流量的大小，气泡噪声信号的幅值在导电液体流量保持不变时与注气量成正相关的关系；当导电液体中不含气泡时，一次仪表输出信号中的基线幅值变化范围很小，此时，一次仪表输出的信号就是流量信号；当导电液体中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线幅值变化范围明显变大，流量信号围绕基线上下进行波动，此时，一次仪表输出信号的信噪比较差。因此，对于受气泡影响的一次仪表输出信号，可以通过把基线从一次仪表中剔除的办法提高信噪比，再使用基于FFT的频谱分析方法对信号进行分析，实现流量的准确测量。

【技术特征摘要】
1.一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，采用基于基线剔除+基于FFT的频谱分析方法的信号处理方法处理一次仪表输出信号，可以使电磁式涡街流量计在导电液体中混入气泡后依然可以准确地测量流量，其特征在于：针对一次仪表输出信号的特点，提出了基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号，则一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的导电液体流量的大小，气泡噪声信号的幅值在导电液体流量保持不变时与注气量成正相关的关系；当导电液体中不含气泡时，一次仪表输出信号中的基线幅值变化范围很小，此时，一次仪表输出的信号就是流量信号；当导电液体中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线幅值变化范围明显变大，流量信号围绕基线上下进行波动，此时，一次仪表输出信号的信噪比较差。因此，对于受气泡影响的一次仪表输出信号，可以通过把基线从一次仪表中剔除的办法提高信噪比，再使用基于FFT的频谱分析方法对信号进行分析，实现流量的准确测量。2.如权利要求1所述的一种电磁式涡街流量计测量含气导电液体流量的信号处理方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，许伟，闫小雪，于新龙，吴建平，熊伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34