矽酸鈉流量計（jì）測量水煤漿流量不穩（wěn）定原（yuán）因分析
點擊次數：2052 發布時間：2019-11-01 04:06:45
摘要：針對國內漿液型（xíng）矽酸鈉流量計測量水煤漿流量時出現波動大、甚至回零的問題，采集現（xiàn）場水煤漿信號，進行時（shí）域和頻域分（fèn）析，找出其無法（fǎ）穩定測（cè）量水煤漿流量的原因。
水煤漿是一（yī）種由55%～65%的煤粉（fěn）、34%～43%的水和1%的化學添加劑，經過一定的（de）工藝加工而成的固（gù）液混合物，既（jì）可作為燃料代替油、氣和煤用於（yú）發電站鍋爐、工業（yè）鍋爐和工業窯爐，緩（huǎn）解石油短缺的能源安全問題，又可（kě）作為（wéi）製備（bèi）合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣（qì）體，作為工藝過程中的反應氣。水煤漿在生產過程中使用煤漿泵輸送，在生產時（shí），煤漿泵工作在額定轉速下，所以，水煤漿的流速基本保持不變。但是，水煤漿是一（yī）種非牛頓流體，並（bìng）且存（cún）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（méi）漿流（liú）速（sù）出現大幅波動，影響正常生產。因此，為了保證產品質量和生產安全，需要監測管道內水煤漿的流速，以及時（shí）發現（xiàn）煤漿（jiāng）泵的異常（cháng）。矽酸鈉流量計測量管內不存在阻礙流體的部（bù）件，且受密（mì）度、粘度影響較小，適宜測量這類高（gāo）濃度的固液（yè）混合物，是水煤漿計量的*選方案。但是，隨著水煤漿應用範圍（wéi）擴大，煤質開始發生變化，主要表現為煤的（de）灰分變高，導致（zhì）隻有*少（shǎo）數國外**廠家的矽酸鈉流量計（jì）可以實現水煤漿流量的穩定測量，但是，價格非常昂貴（guì），是國產（chǎn）品*的7～8倍，且沒有披（pī）露（lù）技術細節，而多數國外品*和國內生產的矽（guī）酸鈉流量計（jì），在管道內水煤漿流量（liàng）穩定時，都出現（xiàn）了測量結果波動大，甚（shèn）至測量結果回零的情況，這會導致係統（tǒng）跳車停產事故。因此，解決漿液型矽酸鈉流（liú）量計測量水煤漿時波動較大的問題，不僅能（néng）大大減少（shǎo）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**廠家的矽酸鈉流量（liàng）計通過選用耐（nài）衝刷，耐磨損的增強聚四氟乙烯作為襯裏材料、低噪音電*以及抗噪音轉換器來降低測量流量的波動 。目前，國內外對矽酸鈉流量計測量類（lèi）似紙漿的漿液流量在信號處理方麵進行過（guò）一定的研究（jiū），但是，均沒有關於水煤漿測量信號處理方麵的參考文獻。
針（zhēn）對（duì）矽酸（suān）鈉流量計測量水煤漿時出現較大波動、甚至回零的問題（tí），本文采集現場矽酸鈉流量計輸出的水煤漿信號;在時域和頻域對信號（hào）進行分析，找出了矽酸鈉流（liú）量計不能（néng）穩定測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿信號（hào）特征，提（tí）出了基於（yú）勵磁頻率高次諧波（bō）分析的煤漿流量計信號處理方法;在基於DSP的矽（guī）酸鈉流量計變送器上實（shí）時實現（xiàn）該算法，進行現場驗證。實驗結果表明，測量結果較穩定，驗證了所（suǒ）提出的（de）算（suàn）法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場實驗
針對矽酸鈉流量計測（cè）量水煤漿時出（chū）現較大波動，甚至回零這一（yī）問題，特去（qù）某煤（méi）化工企業甲醇分公司進行（háng）現場數據采集。該公司所使用的對置式四噴嘴氣化有4個噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩（wěn）定在19m³/h(流速（sù）約為0.48m/s)。每條（tiáo）噴嘴煤（méi）漿線上安裝了3台矽酸鈉流量計，每台矽酸鈉流量計由傳感器和變送器（qì）兩（liǎng）部分組成。選擇其中（zhōng）1條（tiáo）水煤漿管線上的1台矽（guī）酸鈉流量計進行數（shù）據采集，因為該（gāi）台矽酸鈉流量計測量結果波動大，甚至出現回零的現象。將課題組研製（zhì）的基於DSP的電磁流量（liàng）變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電*和（hé）勵磁線圈上，組合成完整（zhěng）的矽酸鈉流量計，進行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器（qì）是以TI公司DSP芯片（piàn）TMS320F28335為核心，采（cǎi）用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控製係統（tǒng）和信號采集處理（lǐ）係統，具體的模（mó）塊有勵磁驅動（dòng）模塊、信號調理采集模塊、信號處理控（kòng）製模塊、人機接口模塊、通信模塊及（jí）電源管理模塊。信號調理采（cǎi）集模塊中的調理（lǐ）電路對一次儀表（biǎo）輸（shū）出的信號進行（háng）放（fàng）大和濾波，截止頻率是（shì）2kHz，放大倍數約為230倍。通過NI公司USB－6216型號的數據采集卡（kǎ）進行數據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一個差分（fèn）輸入端，並設（shè）置數（shù）據采集卡工（gōng）作在差分的測量（liàng）模（mó）式，設置采集（jí）卡的采樣頻率為（wéi）10kHz。采集多組水煤（méi）漿信號（hào）數據，每組數據的時間長（zhǎng）度為5min。
1.2數（shù）據分析
現場采集了25Hz方波勵磁下的水（shuǐ）煤漿（jiāng）信號（hào），發現水煤（méi）漿信號的幅值非常大，甚至接近AD的量程上（shàng）限，如圖1所示。水煤漿信號主要由感應電動勢信號和電*噪聲組成（chéng）。其中，感應電（diàn）動勢信號是由導電液體切割磁場產生的，其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。這是因為矽酸鈉流量計（jì）不受被測導電介質的（de）溫度、粘（zhān）度、密度以及導電率的（de）影響，隻要經過水標定後，就可以用來測量其他導電液體的流量。電*噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電（diàn）*而引起的信號跳變，也稱為漿液噪聲，具（jù）有強非平穩性、隨（suí）機性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值（zhí）可達數（shù）伏，遠遠高於與（yǔ）流量相關的（de）感應（yīng）電動勢信號，如（rú）圖2所示。這給流量（liàng）信號的提取造成了（le）*大的困難。
采用方波勵磁（cí）的矽酸鈉流（liú）量（liàng）計，其傳感器輸出的與流量相關的感應電動勢信號的波形也類似於方波。針對與（yǔ）流量相關的感應電動勢信號f(t)的特點，可知其是由基波和奇次諧（xié）波疊加而（ér）成的。對於一個給定單峰值為Em的（de）矩形波信號，其傅裏葉展開為：
式（shì）中：g(t) 表示漿液（yè）信號的幅值，特點為隨機（jī）跳變的信號，波動比較大，f表示頻率。漿液噪聲在低頻段幅值比較大，隨著頻率的增加（jiā），漿液（yè）噪聲（shēng）的幅值在減（jiǎn）小。那麽，傳感器輸出（chū）的信號s(t) 形式為：
在傳感器輸出的信號中隻有與流量相關的感應電動勢信號才是（shì）有用信號，被用來計算流量。而提取感應電（diàn）動勢信號就需要包含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信號。但是（shì），從水（shuǐ）煤漿信號的頻譜圖可以看（kàn）出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點（diǎn）fe處的幅值較大（dà），甚至將基波（bō）淹（yān）沒，如圖3所示。選擇一組采集的水煤漿（jiāng）信號（hào），把其（qí）等分成數段，利用MATLAB計算每段（duàn）數據在基波（bō）處的幅值並提取保存在一個數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖（tú）4所示。可見，基波幅值在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在感應電動勢信號（hào）中所占的（de）比（bǐ）重又*大，所以，必然（rán）導致計算出的流量波（bō）動劇烈，出現測量（liàng）不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的（de）頻譜（pǔ）圖中還可以（yǐ）看出，隨著頻率的遞增，水煤漿信號中的（de）漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波開始凸顯。由式(1)可知，高次諧波的幅值也是（shì）與流量成線性關係的，因此，可以通過提取高次諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的幹擾，得到比較穩定的測（cè）量結果。
為了進一步研究水煤漿信號的特（tè）點，將（jiāng）其（qí）與紙漿信號進行對比。通過（guò）分析課題組采（cǎi）集（jí）的25Hz矩（jǔ）形波勵磁下的紙漿信號發現，在（zài）同樣流速下，測（cè）量介質（zhì）為（wéi）紙（zhǐ）漿時，傳（chuán）感器輸出信號經調理放大後能（néng）明顯看到與流量（liàng）相（xiàng）關的感應電動勢信號，且其漿液幹擾僅為數十毫伏，要（yào）遠小於水煤漿信號中的漿液幹（gàn）擾，如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進行局部放大，得到如圖6所示的信號。可見，紙漿信號中的漿液幹擾（rǎo）持續的時間也遠小（xiǎo）於水煤漿信（xìn）號中的漿液（yè）幹擾，且頻（pín）率較低。
在頻域中對紙漿信號觀察時發現，紙漿信號的漿液噪聲頻（pín）帶在零頻率點附近，距離流量信號基波頻率點較（jiào）遠，對基波幅值和各奇次諧（xié）波（bō）幅值基本沒（méi）有影響，紙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，把其等分成數段，利用MATLAB計算每（měi）段數據在基波處的幅值並提取保存在一個數（shù）組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示。可見，基波幅值在4.7～4.95mV變（biàn）化，波動較小。因此，提取到的與流量（liàng）相關的感應電動勢信號幅（fú）值會比較穩定（dìng）。
從以上分析可知，水煤漿信號與紙漿信號有較大差異，適用於紙漿信號的信號處理方法不再適用於水煤（méi）漿信（xìn）號（hào）。
關於汙水流量計的安裝規範與安裝圖 關於汙水流量計的工作原理及組（zǔ）成部分介紹（shào） 汙水流量計（jì）的適（shì）用範圍特點及（jí）如何選型 汙水流（liú）量計公（gōng）稱通徑與（yǔ）流量範圍對照圖 汙水流量計電*與襯裏材料選型對照表 汙水流量計的（de）外形和（hé）安裝尺寸圖（tú）示與對（duì）照表（biǎo） 汙水流（liú）量計的故障檢查與分析匯總 分體式與一體式汙水流量計如何接線（xiàn）圖解 汙水流量計顯示波動大的原因分析 介質（zhì）密度對渦街流量計的影響 渦（wō）街流量計安裝對直管段的要求 渦街流量（liàng）計應用中常見問題及分析 渦街流量（liàng）計夾（jiá）持型和法蘭型的（de）區別 渦街（jiē）流量計傳感器的類型有哪（nǎ）些 影響渦街流量計準確性的因素有哪些 孔板（bǎn）流量計與文丘裏流（liú）量計（jì）的比較 孔板流量計的選型（xíng）原（yuán）則 孔板流量計的（de）主要（yào）特點 孔板流量計與（yǔ）楔形流（liú）量計的差別 孔板流量計和阿牛巴流量計的區別 孔板流量計和v錐流量計的優缺點比較 孔板流量計（jì）的故障及處理方法 孔板流量計維護保養操作規（guī）程 質量流量計適用哪些領域 質量流量計使用方法和注意事項 超聲（shēng）波流量計在線校準方法 超聲波流量（liàng）計出現負值的原因（yīn）與處理 橢（tuǒ）圓齒輪流量計的精度（dù）範圍 橢圓齒輪流量計齒輪（lún）卡住處理方法 超（chāo）聲波流量計波（bō）動的原因
水煤漿是一（yī）種由55%～65%的煤粉（fěn）、34%～43%的水和1%的化學添加劑，經過一定的（de）工藝加工而成的固（gù）液混合物，既（jì）可作為燃料代替油、氣和煤用於（yú）發電站鍋爐、工業（yè）鍋爐和工業窯爐，緩（huǎn）解石油短缺的能源安全問題，又可（kě）作為（wéi）製備（bèi）合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣（qì）體，作為工藝過程中的反應氣。水煤漿在生產過程中使用煤漿泵輸送，在生產時（shí），煤漿泵工作在額定轉速下，所以，水煤漿的流速基本保持不變。但是，水煤漿是一（yī）種非牛頓流體，並（bìng）且存（cún）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（méi）漿流（liú）速（sù）出現大幅波動，影響正常生產。因此，為了保證產品質量和生產安全，需要監測管道內水煤漿的流速，以及時（shí）發現（xiàn）煤漿（jiāng）泵的異常（cháng）。矽酸鈉流量計測量管內不存在阻礙流體的部（bù）件，且受密（mì）度、粘度影響較小，適宜測量這類高（gāo）濃度的固液（yè）混合物，是水煤漿計量的*選方案。但是，隨著水煤漿應用範圍（wéi）擴大，煤質開始發生變化，主要表現為煤的（de）灰分變高，導致（zhì）隻有*少（shǎo）數國外**廠家的矽酸鈉流量計（jì）可以實現水煤漿流量的穩定測量，但是，價格非常昂貴（guì），是國產（chǎn）品*的7～8倍，且沒有披（pī）露（lù）技術細節，而多數國外品*和國內生產的矽（guī）酸鈉流量計（jì），在管道內水煤漿流量（liàng）穩定時，都出現（xiàn）了測量結果波動大，甚（shèn）至測量結果回零的情況，這會導致係統（tǒng）跳車停產事故。因此，解決漿液型矽酸鈉流（liú）量計測量水煤漿時波動較大的問題，不僅能（néng）大大減少（shǎo）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**廠家的矽酸鈉流量（liàng）計通過選用耐（nài）衝刷，耐磨損的增強聚四氟乙烯作為襯裏材料、低噪音電*以及抗噪音轉換器來降低測量流量的波動 。目前，國內外對矽酸鈉流量計測量類（lèi）似紙漿的漿液流量在信號處理方麵進行過（guò）一定的研究（jiū），但是，均沒有關於水煤漿測量信號處理方麵的參考文獻。
針（zhēn）對（duì）矽酸（suān）鈉流量計測量水煤漿時出現較大波動、甚至回零的問題（tí），本文采集現場矽酸鈉流量計輸出的水煤漿信號;在時域和頻域對信號（hào）進行分析，找出了矽酸鈉流（liú）量計不能（néng）穩定測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿信號（hào）特征，提（tí）出了基於（yú）勵磁頻率高次諧波（bō）分析的煤漿流量計信號處理方法;在基於DSP的矽（guī）酸鈉流量計變送器上實（shí）時實現（xiàn）該算法，進行現場驗證。實驗結果表明，測量結果較穩定，驗證了所（suǒ）提出的（de）算（suàn）法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場實驗
針對矽酸鈉流量計測（cè）量水煤漿時出（chū）現較大波動，甚至回零這一（yī）問題，特去（qù）某煤（méi）化工企業甲醇分公司進行（háng）現場數據采集。該公司所使用的對置式四噴嘴氣化有4個噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩（wěn）定在19m³/h(流速（sù）約為0.48m/s)。每條（tiáo）噴嘴煤（méi）漿線上安裝了3台矽酸鈉流量計，每台矽酸鈉流量計由傳感器和變送器（qì）兩（liǎng）部分組成。選擇其中（zhōng）1條（tiáo）水煤漿管線上的1台矽（guī）酸鈉流量計進行數（shù）據采集，因為該（gāi）台矽酸鈉流量計測量結果波動大，甚至出現回零的現象。將課題組研製（zhì）的基於DSP的電磁流量（liàng）變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電*和（hé）勵磁線圈上，組合成完整（zhěng）的矽酸鈉流量計，進行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器（qì）是以TI公司DSP芯片（piàn）TMS320F28335為核心，采（cǎi）用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控製係統（tǒng）和信號采集處理（lǐ）係統，具體的模（mó）塊有勵磁驅動（dòng）模塊、信號調理采集模塊、信號處理控（kòng）製模塊、人機接口模塊、通信模塊及（jí）電源管理模塊。信號調理采（cǎi）集模塊中的調理（lǐ）電路對一次儀表（biǎo）輸（shū）出的信號進行（háng）放（fàng）大和濾波，截止頻率是（shì）2kHz，放大倍數約為230倍。通過NI公司USB－6216型號的數據采集卡（kǎ）進行數據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一個差分（fèn）輸入端，並設（shè）置數（shù）據采集卡工（gōng）作在差分的測量（liàng）模（mó）式，設置采集（jí）卡的采樣頻率為（wéi）10kHz。采集多組水煤（méi）漿信號（hào）數據，每組數據的時間長（zhǎng）度為5min。
1.2數（shù）據分析
現場采集了25Hz方波勵磁下的水（shuǐ）煤漿（jiāng）信號（hào），發現水煤（méi）漿信號的幅值非常大，甚至接近AD的量程上（shàng）限，如圖1所示。水煤漿信號主要由感應電動勢信號和電*噪聲組成（chéng）。其中，感應電（diàn）動勢信號是由導電液體切割磁場產生的，其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。這是因為矽酸鈉流量計（jì）不受被測導電介質的（de）溫度、粘（zhān）度、密度以及導電率的（de）影響，隻要經過水標定後，就可以用來測量其他導電液體的流量。電*噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電（diàn）*而引起的信號跳變，也稱為漿液噪聲，具（jù）有強非平穩性、隨（suí）機性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值（zhí）可達數（shù）伏，遠遠高於與（yǔ）流量相關的（de）感應（yīng）電動勢信號，如（rú）圖2所示。這給流量（liàng）信號的提取造成了（le）*大的困難。
采用方波勵磁（cí）的矽酸鈉流（liú）量（liàng）計，其傳感器輸出的與流量相關的感應電動勢信號的波形也類似於方波。針對與（yǔ）流量相關的感應電動勢信號f(t)的特點，可知其是由基波和奇次諧（xié）波疊加而（ér）成的。對於一個給定單峰值為Em的（de）矩形波信號，其傅裏葉展開為：
式（shì）中：g(t) 表示漿液（yè）信號的幅值，特點為隨機（jī）跳變的信號，波動比較大，f表示頻率。漿液噪聲在低頻段幅值比較大，隨著頻率的增加（jiā），漿液（yè）噪聲（shēng）的幅值在減（jiǎn）小。那麽，傳感器輸出（chū）的信號s(t) 形式為：
在傳感器輸出的信號中隻有與流量相關的感應電動勢信號才是（shì）有用信號，被用來計算流量。而提取感應電（diàn）動勢信號就需要包含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信號。但是（shì），從水（shuǐ）煤漿信號的頻譜圖可以看（kàn）出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點（diǎn）fe處的幅值較大（dà），甚至將基波（bō）淹（yān）沒，如圖3所示。選擇一組采集的水煤漿（jiāng）信號（hào），把其（qí）等分成數段，利用MATLAB計算每段（duàn）數據在基波（bō）處的幅值並提取保存在一個數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖（tú）4所示。可見，基波幅值在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在感應電動勢信號（hào）中所占的（de）比（bǐ）重又*大，所以，必然（rán）導致計算出的流量波（bō）動劇烈，出現測量（liàng）不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的（de）頻譜（pǔ）圖中還可以（yǐ）看出，隨著頻率的遞增，水煤漿信號中的（de）漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波開始凸顯。由式(1)可知，高次諧波的幅值也是（shì）與流量成線性關係的，因此，可以通過提取高次諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的幹擾，得到比較穩定的測（cè）量結果。
為了進一步研究水煤漿信號的特（tè）點，將（jiāng）其（qí）與紙漿信號進行對比。通過（guò）分析課題組采（cǎi）集（jí）的25Hz矩（jǔ）形波勵磁下的紙漿信號發現，在（zài）同樣流速下，測（cè）量介質（zhì）為（wéi）紙（zhǐ）漿時，傳（chuán）感器輸出信號經調理放大後能（néng）明顯看到與流量（liàng）相（xiàng）關的感應電動勢信號，且其漿液幹擾僅為數十毫伏，要（yào）遠小於水煤漿信號中的漿液幹（gàn）擾，如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進行局部放大，得到如圖6所示的信號。可見，紙漿信號中的漿液幹擾（rǎo）持續的時間也遠小（xiǎo）於水煤漿信（xìn）號中的漿液（yè）幹擾，且頻（pín）率較低。
在頻域中對紙漿信號觀察時發現，紙漿信號的漿液噪聲頻（pín）帶在零頻率點附近，距離流量信號基波頻率點較（jiào）遠，對基波幅值和各奇次諧（xié）波（bō）幅值基本沒（méi）有影響，紙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，把其等分成數段，利用MATLAB計算每（měi）段數據在基波處的幅值並提取保存在一個數（shù）組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示。可見，基波幅值在4.7～4.95mV變（biàn）化，波動較小。因此，提取到的與流量（liàng）相關的感應電動勢信號幅（fú）值會比較穩定（dìng）。
從以上分析可知，水煤漿信號與紙漿信號有較大差異，適用於紙漿信號的信號處理方法不再適用於水煤（méi）漿信（xìn）號（hào）。
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