基本信息
- 项目名称：
- 基于高频励磁和统计信号处理的浆液型电磁流量计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对目前国内电磁流量计无法测量浆液流量的难题，本项目提出基于线性电源的高频方波励磁方案，建立浆液信号的近似高斯分布模型，提出基于统计分析与信号重构的浆液信号处理方法，并研制基于DSP的浆液型电磁流量计，实现浆液流量的快速、稳定测量，稳态波动率和动态响应时间优于技术水平先进的日本东芝公司的仪表。该作品拥有自主知识产权，打破了国外技术垄断，已由国内最大的仪表企业--重庆川仪自动化股份有限公司产业化。
- 详细介绍：
- 随着节能减排和过程控制的要求，以及电磁流量计自身结构上具有耐磨损，测量管内无节流件等优良特性，它将成为浆液流量测量的重要仪表，广泛应用于石油、化工、冶金和造纸等行业，用于水煤浆、矿浆和纸浆等浆液流量的测量。 国外一些著名公司的仪表可以用于浆液测量，产品垄断了全球市场，价格昂贵。而国内领域则远远落后，行业应用依赖于进口仪表。国产电磁流量计由于励磁频率低、仅采用简单的滤波处理，无法克服浆液噪声的影响，测量结果波动一般大于20%；为了降低波动而进行的大阻尼调节，又导致其动态响应时间长，无法满足工业应用中测量结果稳态波动率小于5%和动态响应时间小于10s的要求。 为此，本作品同时从提高励磁频率和研究信号处理方法两方面寻找解决方案。设计新颖的高频励磁方案，采用线性电源搭建恒流源，并以高压供电，实现高频方波励磁，保证信号零点的稳定；基于大量的实验数据，运用概率分析方法，建立浆液流量信号的统计模型，揭示其本质特征；在此基础上，提出一种基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理方法，去除浆液干扰，获得准确和稳定的测量结果；最终采用DSP芯片TMS320F2812研制浆液型电磁流量计，实时进行励磁控制和信号处理，实现浆液流量的快速、准确的测量，解决国内电磁流量计无法测量浆液流量的难题。 作品通过水流量标定，并与技术水平先进的日本东芝公司的仪表进行了浆液流量测量对比实验。结果表明，本作品水流量测量精度优于0.3%，浆液测量的稳态波动率小于2.5%，动态跟随响应时间小于4s，达到了工业应用的要求，且性能指标优于日本东芝公司产品的指标（稳态波动率小于3%，响应时间小于6s）。 该作品已由国内最大的仪表企业—重庆川仪自动化股份有限公司实施产业化，填补了国内电磁流量计浆液测量技术的空白，有助于打破国外技术的垄断，降低国内市场对进口产品的依赖，应用前景广阔。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 解决国内电磁流量计无法测量浆液流量的难题，打破国外技术垄断，满足工业应用中不断提出的浆液流量测量的需求，为工业过程控制和节能减排提供有效的测量手段。 基本思路： 国内的电磁流量计在测量浆液流量时普遍存在以下两个问题：(1)励磁频率低，受到浆液噪声的影响很大。虽然试图提高励磁频率，但是励磁电流无法进入稳态。(2)仅采用简单的滤波处理，无法克服浆液噪声造成的大波动。研究发现，浆液噪声的幅频特性满足1/f分布，在低频段造成的干扰更大。因此，提高励磁频率可使有用信号避开浆液噪声的低频段干扰，有助于降低浆液噪声的影响。因此，我们分别从提高励磁频率和研究信号处理方法两方面来寻找解决方案。 创新点和技术关键： (1)设计基于线性电源的高频励磁控制方案，励磁频率可以达到25Hz，励磁电流很快进入稳态，而目前国内最高的励磁频率只有5Hz。这为克服浆液噪声提供了前提条件。 (2)基于大量实验数据，采用统计方法建立浆液流量信号的模型，揭示了浆液信号幅值服从近似高斯分布的特点。 (3)针对浆液信号的特点，提出基于统计分析和信号重构的浆液信号处理方法，显著降低了浆液流量测量时输出结果的波动，并提高了响应速度。 (4)以DSP芯片为核心，研制浆液型电磁流量计，实时实现高频励磁控制和浆液信号处理，实现了浆液流量测量，性能指标优于技术水平先进的日本东芝仪表。 主要技术指标： 水流量测量精度达到0.3级； 浆液测量的稳态波动率小于2.5%，动态响应时间小于4s。
科学性、先进性
- 科学性： (1)励磁控制方面，根据浆液噪声的1/f特性，采用高频方波励磁控制方案以降低浆液噪声干扰。研制了基于线性电源的高频励磁控制方案，利用线性电源的快速跟随性能使励磁电流快速进入稳态，保证了信号的零点稳定。 (2)信号处理方面，基于大量实验数据首次建立了浆液信号的近似高斯分布模型，揭示了浆液噪声的统计特征，并据此提出了基于统计分析与信号重构的浆液信号处理方法，先通过幅值解调与统计排序去除浆液干扰，然后通过信号重构和梳状带通滤波去除其它噪声干扰。 (3)针对浆液信号处理算法的运算要求，采用DSP芯片作为信号处理和系统控制核心，实现了浆液流量的实时测量。 先进性： 选取技术先进的日本东芝公司的同类仪表进行浆液流量测量的对比实验，主要考察浆液测量应用中的两个关键指标：稳态波动率和动态响应时间。作品对最大质量比为5.5%的纸浆测量时的稳态波动率小于2.5%，动态响应时间在4s以内。而日本东芝仪表的稳态波动率小于3%，响应时间小于6s。因此，本作品稳态波动率更小，动态响应更快。
获奖情况及鉴定结果
- 中国科学院中国科学技术大学科技查新咨询中心于2011年6月8日完成对查新项目组所提供的3个查新点的查新，结论是：未见国内外有相同技术和系统的文献报道。 该作品于2010年获校第12届“斛兵杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 该作品在2011年第四届“挑战杯”合锻股份安徽省大学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 面议
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片；录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 该作品安装在管道上测量单相液体流量和浆液流量，可以通过液晶显示瞬时和累积流量等，可以通过串口与上位机通信。可以通过按键设定仪表参数。 技术特点和优势： 高频方波励磁技术；基于统计分析和信号重构的浆液信号处理方法；基于DSP的信号处理平台；解决了国内仪表不能测量浆液流量的问题，关键指标均优于日本东芝仪表；作品由国内企业产业化后，具有明显的价格优势，且具有自主知识产权。 应用和推广： 已由重庆川仪自动化股份有限公司产业化，截至2010年底，销售了408台，被冶金、化工、电力等行业的多家企事业单位采用。与上海一诺仪表有限公司签订了技术转让协议，目前正在成果转化。随着节能减排和过程控制的要求，这种浆液型电磁流量计将广泛应用于石油、化工、冶金、造纸等要测量浆液流量的行业中。将打破国外产品对中国市场的垄断，迫使进口仪表价格下降，有助于降低企业的生产成本，提升企业的效益。
同类课题研究水平概述
- 电磁流量计由于其自身具有耐磨损、内部无节流件等优良特性，将成为测量浆液流量的重要仪表，被广泛应用于石油、化工、冶金和造纸等行业。但是，目前国内电磁流量计由于采用低频励磁和简单的滤波处理方法，无法测量浆液流量，具体表现为测量结果波动非常大，不满足工业应用中浆液流量稳定快速测量的要求。 在电磁流量计励磁方式的研究上，国内主要集中在低频励磁方面，以及励磁方式改进和对现有励磁电路性能的改进上，没有专门针对抑制浆液噪声而具体设计高频方波励磁控制方案。国外主要采用高频励磁或双频励磁来降低浆液噪声的影响。如日本东芝公司的双激励电磁流量计，拥有两个励磁单元。第一励磁单元产生一个频率在4Hz至8Hz内的低频方波励磁磁场，第二励磁单元产生一个频率在25Hz至35Hz内的高频方波励磁磁场。日本横河电机的双频励磁电磁流量计，采用高频75Hz的方波调制低频6.25Hz的方波，得到双频方波励磁信号。但是，没有披露实现细节。 在信号模型建立上，国内目前对电磁流量计开展的建模研究主要为传感器中磁场和磁路设计的模型、干标定模型和气液两相流量的三维立体仿真模型等，而针对电磁流量计传感器信号开展的建模研究非常少。国外则对交流励磁的信号模型，明渠式电磁流量计等进行了建模研究。但是，都没有针对浆液流量的传感器输出信号的幅值解调结果进行统计分析，建立其概率统计模型的相关研究。 在对浆液流量信号的处理上，国内专利CN101451867（浆液型电磁流量计.2009-6-10）虽设计了浆液型电磁流量计，并提出采用“智能模糊算法”处理浆液噪声，但没有给出任何具体设计，也无类似的产品问世。国外对于浆液流量的信号处理主要由一些著名的仪表企业掌握。如日本东芝公司的双激励电磁流量计，流量平稳时，根据第一励磁单元，生成第一流速信号。流量受浆液等噪声干扰时，根据第二励磁单元，生成第二流速信号，并据此测量浆液流量。日本横河的双频励磁电磁流量计，采用高频75Hz的方波调制低频6.25Hz的方波，得到双频方波励磁信号。低频励磁用于稳定信号零点，高频励磁用于降低信号中的浆液干扰。日本山武公司提供了一种电磁流量计，采用一种频带衰减的滤波器降低浆液噪声的影响。但是，具体的技术细节如信号模型和处理方法等都没有披露，产品占据了很大的市场份额，且价格昂贵，是国内仪表价格的2-3倍。
