基本信息
- 項目名稱：
- 基于高頻勵磁和統(tǒng)計信號處理的漿液型電磁流量計
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對目前國內(nèi)電磁流量計無法測量漿液流量的難題，本項目提出基于線性電源的高頻方波勵磁方案，建立漿液信號的近似高斯分布模型，提出基于統(tǒng)計分析與信號重構(gòu)的漿液信號處理方法，并研制基于DSP的漿液型電磁流量計，實現(xiàn)漿液流量的快速、穩(wěn)定測量，穩(wěn)態(tài)波動率和動態(tài)響應(yīng)時間優(yōu)于技術(shù)水平先進的日本東芝公司的儀表。該作品擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，打破了國外技術(shù)壟斷，已由國內(nèi)最大的儀表企業(yè)--重慶川儀自動化股份有限公司產(chǎn)業(yè)化。
- 詳細介紹：
- 隨著節(jié)能減排和過程控制的要求，以及電磁流量計自身結(jié)構(gòu)上具有耐磨損，測量管內(nèi)無節(jié)流件等優(yōu)良特性，它將成為漿液流量測量的重要儀表，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和造紙等行業(yè)，用于水煤漿、礦漿和紙漿等漿液流量的測量。 國外一些著名公司的儀表可以用于漿液測量，產(chǎn)品壟斷了全球市場，價格昂貴。而國內(nèi)領(lǐng)域則遠遠落后，行業(yè)應(yīng)用依賴于進口儀表。國產(chǎn)電磁流量計由于勵磁頻率低、僅采用簡單的濾波處理，無法克服漿液噪聲的影響，測量結(jié)果波動一般大于20%；為了降低波動而進行的大阻尼調(diào)節(jié)，又導(dǎo)致其動態(tài)響應(yīng)時間長，無法滿足工業(yè)應(yīng)用中測量結(jié)果穩(wěn)態(tài)波動率小于5%和動態(tài)響應(yīng)時間小于10s的要求。 為此，本作品同時從提高勵磁頻率和研究信號處理方法兩方面尋找解決方案。設(shè)計新穎的高頻勵磁方案，采用線性電源搭建恒流源，并以高壓供電，實現(xiàn)高頻方波勵磁，保證信號零點的穩(wěn)定；基于大量的實驗數(shù)據(jù)，運用概率分析方法，建立漿液流量信號的統(tǒng)計模型，揭示其本質(zhì)特征；在此基礎(chǔ)上，提出一種基于統(tǒng)計分析與信號重構(gòu)的漿液流量信號處理方法，去除漿液干擾，獲得準確和穩(wěn)定的測量結(jié)果；最終采用DSP芯片TMS320F2812研制漿液型電磁流量計，實時進行勵磁控制和信號處理，實現(xiàn)漿液流量的快速、準確的測量，解決國內(nèi)電磁流量計無法測量漿液流量的難題。 作品通過水流量標定，并與技術(shù)水平先進的日本東芝公司的儀表進行了漿液流量測量對比實驗。結(jié)果表明，本作品水流量測量精度優(yōu)于0.3%，漿液測量的穩(wěn)態(tài)波動率小于2.5%，動態(tài)跟隨響應(yīng)時間小于4s，達到了工業(yè)應(yīng)用的要求，且性能指標優(yōu)于日本東芝公司產(chǎn)品的指標（穩(wěn)態(tài)波動率小于3%，響應(yīng)時間小于6s）。 該作品已由國內(nèi)最大的儀表企業(yè)—重慶川儀自動化股份有限公司實施產(chǎn)業(yè)化，填補了國內(nèi)電磁流量計漿液測量技術(shù)的空白，有助于打破國外技術(shù)的壟斷，降低國內(nèi)市場對進口產(chǎn)品的依賴，應(yīng)用前景廣闊。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設(shè)計目的： 解決國內(nèi)電磁流量計無法測量漿液流量的難題，打破國外技術(shù)壟斷，滿足工業(yè)應(yīng)用中不斷提出的漿液流量測量的需求，為工業(yè)過程控制和節(jié)能減排提供有效的測量手段。 基本思路： 國內(nèi)的電磁流量計在測量漿液流量時普遍存在以下兩個問題：(1)勵磁頻率低，受到漿液噪聲的影響很大。雖然試圖提高勵磁頻率，但是勵磁電流無法進入穩(wěn)態(tài)。(2)僅采用簡單的濾波處理，無法克服漿液噪聲造成的大波動。研究發(fā)現(xiàn)，漿液噪聲的幅頻特性滿足1/f分布，在低頻段造成的干擾更大。因此，提高勵磁頻率可使有用信號避開漿液噪聲的低頻段干擾，有助于降低漿液噪聲的影響。因此，我們分別從提高勵磁頻率和研究信號處理方法兩方面來尋找解決方案。 創(chuàng)新點和技術(shù)關(guān)鍵： (1)設(shè)計基于線性電源的高頻勵磁控制方案，勵磁頻率可以達到25Hz，勵磁電流很快進入穩(wěn)態(tài)，而目前國內(nèi)最高的勵磁頻率只有5Hz。這為克服漿液噪聲提供了前提條件。 (2)基于大量實驗數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計方法建立漿液流量信號的模型，揭示了漿液信號幅值服從近似高斯分布的特點。 (3)針對漿液信號的特點，提出基于統(tǒng)計分析和信號重構(gòu)的漿液信號處理方法，顯著降低了漿液流量測量時輸出結(jié)果的波動，并提高了響應(yīng)速度。 (4)以DSP芯片為核心，研制漿液型電磁流量計，實時實現(xiàn)高頻勵磁控制和漿液信號處理，實現(xiàn)了漿液流量測量，性能指標優(yōu)于技術(shù)水平先進的日本東芝儀表。 主要技術(shù)指標： 水流量測量精度達到0.3級； 漿液測量的穩(wěn)態(tài)波動率小于2.5%，動態(tài)響應(yīng)時間小于4s。
科學性、先進性
- 科學性： (1)勵磁控制方面，根據(jù)漿液噪聲的1/f特性，采用高頻方波勵磁控制方案以降低漿液噪聲干擾。研制了基于線性電源的高頻勵磁控制方案，利用線性電源的快速跟隨性能使勵磁電流快速進入穩(wěn)態(tài)，保證了信號的零點穩(wěn)定。 (2)信號處理方面，基于大量實驗數(shù)據(jù)首次建立了漿液信號的近似高斯分布模型，揭示了漿液噪聲的統(tǒng)計特征，并據(jù)此提出了基于統(tǒng)計分析與信號重構(gòu)的漿液信號處理方法，先通過幅值解調(diào)與統(tǒng)計排序去除漿液干擾，然后通過信號重構(gòu)和梳狀帶通濾波去除其它噪聲干擾。 (3)針對漿液信號處理算法的運算要求，采用DSP芯片作為信號處理和系統(tǒng)控制核心，實現(xiàn)了漿液流量的實時測量。 先進性： 選取技術(shù)先進的日本東芝公司的同類儀表進行漿液流量測量的對比實驗，主要考察漿液測量應(yīng)用中的兩個關(guān)鍵指標：穩(wěn)態(tài)波動率和動態(tài)響應(yīng)時間。作品對最大質(zhì)量比為5.5%的紙漿測量時的穩(wěn)態(tài)波動率小于2.5%，動態(tài)響應(yīng)時間在4s以內(nèi)。而日本東芝儀表的穩(wěn)態(tài)波動率小于3%，響應(yīng)時間小于6s。因此，本作品穩(wěn)態(tài)波動率更小，動態(tài)響應(yīng)更快。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 中國科學院中國科學技術(shù)大學科技查新咨詢中心于2011年6月8日完成對查新項目組所提供的3個查新點的查新，結(jié)論是：未見國內(nèi)外有相同技術(shù)和系統(tǒng)的文獻報道。 該作品于2010年獲校第12屆“斛兵杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽特等獎。 該作品在2011年第四屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛股份安徽省大學生課外學術(shù)科技作品競賽中獲得特等獎。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 面議
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；現(xiàn)場演示；圖片；錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明： 該作品安裝在管道上測量單相液體流量和漿液流量，可以通過液晶顯示瞬時和累積流量等，可以通過串口與上位機通信。可以通過按鍵設(shè)定儀表參數(shù)。 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 高頻方波勵磁技術(shù)；基于統(tǒng)計分析和信號重構(gòu)的漿液信號處理方法；基于DSP的信號處理平臺；解決了國內(nèi)儀表不能測量漿液流量的問題，關(guān)鍵指標均優(yōu)于日本東芝儀表；作品由國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化后，具有明顯的價格優(yōu)勢，且具有自主知識產(chǎn)權(quán)。 應(yīng)用和推廣： 已由重慶川儀自動化股份有限公司產(chǎn)業(yè)化，截至2010年底，銷售了408臺，被冶金、化工、電力等行業(yè)的多家企事業(yè)單位采用。與上海一諾儀表有限公司簽訂了技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，目前正在成果轉(zhuǎn)化。隨著節(jié)能減排和過程控制的要求，這種漿液型電磁流量計將廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造紙等要測量漿液流量的行業(yè)中。將打破國外產(chǎn)品對中國市場的壟斷，迫使進口儀表價格下降，有助于降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的效益。
同類課題研究水平概述
- 電磁流量計由于其自身具有耐磨損、內(nèi)部無節(jié)流件等優(yōu)良特性，將成為測量漿液流量的重要儀表，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和造紙等行業(yè)。但是，目前國內(nèi)電磁流量計由于采用低頻勵磁和簡單的濾波處理方法，無法測量漿液流量，具體表現(xiàn)為測量結(jié)果波動非常大，不滿足工業(yè)應(yīng)用中漿液流量穩(wěn)定快速測量的要求。 在電磁流量計勵磁方式的研究上，國內(nèi)主要集中在低頻勵磁方面，以及勵磁方式改進和對現(xiàn)有勵磁電路性能的改進上，沒有專門針對抑制漿液噪聲而具體設(shè)計高頻方波勵磁控制方案。國外主要采用高頻勵磁或雙頻勵磁來降低漿液噪聲的影響。如日本東芝公司的雙激勵電磁流量計，擁有兩個勵磁單元。第一勵磁單元產(chǎn)生一個頻率在4Hz至8Hz內(nèi)的低頻方波勵磁磁場，第二勵磁單元產(chǎn)生一個頻率在25Hz至35Hz內(nèi)的高頻方波勵磁磁場。日本橫河電機的雙頻勵磁電磁流量計，采用高頻75Hz的方波調(diào)制低頻6.25Hz的方波，得到雙頻方波勵磁信號。但是，沒有披露實現(xiàn)細節(jié)。 在信號模型建立上，國內(nèi)目前對電磁流量計開展的建模研究主要為傳感器中磁場和磁路設(shè)計的模型、干標定模型和氣液兩相流量的三維立體仿真模型等，而針對電磁流量計傳感器信號開展的建模研究非常少。國外則對交流勵磁的信號模型，明渠式電磁流量計等進行了建模研究。但是，都沒有針對漿液流量的傳感器輸出信號的幅值解調(diào)結(jié)果進行統(tǒng)計分析，建立其概率統(tǒng)計模型的相關(guān)研究。 在對漿液流量信號的處理上，國內(nèi)專利CN101451867（漿液型電磁流量計.2009-6-10）雖設(shè)計了漿液型電磁流量計，并提出采用“智能模糊算法”處理漿液噪聲，但沒有給出任何具體設(shè)計，也無類似的產(chǎn)品問世。國外對于漿液流量的信號處理主要由一些著名的儀表企業(yè)掌握。如日本東芝公司的雙激勵電磁流量計，流量平穩(wěn)時，根據(jù)第一勵磁單元，生成第一流速信號。流量受漿液等噪聲干擾時，根據(jù)第二勵磁單元，生成第二流速信號，并據(jù)此測量漿液流量。日本橫河的雙頻勵磁電磁流量計，采用高頻75Hz的方波調(diào)制低頻6.25Hz的方波，得到雙頻方波勵磁信號。低頻勵磁用于穩(wěn)定信號零點，高頻勵磁用于降低信號中的漿液干擾。日本山武公司提供了一種電磁流量計，采用一種頻帶衰減的濾波器降低漿液噪聲的影響。但是，具體的技術(shù)細節(jié)如信號模型和處理方法等都沒有披露，產(chǎn)品占據(jù)了很大的市場份額，且價格昂貴，是國內(nèi)儀表價格的2-3倍。
