摘(zhai)要(yao)：針(zhen)對漿液型電(dian)磁流量(liang)計 的矩形(xing)波勵磁技術(shu)，提出一(yi)種更(geng)加符(fu)合矩(ju)形波(bo)特(te)點的Walsh變(bian)換法。對基(ji)于Walsh變(bian)換的(de)諧波分
析(xi)方法進行(hang)實驗(yan)驗證(zheng)其可行性(xing)和實際效(xiao)果。實驗表明在不提(ti)升勵(li)磁頻(pin)率的(de)前提(ti)下，該諧波(bo)分析方(fang)法可以(yi)一定(ding)程度克服(fu)漿液(ye)噪(zao)
聲(sheng)引起的流(liu)量信号波(bo)動。從而爲漿液(ye)型電(dian)磁流(liu)量計(ji)的諧波分(fen)析方(fang)法提(ti)供了一種(zhong)新的(de)思路和理(li)論依據。
　　電磁流(liu)量計 是20世(shi)紀50~60年(nian)代随着(zhe)電(dian)子技(ji)術的發(fa)展而迅(xun)速發(fa)展起來的(de)新型流量測量(liang)儀表畢。漿(jiang)液型(xing)電磁(ci)流量計是(shi)電磁(ci)
流量計性(xing)能的(de)進一(yi)步發展,可(ke)以用(yong)來測(ce)量含有(you)砂(sha)漿、泥(ni)漿、紙(zhi)漿等(deng)大小(xiao)不均(jun)的固(gu)體顆(ke)粒的(de)漿液型流(liu)體。目(mu)前漿(jiang)液型電磁流量計
在(zai)工業中的(de)應用越來(lai)越(yue)多，但是(shi)由于(yu)漿液(ye)型流體流(liu)量測量中(zhong).存在的(de)漿(jiang)液噪(zao)聲問題，使得漿(jiang)液型電(dian)磁(ci)流量(liang)計存在(zai)測量精(jing)度不高
、測(ce)量不(bu)穩定(ding)等問題。國(guo)内外學者(zhe)主要通過(guo)改(gai)進(jin)勵磁(ci)技術,提高勵磁(ci)頻率或(huo)研究漿(jiang)液型(xing)流(liu)體(ti)流量(liang)信号的特點，運(yun)用各種信(xin)号處(chu)
理技(ji)術的(de)方法(fa)抑制(zhi)漿液噪聲(sheng)。本文主要針對(dui)在不提(ti)高(gao)勵磁(ci)頻率(lü)的情(qing)況下(xia)，對流量信(xin)号進(jin)行的(de)頻域特征(zheng)進行分析并計(ji)算流量(liang),由(you)
此提(ti)出一種新的諧(xie)波分析方法進(jin)行探讨。
　　Walsh函數是(shi)由J.L.Walsh提出(chu)，是一種(zhong)完備的正交函(han)數系凹(ao),該函數(shu)的取(qu)值僅(jin)爲+1.-1,Walsh變換比較容易在(zai)工業上(shang)進(jin)行實(shi)現。Walsh函數和傅裏(li)葉函數具(ju)有很高的(de)相似性旦(dan),不同之處(chu)在于Walsh函數(shu)是(shi)由(you)方波(bo)組成,傅裏葉函(han)數是(shi)由三角函(han)數組成,将傅裏葉變換中的三(san)角函數替(ti)換成(cheng)Walsh函數(shu)就可以進(jin)行Walsh變(bian)換(huan)。
　　在(zai)漿液(ye)型電(dian)磁(ci)流(liu)量計(ji)的勵磁方(fang)式中，通常都(dou)是采用(yong)矩形波(bo)勵(li)磁，産生的(de)流(liu)量信号(hao)也都呈現(xian)矩形(xing)波的(de)形式。這正(zheng)與Walsh函
數(shu)的(de)方波(bo)形式(shi)的特(te)點相(xiang)對應。另外(wai),Walsh變換(huan)在計(ji)算方面僅(jin)需要(yao)進行(hang)實數(shu)的加減(jian)運(yun)算，相(xiang)比于需(xu)要進行複數(shu)乘法(fa)運算(suan)的傅(fu)裏葉變換(huan)更加(jia)的簡(jian)單、運(yun)算速度更(geng)加的(de)高效(xiao)凹,同時也(ye)更加方便工業(ye)實現(xian)。本(ben)文通過(guo)對基于Walsh變(bian)換的(de)諧波分(fen)析(xi)方法(fa)進行實(shi)驗(yan)探讨(tao)，爲漿液(ye)型電磁(ci)流量計諧(xie)波分(fen)析的信号處理(li)方法(fa)提供(gong)一種(zhong)新的方向(xiang)和思(si)路。
1漿液噪聲介紹
　　漿(jiang)液(ye)噪(zao)聲是(shi)指,在測(ce)量(liang)漿液(ye)型固(gu)液(ye)兩(liang)相流(liu)時,漿液内部有很.大(da)兩的團狀(zhuang)物或者(zhe)砂(sha)漿等(deng)大小(xiao)不均的固(gu)體顆(ke)粒(li)。漿(jiang)液流(liu)動時(shi),
這(zhe)些顆粒(li)會撞擊到(dao)電磁(ci)流量(liang)計的測量(liang)電極上，使(shi)得測(ce)量點(dian)擊産生一(yi)個幹(gan)擾信(xin)号,大(da)量的幹擾信号(hao)就會(hui)擾(rao)亂(luan)正常(chang)的測(ce)量信号,原(yuan)
本.應該(gai)平(ping)滑的(de)感應(ying)電動勢疊(die)加漿(jiang)液噪(zao)聲，就是使得(de)流量的(de)測量出現偏差(cha)。圖1爲(wei)勵磁頻率(lü)爲12.5Hz方波(bo)勵(li)磁的砂漿流量信号(hao)
的幾乎(hu)不(bu)含砂漿的清水流量(liang)信号。

　　從圖1中可(ke)以看(kan)出砂(sha)漿信(xin)号(hao)有着明(ming)顯的信号跳變(bian)，而傳(chuan)統(tong)的方波勵磁(ci)信号(hao)計算(suan)方法(fa)是使用正(zheng)負勵(li)磁相(xiang)減的(de)方式再(zai)進(jin)行處(chu)理
得(de)到流(liu)速信(xin)息。然(ran)而，在面對有着劇烈(lie)波動(dong)的漿液(ye)流量信(xin)号時(shi),這(zhe)種(zhong)方法(fa)無法消除(chu)信号的劇烈(lie)波(bo)動,從(cong)而導緻測量的波動(dong)非常大導(dao)緻測量不準确。所以本文從諧(xie)波分(fen)析(xi)人(ren)手，采(cai)用Walsh變(bian)換從諧波(bo)分析角度對漿液流(liu)量信号進(jin)行探讨。
2Walsh變(bian)換簡(jian)介
　　Walsh(沃(wo)爾什)函數(shu)是[O,1]定義在(zai)上完(wan)備、歸(gui)一(yi)化的正(zheng)交系,記爲wal(n,k),具體(ti)波形(xing)如(ru)圖2所示(shi)。其中(zhong)k爲自(zi)變量,n爲序(xu)率,表示Walsh函(han)數在[0,1]間變(bian)号的次數(shu),Walsh函數的矩(ju)形波幅值(zhi)的取(qu)值爲(wei)+1或-1。
　　Walsh函數即(ji)爲-.組矩形波族,任何以(yi)1爲周期(qi),且在[0,1)内可(ke)積的(de)函數(shu),都可以分(fen)解爲(wei)一(yi)組(zu)Walsh函數的加(jia)權和,即爲(wei)Walsh
級數:


3諧(xie)波(bo)分析方法(fa)
3.1諧波分析(xi)方法的(de)原(yuan)理.
　　目前漿液(ye)型電磁(ci)流量(liang)計(ji)一般大(da)都采用矩(ju)形波(bo)勵磁方式(shi),如方波勵(li)磁。方波勵(li)磁所以(yi)得(de)到的(de)流量信号(hao)也都(dou)是基(ji)于(yu)方(fang)波形式。
對于給定幅(fu)值的E、均(jun)值(zhi)爲a的方波(bo)信号，其傅(fu)裏葉展(zhan)開(kai)公式(shi)爲
　　由于(yu)Walsh函(han)數與(yu)傅裏(li)葉(ye)函(han)數具有很(hen)好的(de)相似(si)性,所以Walsh變換的(de)基波以(yi)及諧波(bo)幅值也和(he)方波幅值(zhi)存在(zai)着一(yi)-定的比例(li)關系(xi)。
　　因此(ci),諧波幅值(zhi)和測量(liang)流體的(de)流速(su)之(zhi)間(jian)存在(zai)着一(yi)定的比例(li)關系(xi)，選(xuan)擇(ze)頻譜(pu)中能夠表(biao)征流(liu)量信(xin)号且受到(dao)幹擾較小的諧(xie)波幅(fu)值
，通過測(ce)量諧波幅(fu)值的(de)大小來計算流(liu)速。實(shi)驗(yan)中(zhong)會通(tong)過對(dui)實際(ji)流量(liang)信号的(de)采(cai)集并處理(li),對諧波幅(fu)值和流(liu)速(su)進行(hang)線性拟合來确(que)定
Walsh變換諧波幅(fu)值和(he)流速之間(jian)存在的線(xian)性關(guan)系。
3.2實(shi)驗平(ping)台介(jie)紹
　　本(ben)文采用如圖3所示實驗裝(zhuang)置來驗證(zheng)Walsh諧波(bo)分析(xi)方法(fa)的可(ke)行性。實(shi)驗(yan)裝置(zhi)上用(yong)于設定流(liu)量和(he)流(liu)速(su)的可(ke)作爲(wei)對照(zhao)表使(shi)用的儀表(biao)爲日(ri)本橫(heng)河生(sheng)産的(de)最新(xin)款(kuan)AXF040G漿(jiang)液型(xing)電磁(ci)流量(liang)計。實(shi)驗采(cai)用口(kou)徑爲(wei)DN40的電(dian)磁(ci)流量計(ji)傳感器,被(bei)測流(liu)體分(fen)别(bie)爲清水(shui)以及(ji)｜ 石英砂、水(shui)質量比爲1/128.2/128..4/128的砂(sha)漿,其(qi)中(zhong)石英砂(sha)粒度(du)爲20~120目。

　　本實(shi)驗設(she)定流體流(liu)速分(fen)别爲(wei)1m/s、1.5m/s、2m/s.2.5m/s和3m/s。勵(li)磁頻(pin)率爲(wei)12.5Hz方波勵磁(ci),設(she)定(ding)示波(bo)器的采樣(yang)頻率(lü)爲
2500Hz,采樣時間爲(wei)40s,采樣的數據長(zhang)度爲(wei)100000點。3.3Walsh變換諧(xie)波分析方(fang)法的(de)可行(hang)性驗證把(ba)實驗采(cai)集(ji)到的每組(zu)數據進行(hang)
分段--共(gong)分(fen)爲40段(duan)數據(ju),對(dui)長度爲(wei)N的每段(duan)數據進(jin)行Walsh變(bian)換(huan)得到長(zhang)度爲N的Walsh數(shu)組。對(dui)Walsh數據(ju)進(jin)行計算(suan)得到(dao)Walsh頻譜(pu)
計算(suan)，設Walsh序的(de)系(xi)數是(shi)F(0),F(1),..F(N-1),則Walsh頻(pin)譜計(ji)算方式爲(wei):

　　根(gen)據(ju)Walsh變換(huan)頻譜分析尋找(zhao)突出(chu)并且能代(dai)表流(liu)量變(bian)化的(de)幅值。最終(zhong)本實(shi)驗選(xuan)擇(ze)采用12.5Hz頻(pin)率點(dian)下的幅值(zhi)數據(ju)進行(hang)實驗(yan)
提取每組Walsh變換(huan)頻譜圖(tu)中的12.5Hz頻率點(dian)的幅(fu)值構(gou)成一個(ge)長度爲40的數組(zu)x;(i=0,1...39),對(dui)數組(zu)進行(hang)窗口(kou)長度(du)爲w=8的(de)
滑動(dong)中值(zhi)濾波。如待(dai)處理(li)的數據爲Xo~X7,首先(xian)對該段(duan)數據進(jin)行排序，之(zhi)後取(qu)間第3到第(di)5點之(zhi)間值的平(ping)均值(zhi)作爲該點(dian)的值(zhi)。最
後(hou)對(dui)處理過(guo)後的(de)數組求均(jun)值得(de)到一組數(shu)據的諧波幅值(zhi)點y,用流速(su)和幅(fu)值點(dian)y進(jin)行(hang)線性拟合(he)結果(guo)如圖(tu)5所示

　　通(tong)過對流(liu)量信号進行Walsh變(bian)換提取諧波幅(fu)值,并(bing)對(dui)提(ti)取到(dao)的數據進(jin)行線性拟(ni)合,如(ru)圖5所(suo)示可以看(kan)出基(ji)于Walsh變換諧波幅(fu)
值拟(ni)合(he)滿足與(yu)流速(su)的線(xian)性關(guan)系。除(chu)去(qu)測(ce)量誤差等(deng)幹擾(rao)因素(su),Walsh變換的諧(xie)波幅(fu)值可(ke)以很好地(di)符合流速(su)的變換,驗證了(le)運用(yong)Walsh
變換諧波(bo)分析(xi)的可行性。
4實驗(yan)驗證(zheng)基于(yu)Walsh變換(huan)的諧波分(fen)析的(de)計算(suan)波動率效(xiao)果
　　本(ben)實驗采用(yong)本文上述(shu)的實(shi)驗裝(zhuang)置在介質(zhi)爲清(qing)水、1/128漿液、2/128漿(jiang)液.4/128漿(jiang)液(ye)的條件(jian)下，在12.5Hz的頻(pin)率點(dian)Walsh變換的(de)諧(xie)波分(fen)析方法進行驗證。信号處理算(suan)法具(ju)體步(bu)驟爲(wei)對流量信(xin)号進(jin)行一定點(dian)數的(de)Walsh變換(huan)計算(suan),提取(qu)其中(zhong)受(shou)到漿液影響(xiang)較小(xiao)能夠(gou)表征流(liu)速(su)的頻率點(dian)幅值，對提(ti)取到的幅值進(jin)行排(pai)序，取(qu)排序(xu)後的幅(fu)值中間部分(fen)的一(yi).定點(dian)數當(dang)作(zuo)當前一(yi)輪Walsh計(ji)算得到的(de)諧波幅值;對這(zhe)一組諧波幅值(zhi)進行滑(hua)動(dong)中值濾波(bo);對得到的(de)這組數據進行(hang)流速(su)計算;最後(hou)對實驗得(de)到的流量(liang)信(xin)号進行(hang)上述(shu)處理(li)得到(dao)諧波幅值曲線(xian),計算波動(dong)率:

從表1可(ke)以看(kan)出Walsh變(bian)換的(de)波(bo)動(dong)率大多數(shu)都(dou)處于5%以(yi)下，隻有當流速增大(da)由于(yu)漿液(ye)固體顆(ke)粒的碰(peng)撞更(geng)加的頻繁(fan)導緻波動(dong)率
會略微(wei)偏大。上述(shu)實驗表(biao)明(ming)基于Walsh變換的(de)諧波方(fang)法可以(yi)一定程度的(de)一直漿液(ye)噪聲造(zao)成(cheng)的影(ying)響。
5結(jie)束語
本文(wen)将基于Walsh變(bian)換的(de)諧波方(fang)法(fa)應用(yong)于漿液(ye)型(xing)電磁(ci)流量(liang)計(ji)的(de)流量(liang)測量中。，首(shou)先對Walsh變換(huan)的(de)諧波方(fang)法的可行(hang)性進行實(shi)
驗(yan)驗證驗(yan)證,證明了該方(fang)法可(ke)以表征流(liu)量的變(bian)化(hua)。通過(guo)實驗(yan)分析(xi)驗證(zheng),基于(yu)Walsh變換的諧波分(fen)析方法可(ke)以在(zai)不提高勵磁頻(pin)
率的(de)情況(kuang)下克(ke)服漿(jiang)液噪(zao)聲帶(dai)來的幹擾(rao)，保證流量信号(hao)一定(ding)程度的波(bo)動穩定性(xing)。此方(fang)法也爲漿液型(xing)電磁流量(liang)計在(zai)諧波(bo)分析方
法(fa)方面提(ti)供了新(xin)的思(si)考方向和(he)技術積累。

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