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德甲下注|一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提

2019-05-24

一种基于双频励磁的电磁流量计系统及信号提取方法与流程

本发明涉及井下钻井液流量测量技术领域,尤其涉及一种基于双频激励和信号提取方法的电磁流量计系统。

背景技术:

基于法拉第电磁感应定律的电磁流量计是一种电磁测量仪器,其基于当导电流体通过外部磁场时感应出的电动势来测量导电流体的流量。由于其独特的性能特征(例如高精度,高稳定性,快速响应和小型化),它已成为流量测量技术中使用最广泛的流量计之一,也是产品附加值最高的产品。它用于冶金,电力,石化,食品和医药。工业过程中最重要的自动化工具之一,例如环境保护和环境保护,在国民经济中占有重要地位。随着我国油气勘探与开发领域的扩大,地下钻井作业的恶劣环境不仅促进了钻井液的研究开发,而且还促进了钻井液的开发。它还迫使制造商在适合钻井环境的钻井液前提下开发新的电磁流量计。 ,为市场提供具有更好产品性能的电磁流量计。本发明将从两个方面开始优化流量计的性能,一方面是激励技术的优化,另一方面是信号提取方法的优化。

就励磁技术而言,国内外厂商普遍采用低频矩形波励磁。低频励磁技术可以确保流量计的零点稳定性和精度,但是低频励磁技术不仅降低了测量速度,而且使得低频电极电磁流量仪表无法更好地满足当今的技术要求。工业现场,低频激励电磁流量计在液固两相导电液体的测量中也存在突出的问题。基于高频励磁技术的电磁流量计,测量响应速度快,可以应用于实际环境中的泥浆测量,但高频励磁技术的零点稳定性差,测量误差大。比较大。但是,如果整合低频激励的零点稳定性,高频激励的快速响应速度和强大的抑制泥浆干扰的能力,它将大大提高电磁流量计的信噪比和精度。 ,并优化其性能。

就流量计信号的提取方法而言,通过以往的文献研究和数据整理,我们可以看到,目前对双频励磁输出流量信号的处理方法主要是通过硬件,调制和解调方法,使用采样器来实现的。硬件电路方法实现了流量信号的提取,但是没有给出具体的实现过程。随着电子技术的不断发展和更新,软件过滤方法变得越来越流行。对于电磁流量计的流量信号处理,它经历了从单片机到数字信号处理设备(DSP)的最初过渡,并出现了一系列数字滤波方法。目前,电磁流量计的数字信号滤波方法主要包括滑动滤波算法,中值滤波算法,梳状滤波算法等。如果可以对滤波算法和流量信号提取算法进行优化,将直接有利于测量精度和精度的提高。电磁流量计的可靠性。

技术实现要素:

本发明的目的是提供一种基于双频激励的电磁流量计系统和信号提取方法,以解决上述问题。

一种基于双频励磁的电磁流量计系统,其特征在于,包括励磁线圈,信号电极,DSP微处理系统,励磁驱动模块,信号预处理模块和信号调节模块; DSP微处理系统控制激励。驱动模块生成双频矩形波激励,以激励线圈以激励测量管道中的磁场。测量管道中的导电流体切断电磁感应线以产生感应电动势,并被信号电极感应。信号电极将流量信号发送至信号预处理模块,信号经过增强后发送至信号调节模块。在信号调理模块中,使流信号通过带通滤波器以抑制某些高频干扰和低频干扰,然后由峰值削波电路消除由差分干扰引起的尖峰,然后将其电平通过提升电路被发送到DSP微处理系统进行数据处理和计算。

DSP微处理器系统通过增强PWM输出模块来生成6. 25Hz和75Hz单极性方波。

激励驱动模块是恒流源激励电路,由运算放大器,多个模拟开关,稳压器,场效应管等组成,并产生激励频率为6. 25 Hz和75 Hz。

信号预处理模块是仪器的放大电路,用于增强信号电极感应到的流量信号并将其发送到信号调节模块。

信号调节模块包括一个预差分电路,一个二阶低通滤波器,一个二阶高通滤波器,一个后置放大器电路,一个峰值削波电路和一个电平增强电路,它们分别是从左到右依次连接。

二阶低通滤波器的截止频率设置为40 8. 3Hz,用于抑制流量信号中的高频干扰信号。在抑制高频干扰的同时,确保了75Hz高频方波的5倍基频。二阶高通滤波器的截止频率设置为0. 5 Hz,用于抑制流量信号中的低频干扰信号。

当采样流量信号时,高频采样序列仅对高频激励矩形波半周期激励的后半部分执行幅度解调和数据采集。高频采样序列的采样频率为27KHz,每个半周期采集32个数据点。

提取交通信号时,通过移动平均滤波算法和气泡排序对信号的幅度解调结果进行处理。

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一种基于双频激励的电磁流量计信号提取方法,包括以下步骤:

S1:对在高频采样周期的每一半中收集的32个数据点执行16点移动平均滤波算法,并在新的滑动滤波算法之后获得16个数据点;

S2:根据振幅解调原理产生振幅解调结果,并进行气泡分选处理,捏捏头尾后,取中间的8个数据进行平均处理,完成双频励磁周期的6组可以获得振幅解调结果;

S3:收集并处理12个完整的双频矩形波激励周期的数据,以获得72个幅度解调数据,并对其进行36点移动平均滤波处理,然后进行气泡排序处理,取中间的18个数据进行平均后进行处理,并作为振幅解调的结果。

本发明的有益效果:采用双频激励模式。它具有低频激励零点稳定性乐鱼体育 ,高频激励的快速响应速度和强大的抑制钻井液干扰能力的优点。在信号提取和处理方面,硬件系统目前选择性能更好的数字信号处理设备(DSP)电磁流量计数据采集系统,同时优化了滤波算法和流信号提取算法,有利于提高测量精度和电磁流量计的可靠性。

图纸说明

图1是本发明的双频激励方法和信号提取的整体结构示意图。

图2是图1中励磁驱动模块中的恒流源励磁电路。

图3是图2的恒流源激励电路产生的激励信号的时序图。

图4是双频矩形波激励输出信号的采样时序示意图。

图5是图1中信号调节模块的特定调节过程的示意流程图。

示例图片:1个励磁线圈,2个测量管线,3个信号电极,4个信号预处理模块,5个信号调节模块,6个励磁驱动模块,7个DSP微处理系统,8个Pre微分放大器电路,9二阶低通滤波器,10二阶高通滤波器,11后置放大器电路,12峰值削波电路,13级升压电路。

具体的实现方法

下面将参考附图描述本发明的具体实施例,但是本发明的保护范围不限于以下内容。

如图1所示,基于双频励磁的电磁流量计系统,包括励磁线圈(1),信号电极(3)电磁流量计数据采集系统,DSP微处理系统(7),励磁驱动模块(6),信号预处理模块(4)和信号调节模块(5);激励驱动模块(6))的输入端子连接到DSP微处理系统(7))的输出端子,励磁驱动模块(6)的两个输出端分别连接到励磁线圈(1);信号预处理模块的两个输入端(4)分别连接到信号电极(3);信号调节模块(5))的输入端连接到信号前置器。处理模块(4)的输出端,信号调节模块(5))的输出端连接到DSP micro-处理系统(7)。当系统进入工作状态时,DSP微处理系统(7) ls励磁驱动模块(6))产生双频矩形波励磁,从而使励磁线圈(1)激发测量管(2))中的磁场,激发测量管中的导电液(2) 2)切断感应磁力线以产生感应电动势,并被信号电极感应(3)感觉;信号电极(3)将流量信号传输到信号预处理模块(4),由仪表放大器电路对其进行增强,然后发送到信号调节模块;在信号调节模块(5)中,流量信号带通滤波器抑制某些高频干扰和低频干扰,然后通过峰值削波电路消除由差分干扰引起的尖峰,然后将其发送到DSP微处理系统(7)数据处理和计算的高级电路。

如图2所示,恒流源激励电路由运算放大器,多个模拟开关,稳压器和场效应管组成。当运算放大器的同相输入端的电压为正时,运算放大器本身处于开环状态,开环输出电压接近电源的正电压,因此Q1(N通道)FET开启,运算放大器的“虚拟短路和虚拟断开”原理可以看出,运算放大器将自动使反馈电阻上的电压保持等于输入电压,因此运算放大器需要自动调节流过反馈电阻器的电流,以保持同相和反相输入端子上的电压相等;类似地,当输入为时,当电压为负时,运算放大器的输出接近电源的负电压,因此Q3(P沟道)FET导通。同时,反馈电阻和励磁线圈串联,因此励磁线圈中的电流也恒定。当反馈电阻的电阻恒定时,流经线圈的励磁电流的大小由运算放大器的输入电压确定。为了考虑实验测试,即,可以容易地调节励磁电流。利用LM7805和LM7905的稳压作用,当反馈电阻值恒定时,可以通过调节电位器来调节运算放大器的输入电压,从而实现激励电流的调节。

励磁驱动模块的输入信号(6)是6. 25Hz和75Hz单极性方波信号。此输入信号由DSP微处理系统(7)通过增强型PWM输出模块的EPWM2A提供)同时输入信号发送到激励驱动模块中的CD4052多通道模拟开关A和B通道控制端口(6),并控制多通道模拟开关CD4052的门控通道使输入电压在正零之间切换,在负之间切换,以实现控制励磁线圈的双频矩形波励磁的输出(1)。双频矩形波励磁的励磁频率为6. 25Hz和75Hz,即双极周期频率为6. 25 Hz矩形波包含12个周期为75 Hz的单极矩形波。

双频矩形波励磁控制励磁线圈(1)激发测量管中的磁场(2)),导电性流体通过切断磁感应线产生感应电动势,信号电极(3)感应感应的电动势以生成流量信号。与此同时,流量信号被传输到信号预处理模块(4),然后通过信号调节模块(5),已处理的流量信号被发送到DSP微处理系统(7)),用于数据处理和计算。

一方面,为了避免差分干扰对流量信号的影响华体会 ,设计了图4所示的采样时序图,并且仅将高频激励矩形波的后半部分激励为半周期收集电流,可以很好地避免微分干扰的影响。

在流量信号提取的解调算法中,高频采样用于75Hz方波信号。半周期时间约为6. 66ms。由于存在微分干扰,电极输出信号稳定。该段非常窄。经过实际测试,电极输出信号的稳定段时间约为1. 2ms英亚国际 ,采样频率设置为27KHz,即每半个周期收集32个数据点作为有用数据,记为DL(1: 3 2)。

为了减少环境中其他噪声的影响,首先对32个数据点执行16点移动平均滤波算法澳洲幸运20 ,并获得滑动滤波算法后的新16个数据点,记录为公式(1)显示。

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以相同的方式,可以获得后半段处理结果。根据幅度解调原理,计算出第十三半周期处理结果和第十四半周期处理结果。计算出的赋值如公式(2)所示。

采用滑动滤波算法后,对幅度解调结果进行气泡排序,捏住头部和尾部,取中间的8个数据进行计算,将排序结果记录为maopao(L,1:1 6))公式(3)中显示了作为当前高频激励信号第一周期幅度的平均值处理。

对于双频矩形波激励方法,一个完整的低频6. 25Hz周期包含12个高频75Hz周期。经过幅度解调算法,可以看出一个完整的双频激励周期可以得到6组幅度。价值解调结果,分别为fuzhi(L)1,fuzhi(L)2,...,fuzhi(L)6。

同样,收集和处理12个完整的双频矩形波激励周期的数据,以获得72个幅度解调数据。对这72个数据执行36点滑动滤波处理,然后执行气泡排序处理。对中间的18个数据进行平均处理,并作为幅度的解调结果输出,并将解调结果作为流量反算的基础。

信号调节模块包括一个前置差分电路(8),一个二阶低通滤波器(9),一个二阶高通滤波器(1 0))),一个后置放大电路(1 1),峰值削波电路(1 2),电平提升电路(1 3))),这些组件按从左到右的顺序连接,以减少差分干扰,共模干扰,串联模式干扰,和外部环境干扰。干扰信号对交通信号的干扰。

带通滤波器包括二阶低通滤波器(9)和二阶高通滤波器(1 0))),用于抑制交通信号中的高频和低频干扰信号其中,二阶低通滤波器的截止频率(9)设置为40 8. 3Hz,可以抑制高频干扰,同时确保通过5倍基频的基频)。 75Hz高频方波;二阶高通滤波器(1 0)的截止频率设置为0. 5Hz,可抑制低频干扰。

为了减少差分干扰并增强流量信号,信号提取过程需要经过峰值削波电路(1 2)和电平提升电路(1 3))。电平放大电路由反相放大电路和采样保持装置构成,具体由同相加法电路构成,该电平放大的幅度可由电位器调节。其中,流量信号经过峰值削波电路(1 2)之后,可以消除大部分由差分干扰产生的尖峰干扰信号,并做好保证后续数据处理和计算的工作;电平提高电路(1 3)将增加流量信号的电平,并可以收集双频矩形波。在激励下生成的流量信号的完整波形已准备好用于随后的数据处理和计算。

本发明采用双频励磁方法,其结合了低频励磁零点稳定性和高频励磁响应速度快,抑制钻井液干扰能力强的优点。在信号提取和处理方面,硬件系统更好地选择了当前性能。数字信号处理设备(DSP)通过优化滤波算法和流量信号提取算法,有利于提高电磁流量计的测量精度和可靠性。

上面显示和描述了本发明的基本原理,主要特征和优点。本领域的技术人员应该理解,本发明不受前述实施例的限制。前述实施例和描述仅说明了本发明的原理。在不脱离本发明的精神和范围的情况下,本发明可以具有各种改变和改进,这些改变和改进落入所要求保护的发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附权利要求书及其等同物限定。

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