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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于高頻勵(lì)磁和統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理的漿液型電磁流量計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)電磁流量計(jì)無(wú)法測(cè)量漿液流量的難題，本項(xiàng)目提出基于線性電源的高頻方波勵(lì)磁方案，建立漿液信號(hào)的近似高斯分布模型，提出基于統(tǒng)計(jì)分析與信號(hào)重構(gòu)的漿液信號(hào)處理方法，并研制基于DSP的漿液型電磁流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)漿液流量的快速、穩(wěn)定測(cè)量，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于技術(shù)水平先進(jìn)的日本東芝公司的儀表。該作品擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，已由國(guó)內(nèi)最大的儀表企業(yè)--重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司產(chǎn)業(yè)化。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著節(jié)能減排和過(guò)程控制的要求，以及電磁流量計(jì)自身結(jié)構(gòu)上具有耐磨損，測(cè)量管內(nèi)無(wú)節(jié)流件等優(yōu)良特性，它將成為漿液流量測(cè)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(cè)量。 國(guó)外一些著名公司的儀表可以用于漿液測(cè)量，產(chǎn)品壟斷了全球市場(chǎng)，價(jià)格昂貴。而國(guó)內(nèi)領(lǐng)域則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，行業(yè)應(yīng)用依賴于進(jìn)口儀表。國(guó)產(chǎn)電磁流量計(jì)由于勵(lì)磁頻率低、僅采用簡(jiǎn)單的濾波處理，無(wú)法克服漿液噪聲的影響，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)一般大于20%；為了降低波動(dòng)而進(jìn)行的大阻尼調(diào)節(jié)，又導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足工業(yè)應(yīng)用中測(cè)量結(jié)果穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率小于5%和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于10s的要求。 為此，本作品同時(shí)從提高勵(lì)磁頻率和研究信號(hào)處理方法兩方面尋找解決方案。設(shè)計(jì)新穎的高頻勵(lì)磁方案，采用線性電源搭建恒流源，并以高壓供電，實(shí)現(xiàn)高頻方波勵(lì)磁，保證信號(hào)零點(diǎn)的穩(wěn)定；基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用概率分析方法，建立漿液流量信號(hào)的統(tǒng)計(jì)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(jì)分析與信號(hào)重構(gòu)的漿液流量信號(hào)處理方法，去除漿液干擾，獲得準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果；最終采用DSP芯片TMS320F2812研制漿液型電磁流量計(jì)，實(shí)時(shí)進(jìn)行勵(lì)磁控制和信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)漿液流量的快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，解決國(guó)內(nèi)電磁流量計(jì)無(wú)法測(cè)量漿液流量的難題。 作品通過(guò)水流量標(biāo)定，并與技術(shù)水平先進(jìn)的日本東芝公司的儀表進(jìn)行了漿液流量測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本作品水流量測(cè)量精度優(yōu)于0.3%，漿液測(cè)量的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率小于2.5%，動(dòng)態(tài)跟隨響應(yīng)時(shí)間小于4s，達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的要求，且性能指標(biāo)優(yōu)于日本東芝公司產(chǎn)品的指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率小于3%，響應(yīng)時(shí)間小于6s）。 該作品已由國(guó)內(nèi)最大的儀表企業(yè)—重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司實(shí)施產(chǎn)業(yè)化，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)電磁流量計(jì)漿液測(cè)量技術(shù)的空白，有助于打破國(guó)外技術(shù)的壟斷，降低國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)進(jìn)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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的： 解決國(guó)內(nèi)電磁流量計(jì)無(wú)法測(cè)量漿液流量的難題，打破國(guó)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(cè)量的需求，為工業(yè)過(guò)程控制和節(jié)能減排提供有效的測(cè)量手段。 基本思路： 國(guó)內(nèi)的電磁流量計(jì)在測(cè)量漿液流量時(shí)普遍存在以下兩個(gè)問(wèn)題：(1)勵(lì)磁頻率低，受到漿液噪聲的影響很大。雖然試圖提高勵(lì)磁頻率，但是勵(lì)磁電流無(wú)法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。(2)僅采用簡(jiǎn)單的濾波處理，無(wú)法克服漿液噪聲造成的大波動(dòng)。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(lì)磁頻率可使有用信號(hào)避開(kāi)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(lì)磁頻率和研究信號(hào)處理方法兩方面來(lái)尋找解決方案。 創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵： (1)設(shè)計(jì)基于線性電源的高頻勵(lì)磁控制方案，勵(lì)磁頻率可以達(dá)到25Hz，勵(lì)磁電流很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而目前國(guó)內(nèi)最高的勵(lì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)方法建立漿液流量信號(hào)的模型，揭示了漿液信號(hào)幅值服從近似高斯分布的特點(diǎn)。 (3)針對(duì)漿液信號(hào)的特點(diǎn)，提出基于統(tǒng)計(jì)分析和信號(hào)重構(gòu)的漿液信號(hào)處理方法，顯著降低了漿液流量測(cè)量時(shí)輸出結(jié)果的波動(dòng)，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(jì)，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻勵(lì)磁控制和漿液信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)了漿液流量測(cè)量，性能指標(biāo)優(yōu)于技術(shù)水平先進(jìn)的日本東芝儀表。 主要技術(shù)指標(biāo)： 水流量測(cè)量精度達(dá)到0.3級(jí)； 漿液測(cè)量的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率小于2.5%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于4s。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性： (1)勵(lì)磁控制方面，根據(jù)漿液噪聲的1/f特性，采用高頻方波勵(lì)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(lì)磁控制方案，利用線性電源的快速跟隨性能使勵(lì)磁電流快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，保證了信號(hào)的零點(diǎn)穩(wěn)定。 (2)信號(hào)處理方面，基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)首次建立了漿液信號(hào)的近似高斯分布模型，揭示了漿液噪聲的統(tǒng)計(jì)特征，并據(jù)此提出了基于統(tǒng)計(jì)分析與信號(hào)重構(gòu)的漿液信號(hào)處理方法，先通過(guò)幅值解調(diào)與統(tǒng)計(jì)排序去除漿液干擾，然后通過(guò)信號(hào)重構(gòu)和梳狀帶通濾波去除其它噪聲干擾。 (3)針對(duì)漿液信號(hào)處理算法的運(yùn)算要求，采用DSP芯片作為信號(hào)處理和系統(tǒng)控制核心，實(shí)現(xiàn)了漿液流量的實(shí)時(shí)測(cè)量。 先進(jìn)性： 選取技術(shù)先進(jìn)的日本東芝公司的同類儀表進(jìn)行漿液流量測(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，主要考察漿液測(cè)量應(yīng)用中的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。作品對(duì)最大質(zhì)量比為5.5%的紙漿測(cè)量時(shí)的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率小于2.5%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在4s以內(nèi)。而日本東芝儀表的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率小于3%，響應(yīng)時(shí)間小于6s。因此，本作品穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率更小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技查新咨詢中心于2011年6月8日完成對(duì)查新項(xiàng)目組所提供的3個(gè)查新點(diǎn)的查新，結(jié)論是：未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外有相同技術(shù)和系統(tǒng)的文獻(xiàn)報(bào)道。 該作品于2010年獲校第12屆“斛兵杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。 該作品在2011年第四屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛股份安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng)。
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(shí)物、產(chǎn)品；現(xiàn)場(chǎng)演示；圖片；錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 該作品安裝在管道上測(cè)量單相液體流量和漿液流量，可以通過(guò)液晶顯示瞬時(shí)和累積流量等，可以通過(guò)串口與上位機(jī)通信。可以通過(guò)按鍵設(shè)定儀表參數(shù)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 高頻方波勵(lì)磁技術(shù)；基于統(tǒng)計(jì)分析和信號(hào)重構(gòu)的漿液信號(hào)處理方法；基于DSP的信號(hào)處理平臺(tái)；解決了國(guó)內(nèi)儀表不能測(cè)量漿液流量的問(wèn)題，關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于日本東芝儀表；作品由國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化后，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 應(yīng)用和推廣： 已由重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司產(chǎn)業(yè)化，截至2010年底，銷售了408臺(tái)，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(guò)程控制的要求，這種漿液型電磁流量計(jì)將廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造紙等要測(cè)量漿液流量的行業(yè)中。將打破國(guó)外產(chǎn)品對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的壟斷，迫使進(jìn)口儀表價(jià)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(jì)由于其自身具有耐磨損、內(nèi)部無(wú)節(jié)流件等優(yōu)良特性，將成為測(cè)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(guó)內(nèi)電磁流量計(jì)由于采用低頻勵(lì)磁和簡(jiǎn)單的濾波處理方法，無(wú)法測(cè)量漿液流量，具體表現(xiàn)為測(cè)量結(jié)果波動(dòng)非常大，不滿足工業(yè)應(yīng)用中漿液流量穩(wěn)定快速測(cè)量的要求。 在電磁流量計(jì)勵(lì)磁方式的研究上，國(guó)內(nèi)主要集中在低頻勵(lì)磁方面，以及勵(lì)磁方式改進(jìn)和對(duì)現(xiàn)有勵(lì)磁電路性能的改進(jìn)上，沒(méi)有專門針對(duì)抑制漿液噪聲而具體設(shè)計(jì)高頻方波勵(lì)磁控制方案。國(guó)外主要采用高頻勵(lì)磁或雙頻勵(lì)磁來(lái)降低漿液噪聲的影響。如日本東芝公司的雙激勵(lì)電磁流量計(jì)，擁有兩個(gè)勵(lì)磁單元。第一勵(lì)磁單元產(chǎn)生一個(gè)頻率在4Hz至8Hz內(nèi)的低頻方波勵(lì)磁磁場(chǎng)，第二勵(lì)磁單元產(chǎn)生一個(gè)頻率在25Hz至35Hz內(nèi)的高頻方波勵(lì)磁磁場(chǎng)。日本橫河電機(jī)的雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)，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(lì)磁信號(hào)。但是，沒(méi)有披露實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。 在信號(hào)模型建立上，國(guó)內(nèi)目前對(duì)電磁流量計(jì)開(kāi)展的建模研究主要為傳感器中磁場(chǎng)和磁路設(shè)計(jì)的模型、干標(biāo)定模型和氣液兩相流量的三維立體仿真模型等，而針對(duì)電磁流量計(jì)傳感器信號(hào)開(kāi)展的建模研究非常少。國(guó)外則對(duì)交流勵(lì)磁的信號(hào)模型，明渠式電磁流量計(jì)等進(jìn)行了建模研究。但是，都沒(méi)有針對(duì)漿液流量的傳感器輸出信號(hào)的幅值解調(diào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立其概率統(tǒng)計(jì)模型的相關(guān)研究。 在對(duì)漿液流量信號(hào)的處理上，國(guó)內(nèi)專利CN101451867（漿液型電磁流量計(jì).2009-6-10）雖設(shè)計(jì)了漿液型電磁流量計(jì)，并提出采用“智能模糊算法”處理漿液噪聲，但沒(méi)有給出任何具體設(shè)計(jì)，也無(wú)類似的產(chǎn)品問(wèn)世。國(guó)外對(duì)于漿液流量的信號(hào)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(lì)電磁流量計(jì)，流量平穩(wěn)時(shí)，根據(jù)第一勵(lì)磁單元，生成第一流速信號(hào)。流量受漿液等噪聲干擾時(shí)，根據(jù)第二勵(lì)磁單元，生成第二流速信號(hào)，并據(jù)此測(cè)量漿液流量。日本橫河的雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)，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(lì)磁信號(hào)。低頻勵(lì)磁用于穩(wěn)定信號(hào)零點(diǎn)，高頻勵(lì)磁用于降低信號(hào)中的漿液干擾。日本山武公司提供了一種電磁流量計(jì)，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(xì)節(jié)如信號(hào)模型和處理方法等都沒(méi)有披露，產(chǎn)品占據(jù)了很大的市場(chǎng)份額，且價(jià)格昂貴，是國(guó)內(nèi)儀表價(jià)格的2-3倍。
