摘要：針對漿液型電磁流量計的矩形波勵磁技術，提出一種更加符合矩形波特點的Walsh變換法。對基于Walsh變換的諧波分
析方法進行實驗驗證其可行性和實際效果。實驗表明在不提升勵磁頻率的前提下，該諧波分析方法可以一定程度克服漿液噪
聲引起的流量信號波動。從而為漿液型電磁流量計的諧波分析方法提供了一種新的思路和理論依據。
電磁流量計是20世紀50~60年代隨著電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表畢。漿液型電磁流量計是電磁
流量計性能的進一步發(fā)展,可以用來測量含有砂漿、泥漿、紙漿等大小不均的固體顆粒的漿液型流體。目前漿液型電磁流量計
在工業(yè)中的應用越來越多，但是由于漿液型流體流量測量中.存在的漿液噪聲問題，使得漿液型電磁流量計存在測量精度不高
、測量不穩(wěn)定等問題。國內外學者主要通過改進勵磁技術,提高勵磁頻率或研究漿液型流體流量信號的特點，運用各種信號處
理技術的方法抑制漿液噪聲。本文主要針對在不提高勵磁頻率的情況下，對流量信號進行的頻域特征進行分析并計算流量,由
此提出一種新的諧波分析方法進行探討。
Walsh函數是由J.L.Walsh提出，是一種完備的正交函數系凹,該函數的取值僅為+1.-1,Walsh變換比較容易在工業(yè)上進行實現(xiàn)。Walsh函數和傅里葉函數具有很高的相似性旦,不同之處在于Walsh函數是由方波組成,傅里葉函數是由三角函數組成,將傅里葉變換中的三角函數替換成Walsh函數就可以進行Walsh變換。
在漿液型電磁流量計的勵磁方式中，通常都是采用矩形波勵磁，產生的流量信號也都呈現(xiàn)矩形波的形式。這正與Walsh函
數的方波形式的特點相對應。另外,Walsh變換在計算方面僅需要進行實數的加減運算，相比于需要進行復數乘法運算的傅里葉變換更加的簡單、運算速度更加的高效凹,同時也更加方便工業(yè)實現(xiàn)。本文通過對基于Walsh變換的諧波分析方法進行實驗探討，為漿液型電磁流量計諧波分析的信號處理方法提供一種新的方向和思路。
1漿液噪聲介紹
漿液噪聲是指,在測量漿液型固液兩相流時,漿液內部有很.大兩的團狀物或者砂漿等大小不均的固體顆粒。漿液流動時,
這些顆粒會撞擊到電磁流量計的測量電極上，使得測量點擊產生一個干擾信號,大量的干擾信號就會擾亂正常的測量信號,原
本.應該平滑的感應電動勢疊加漿液噪聲，就是使得流量的測量出現(xiàn)偏差。圖1為勵磁頻率為12.5Hz方波勵磁的砂漿流量信號
的幾乎不含砂漿的清水流量信號。
從圖1中可以看出砂漿信號有著明顯的信號跳變，而傳統(tǒng)的方波勵磁信號計算方法是使用正負勵磁相減的方式再進行處理
得到流速信息。然而，在面對有著劇烈波動的漿液流量信號時,這種方法無法消除信號的劇烈波動,從而導致測量的波動非常大導致測量不準確。所以本文從諧波分析人手，采用Walsh變換從諧波分析角度對漿液流量信號進行探討。
2Walsh變換簡介
Walsh(沃爾什)函數是[O,1]定義在上完備、歸一化的正交系,記為wal(n,k),具體波形如圖2所示。其中k為自變量,n為序率,表示Walsh函數在[0,1]間變號的次數,Walsh函數的矩形波幅值的取值為+1或-1。
Walsh函數即為-.組矩形波族,任何以1為周期,且在[0,1)內可積的函數,都可以分解為一組Walsh函數的加權和,即為Walsh
級數:
3諧波分析方法
3.1諧波分析方法的原理.
目前漿液型電磁流量計一般大都采用矩形波勵磁方式,如方波勵磁。方波勵磁所以得到的流量信號也都是基于方波形式。
對于給定幅值的E、均值為a的方波信號，其傅里葉展開公式為
由于Walsh函數與傅里葉函數具有很好的相似性,所以Walsh變換的基波以及諧波幅值也和方波幅值存在著一-定的比例關系。
因此,諧波幅值和測量流體的流速之間存在著一定的比例關系，選擇頻譜中能夠表征流量信號且受到干擾較小的諧波幅值
，通過測量諧波幅值的大小來計算流速。實驗中會通過對實際流量信號的采集并處理,對諧波幅值和流速進行線性擬合來確定
Walsh變換諧波幅值和流速之間存在的線性關系。
3.2實驗平臺介紹
本文采用如圖3所示實驗裝置來驗證Walsh諧波分析方法的可行性。實驗裝置上用于設定流量和流速的可作為對照表使用的儀表為日本橫河生產的最新款AXF040G漿液型電磁流量計。實驗采用口徑為DN40的電磁流量計傳感器,被測流體分別為清水以及｜
石英砂、水質量比為1/128.2/128..4/128的砂漿,其中石英砂粒度為20~120目。
本實驗設定流體流速分別為1m/s、1.5m/s、2m/s.2.5m/s和3m/s。勵磁頻率為12.5Hz方波勵磁,設定示波器的采樣頻率為
2500Hz,采樣時間為40s,采樣的數據長度為100000點。3.3Walsh變換諧波分析方法的可行性驗證把實驗采集到的每組數據進行
分段--共分為40段數據,對長度為N的每段數據進行Walsh變換得到長度為N的Walsh數組。對Walsh數據進行計算得到Walsh頻譜
計算，設Walsh序的系數是F(0),F(1),..F(N-1),則Walsh頻譜計算方式為:
根據Walsh變換頻譜分析尋找突出并且能代表流量變化的幅值。最終本實驗選擇采用12.5Hz頻率點下的幅值數據進行實驗
提取每組Walsh變換頻譜圖中的12.5Hz頻率點的幅值構成一個長度為40的數組x;(i=0,1...39),對數組進行窗口長度為w=8的
滑動中值濾波。如待處理的數據為Xo~X7,首先對該段數據進行排序，之后取間第3到第5點之間值的平均值作為該點的值。最
后對處理過后的數組求均值得到一組數據的諧波幅值點y,用流速和幅值點y進行線性擬合結果如圖5所示
通過對流量信號進行Walsh變換提取諧波幅值,并對提取到的數據進行線性擬合,如圖5所示可以看出基于Walsh變換諧波幅
值擬合滿足與流速的線性關系。除去測量誤差等干擾因素,Walsh變換的諧波幅值可以很好地符合流速的變換,驗證了運用Walsh
變換諧波分析的可行性。
4實驗驗證基于Walsh變換的諧波分析的計算波動率效果
本實驗采用本文上述的實驗裝置在介質為清水、1/128漿液、2/128漿液.4/128漿液的條件下，在12.5Hz的頻率點Walsh變換的諧波分析方法進行驗證。信號處理算法具體步驟為對流量信號進行一定點數的Walsh變換計算,提取其中受到漿液影響較小能夠表征流速的頻率點幅值，對提取到的幅值進行排序，取排序后的幅值中間部分的一.定點數當作當前一輪Walsh計算得到的諧波幅值;對這一組諧波幅值進行滑動中值濾波;對得到的這組數據進行流速計算;最后對實驗得到的流量信號進行上述處理得到諧波幅值曲線,計算波動率:
從表1可以看出Walsh變換的波動率大多數都處于5%以下，只有當流速增大由于漿液固體顆粒的碰撞更加的頻繁導致波動率
會略微偏大。上述實驗表明基于Walsh變換的諧波方法可以一定程度的一直漿液噪聲造成的影響。
5結束語
本文將基于Walsh變換的諧波方法應用于漿液型電磁流量計的流量測量中。，首先對Walsh變換的諧波方法的可行性進行實
驗驗證驗證,證明了該方法可以表征流量的變化。通過實驗分析驗證,基于Walsh變換的諧波分析方法可以在不提高勵磁頻
率的情況下克服漿液噪聲帶來的干擾，保證流量信號一定程度的波動穩(wěn)定性。此方法也為漿液型電磁流量計在諧波分析方
法方面提供了新的思考方向和技術積累。
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