一种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信号处理方法

摘要

本发明为一种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信号处理方法。为解决传统电磁流量测量系统信号处理方法适用范围有限、响应速度慢的问题，本方法采用卡尔曼滤波器，对流量解调结果进行滤波，根据滤波差分序列动态调整滤波器参数,可以实现恒定流量的水流量高精度测量、固液两相流可靠测量，和变流量的快速跟踪。本发明信号处理过程为：(1)根据不同励磁方式的传感器输出信号特点，选择相应的流量信号解调方法，得到流量解调结果Amp；(2)配置卡尔曼滤波器参数，对含噪解调结果Amp滤波；(3)根据滤波结果，计算滤波差分γ(k)，与阈值进行比较，判断流量是否发生改变，动态调整滤波器参数，实现恒定流量的稳定可靠测量和变流量的快速跟随。

说明书

技术领域

本发明属于流量检测领域，特别是涉及一种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量 测量系统信号处理方法。

背景技术

电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量 的感应式仪表，因其结构简单、测量精度高，且不受温度、压力等因素的影响， 在石油、化工、钢铁、水资源等行业得到了广泛应用。电磁流量计在实际应用过 程中，由于测量环境和流体的影响，往往会叠加大量的干扰噪声，造成流量测量 的困难。不同的测量环境，电磁流量计传感器输出信号中叠加的干扰噪声不同。 水流量测量时，传感器输出信号中往往会叠加极化干扰、微分干扰、同相干扰、 串模干扰、共模干扰等噪声；在进行纸浆、水煤浆等固液两相流量测量时，由于 流体中含有大量的固体颗粒，输出信号中叠加大量的浆液干扰，严重影响流量的 准确测量。

励磁方式和信号处理方法是影响电磁流量测量系统性能的主要因素。根据励 磁方式的不同，电磁流量计主要分为低频矩形波励磁和交流正弦波励磁两大类。 针对电磁流量传感器输出信号的特点，国内外学者研究了相应的信号处理方法， 主要有梳状带通滤波、小波变换、信号统计分析重构、傅里叶变换、相关方法等。

现有文献“采用梳状带通滤波的电磁流量计信号处理系统”(张然，电子测 量与仪器学报，2012，第26卷，第2期)中提出基于梳状带通滤波的信号处理 方法，实现水流量的高精度测量。但是此方法仅适用于水流量测量，且响应时间 依赖于滤波器带宽的选取，当信号含有随机突变干扰时会导致滤波结果的再次收 敛，影响测量精度。文献“小波变换在电磁流量计信号处理中的应用”(张晶晶， 自动化仪表，2012，第33卷，第1期)中提出采用Haar小波对传感器信号进行 滤波，能较好地抑制电磁流量信号中的各种噪声干扰。但是分解层数、小波基的 选取对于去噪效果有较大的影响，且计算量大，不利于实时实现。文献“电磁流 量计浆液信号的统计模型和信号处理方法”(梁利平，计量学报，2012，第33 卷，第3期)中提出基于统计分析与信号重构的方法处理纸浆信号，实现纸浆流 量的准确测量。但是采用该信号处理方法处理高浓度水煤浆流量时，测量结果波 动率大、可靠性低。文献“基于谐波分析的煤浆电磁流量计信号处理方法”(汪 春畅，电子测量与仪器学报，2018，第32卷，第2期)中通过分析提取25Hz 高频方波励磁流量信号的225Hz谐波分量，实现水煤浆流量测量。但是高次谐波 分量信号幅值较小且阻尼时间较长，当流量发生变化时，该方法无法快速跟随流 量变化。文献“Electromagnetic Flow Detection Technology Based onCorrelation Theory”(Liang GE,IEEE Access,2020,第8卷)中提出基于相关原 理的信号处理方法，提升了电磁流量计在泥浆流量测量和小流量测量时的精度。 但相关运算需要长时间的积分运算，降低了运算的实时性。综上所述，现有的电 磁流量计信号处理方法由于滤波参数配置、计算量大等因素，适用范围有限、难 以快速跟踪变化流量。因此，研究一种适用性强、测量精度高、动态响应快的信 号处理方法，对于改善电磁流量系统测量性能有着重要意义。

为此，本发明提出一种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信号处理方 法，该方法易于实现，可用于不同励磁方式的电磁流量计、电磁水表；能够实现 恒定流量的水流量高精度测量、固液两相流可靠测量，和变化流量的快速跟随。

发明内容

本发明的目的在于解决现有电磁流量测量系统信号处理方法适用范围有限、 响应速度慢的问题，提出一种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信号处理 方法，实现恒定流量的水流量高精度测量和固液两相流的可靠测量，和变化流量 的快速跟随。为简化描述，下述“传感器”均指“电磁流量计传感器”。

本发明提出的基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信号处理方法，其主 要特征包括：

首先进行流量信号幅值解调，得到包含流速信息的解调结果Amp；配置卡尔 曼滤波器的变量和参数，对含噪解调结果Amp滤波；根据滤波差分结果|γ(k)|是 否超过阈值判断流量是否改变，动态调整滤波器参数，保证恒定流量的滤波精度 和变化流量的动态响应速度。

本发明的具体实施过程如下：

(1)根据不同励磁方式的传感器输出信号特点，选择相应的流量信号解调方 法，得到包含流速信息的解调结果Amp。

矩形波励磁的电磁流量计，流量信号幅值与流速存在线性关系，采用同相位 三点幅值解调方法计算流量峰峰值Amp。正弦波励磁的电磁流量计，流量信号与 励磁电流进行正交解调、低通滤波，得到包含流速信息的直流分量Amp。其他励 磁方式的电磁流量计，通过相应的解调方法则可获得与流速成线性关系的解调结 果Amp。

(2)配置卡尔曼滤波器的变量和参数，对含噪解调结果Amp滤波。

根据电磁流量测量系统是线性系统的特点，将无干扰的理想流量结果F_amp 定义为状态变量X

状态方程：X

观测方程：Y

其中，Φ为状态转移矩阵；H为观测矩阵；w

测量管道流量不变时，Amp与流速v成线性关系，因此，设置Φ＝1，H＝1。w

卡尔曼滤波器的实现分为信号预测和更新两部分，预测负责为下一个时间状 态构造先验估计，更新负责结合先验估计与新的观测变量，构造改进的后验估计。 具体步骤如下。

步骤一：预测k时刻的状态

式中，

步骤二：预测k时刻的状态估计协方差P

P

式中，P

步骤三：更新k时刻的滤波器增益K

K

式中，K

步骤四：更新k时刻的状态最优估计

步骤五：更新k时刻的状态最优估计协方差P

P

式中，I为单位矩阵。由于系统模型为一维模型，因此，I＝1。

测量管道流量不变时，滤波器输出

(3)计算滤波差分γ(k)，与给定阈值

当滤波结果收敛稳定时，卡尔曼滤波差分序列{γ(k)}为独立同分布高斯 N(0,σ

本发明的有益效果是：提出一种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信 号处理方法，可用于不同励磁方式的电磁流量计、电磁水表；采用滤波差分结果 判断流量是否变化，动态调整滤波参数，实现电磁流量测量系统的恒定流量的水 流量高精度测量和固液两相流的可靠测量，提高测量系统的变流量响应速度。

附图说明

图1是基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信号处理方法原理图。

图2是矩形波励磁电磁流量计的同相位三点幅值解调方法示意图。

图3是水流量信号和幅值解调结果时域波形图。

图4是纸浆流量信号和幅值解调结果时域波形图。

图5是改进卡尔曼滤波实现步骤流程图。

图6是采用改进卡尔曼滤波方法处理恒定流量水流量信号的结果。

图7是采用改进卡尔曼滤波方法处理恒定流量纸浆流量信号的结果。

图8是采用改进卡尔曼滤波方法处理变化水流量信号的结果。

图9是采用改进卡尔曼滤波方法处理纸浆变流量信号的结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明所提出的基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信号处理方法原 理图如图1所示。其具体过程包括：(1)根据不同励磁方式传感器输出信号的特 点，选择相应的解调方法，得到包含流速信息的解调结果Amp；(2)配置卡尔曼 滤波器的变量和参数，对含噪解调结果Amp滤波；(3)根据滤波结果，计算滤波 差分γ(k)，并与给定阈值

本发明的实施例以矩形波励磁电磁流量计传感器输出流量信号为例。

本发明中采用如图2所示的同相位三点幅值解调方法对传感器输出流量信 号sig进行处理，即选用三个相邻半周期的同相位数据进行幅值解调，得到解调 结果Amp。由于矩形波励磁过程中磁场方向不断改变，传感器线圈中电流需要一 定的时间进入稳态，因此选取流量信号每半周期的后半段数据参与计算，避开微 分干扰的影响。同相位三点幅值解调公式如下：

Amp(n)＝flag×[sig(n)+sig(n-2N)-2×sig(n-N)]/2

式中，n表示当前采样点；N表示传感器输出信号每半周对应的采样点数； flag＝1表示当前采样点位于励磁正半周期，flag＝-1表示当前采样点位于励磁负 半周期。

采用6.25Hz矩形波励磁电磁流量计，实际测量的一组22m

根据电磁流量测量系统是线性系统的特性，将无干扰的理想流量结果F_amp 定义为状态变量X

状态方程：X

观测方程：Y

其中，Φ为状态转移矩阵；H为观测矩阵；w

测量管道流量不变时，Amp与流速v成线性关系，因此设置Φ＝1，H＝1。w

卡尔曼滤波器的实现分为信号预测和更新两部分，预测负责为下一个时间状 态构造先验估计，更新负责将先验估计与新的观测变量结合起来，构造改进的后 验估计。当滤波结果收敛稳定时，卡尔曼滤波器对于变化信号不敏感，无法快速 跟随流量变化。因此，本发明提出一种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统 信号处理方法，可用于不同励磁方式的电磁流量计、电磁水表，实现恒定流量的 水流量高精度测量、固液两相流可靠测量，和变流量的快速跟随。改进卡尔曼滤 波的具体实现步骤如图5所示。

在卡尔曼滤波器正常工作前，需对参数进行初始化。初始状态变量

步骤一：预测k时刻的状态

式中，

步骤二：预测k时刻的状态估计协方差P

P

式中，P

步骤三：更新k时刻的滤波器增益K

K

式中，K

步骤四：更新k时刻的状态最优估计

步骤五：更新k时刻的状态最优估计协方差P

P

式中，I为单位矩阵。由于系统模型为一维模型，因此I＝1。

在卡尔曼滤波器中，k时刻的最优估计值

由卡尔曼滤波器迭代方程可知，当参数Q和R确定后，方差P

步骤六：判断滤波差分γ(k)是否超过阈值，动态调整滤波器参数。

测量管道流量不变时，滤波器输出

由传统卡尔曼滤波的状态修正公式

在本发明中，所采用的滤波差分公式为：

当被测恒流量信号的滤波结果稳定时，卡尔曼滤波差分序列{γ(k)}为独立 同分布高斯N(0,σ

因此，本发明通过对滤波差分序列{γ(k)}的统计特性分析来检验卡尔曼滤 波器能否有效跟踪流量变化。设置检验阈值为

本发明中状态噪声协方差Q参数的切换规则如下：

当滤波差分γ(k)超过

当参数Q切换后，卡尔曼滤波运算需要时间收敛，收敛过程中滤波差分信号 波动过大会引起状态误判切换Q值，如果切换频繁，将导致滤波结果波动率增大、 滤波精度下降。本发明采用锁定延迟法，保证参数Q正确切换。一旦判断流量发 生变化、切换噪声协方差Q后，立即锁定参数Q的状态，延迟一段时间后，才允 许再次切换参数Q。延迟时间可根据实际情况进行调整。本实施例中，设定延迟 时间τ为1个周期。

本发明的实施例中，配置改进卡尔曼滤波器参数为：Q1＝0.169， Q2＝1.69*10^(-5)，R＝0.37，水流量信号的

采用改进卡尔曼滤波方法处理恒定流量水流量信号、纸浆流量信号的结果, 分别如图6、图7所示。图6(a)、图7(a)表示幅值解调结果Amp，图6(b)、图 7(b)表示改进卡尔曼滤波后的解调结果F_amp。可以看出，恒定流量水流量信号 和纸浆流量信号，经过改进卡尔曼滤波方法处理后，都可以实现稳定可靠的测量。

为了进一步评价本发明提出的改进卡尔曼滤波方法，计算滤波结果波动率进 行对比。波动率vary的公式为：

式中，max为计算结果的最大值，min为计算结果的最小值。

图6(a)所示水流量信号解调结果的波动率为1.463％，图6(b)所示改进卡尔 曼滤波后解调结果的波动率为0.265％；图7(a)所示纸浆流量信号解调结果的波 动率为40.083％，图7(b)所示改进卡尔曼滤波后解调结果的波动率为1.931％。 可见，对于恒定流量测量信号，改进卡尔曼滤波后的计算结果更稳定，能反映流 量信号真实值。

本发明的实施例中，分别在水流量标定装置和固液两相流实验装置上进行变 化流量信号的实时采集。管道流量初始流量为零，约一段时间后打开测量管阀门， 使流量上升至恒定值，平稳运行一段时间后，关闭测量管阀门，管道流量降为零。 水流量恒定值为4.5m

采用改进卡尔曼滤波方法处理变化水流量信号、纸浆流量信号的结果分别如 图8、图9所示。图中，实线表示幅值解调结果Amp，虚线表示改进卡尔曼滤波 后的结果F_amp。可以看出，改进卡尔曼滤波结果在流量改变时能够快速跟随流 量信号。动态响应时间为，原滤波结果F_amp进入稳态的时刻减去信号解调结果Amp进入稳态的时刻。图8中，改进卡尔曼滤波结果的上升段响应时间为1.08s， 下降段响应时间为1.5s；图9中，改进卡尔曼滤波结果的上升段响应时间为0.6s， 下降段响应时间为0.76s。因此，所提出的这种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量 测量系统信号处理方法，在水流量和纸浆流量测量中，都能够快速跟随变化流量。

基于TMS320F28335DSP(数字信号处理器)电磁流量变送器，实时实现本发明 提出的方法，将其与国内某大型企业所研制的40mm口径的夹持式电磁流量传感 器相匹配，在0.2级标定装置上进行容积法水流量标定实验。表1为采用所研制 系统2.3m

表1水流量标定实验结果

调节阀门开度得到不同的流量点，进行变流量测量实验。实验过程如下：首 先测量管阀门关闭，管道流量初始流量为零，一段时间后打开阀门使流量上升至 某一特定流量，平稳运行一定时间后，关闭阀门管道使得被测流量降为零。共开 展五组变流量实验，每组恒定流量分别设置为2.3m

表2水流量动态响应跟随速度实验结果

水流量标定实验结果表明，所研制基于改进卡尔曼滤波方法的电磁流量计满 足0.5级的测量精度，能够实现水流量的高精度测量。水流量动态响应跟随速度 实验结果表明，动态响应时间小于2s，能够实现变流量的快速跟随。

本发明提出的一种基于改进卡尔曼滤波的电磁流量测量系统信号处理方法， 可用于不同励磁方式的电磁流量计、电磁水表，并且能够实现恒定流量的水流量 高精度测量、固液两相流可靠测量，和变化流量的快速跟随。