一种用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量方法与流程

1.本发明涉及一种用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量方法， 属于质量流量检测技术领域。


背景技术：

2.近年来，声发射(ae)检测被提出作为一种很有前景的测量气力输送管道中颗粒的质量 流量和浓度的方法。建立了声发射信号能量、颗粒速度和质量流量之间的理论模型。如图 1所示，即给出了现有测量系统的结构和原理。
3.由声发射传感器输出的信号能量和粒子速度v可以推断出粒子的质量流量qm和质量 浓度βm:
4.e
ae
＝k1qmv25.qm＝aβmv
6.e
ae
＝k1aβmv37.式中e
ae
为声发射信号的能量，k1为比例常数，a为管道横截面积。
8.如前所述，质量流量可以由声发射信号由于粒子冲击而产生的能量得出。声发射信号 的能量e
ae
可以表示为
[0009][0010]
式中vi为信号幅值，n为离散时间声发射信号的采样个数。fs为采样频率。图3和图 4是多粒子和单个粒子影响下的典型声发射信号。
[0011]
很明显，如图4所示，连续冲击产生的声发射信号是由与每次冲击相关的单个声发射 信号组成的。从图3可以看出，声发射信号波形迅速达到峰值，随后出现阻尼振荡。如图 2所示，虽然粒子和波导之间的接触时间很短(微秒级)，但输出信号的阻尼振荡可以持续几 毫秒。这主要是由于弹性应力波在波导内的反射和声发射传感器内部压电板的共振振动。 参照图5和图6，声发射信号持续时间较长，可能导致冲击信号重叠，这种情况多发生在 管道中颗粒浓度较高的情况下。
[0012]
如果考虑到实际应用中同时发生的冲击，这个问题就会变得更糟，因为从声发射信号 中产生的粒子冲击很难计算出真正的能量。目前的声发射传感系统没有考虑到这一挑战， 这使得它不适用于颗粒密度较大的冲击能量的计算。当前传感系统中的主动传感区域比较 大(占管道横截面积的1.7％)，会同时发生冲击，造成质量流量测量误差。
[0013]
为了缓解上述挑战，可以减少声发射传感元件的活动区域，以最大限度地减少同时发 生的冲击。然而，减小传感活动区域的大小可能会引起另一个问题。由于管道中粉末的相 流变稀，小传感区域的声发射信号可能不再具有质量流量的代表性或与质量流量成比例， 解决这一问题的方法是创建一个具有足够小的主动传感区域的声发射传感器阵列。众所周 知，单通道声发射传感器的信号处理要求较高的采样率(超过2ms/s)和较高的计算
开销。因 此，声发射传感器阵列的多通道信号处理需要高度精密、复杂、昂贵的嵌入式系统，在电 厂中应用是不现实的。


技术实现要素：

[0014]
本发明的目的在于提出一种用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量 流量方法，通过在数据采集和数字信号处理之前对声发射信号进行模拟信号处理，解决了 现有技术存在的问题。
[0015]
一种用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量方法，基于一种用 模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量的系统，质量流量的系统包括 ae传感器、模拟信号预处理模块、模拟信号处理模块和数据采集及信号处理模块，其特征 在于，ae传感器安装在流有颗粒流的管道外侧，且ae传感器、模拟信号预处理模块、模 拟信号处理模块和数据采集及信号处理模块依次连接，其中，
[0016]
模拟信号预处理模块包括前置放大电路、二级放大电路和带通滤波电路，ae传感器、 前置放大电路、二级放大电路和带通滤波电路依次连接，
[0017]
模拟信号处理模块包括ae信号平方电路和积分器，ae信号平方电路和积分器依次连 接，
[0018]
数据采集及信号处理模块包括模数转换器、数字信号处理模块和上位机，模数转换器、 数字信号处理模块和上位机依次连接，
[0019]
用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量方法包括以下步骤：
[0020]
s100、ae传感器感测颗粒流，向模拟信号预处理模块发送模拟信号；
[0021]
s200、模拟信号预处理模块放大并滤波模拟信号后，将模拟信号发送至模拟信号处理 模块；
[0022]
s300、模拟信号处理模块对模拟信号进行简化运算的嵌入式数据处理，将处理过的模 拟信号输出至数据采集及信号处理模块；
[0023]
s400、数据采集及信号处理模块用于生成质量流量和浓度数据。
[0024]
进一步的，在s100前，还包括：
[0025]
s000、将ae传感器贴至流有颗粒流的管道外侧。
[0026]
进一步的，在s000中，具体的，ae传感器设有多个，每个ae传感器皆小面积贴合 在流有颗粒流的管道外侧。
[0027]
进一步的，在s200中，具体包括以下步骤：
[0028]
s210、通过前置放大电路和二级放大电路放大模拟信号，并将模拟信号传送至带通滤 波电路；
[0029]
s220、带通滤波电路滤除二级放大电路处理过的模拟信号中的噪音。
[0030]
进一步的，在s300中，具体包括以下步骤：
[0031]
s310、通过ae信号平方电路将输入的模拟信号平方，并以电流的形式输出至积分器；
[0032]
s320、积分器集成输入电流，将产生的电压存储在积分电容上，并将输入电流逆变形 成输出信号并加以反相。
[0033]
进一步的，在s400中，具体包括以下步骤：
[0034]
s410、通过模数转换器将积分器输出的模拟信号转换为数字信号；
[0035]
s420、通过数字信号处理器将数字信号处理为可以供上位机显示的形式；
[0036]
s430、上位机根据处理过的数字信号生成质量流量和浓度数据，并加以显示。
[0037]
本发明的有以下有益效果：本发明针对电梯质量指标进行基于梯度下降法的回归分析， 在已给的iscs(综合监控系统)开关量指标基础上，结合全生命周期指标进行拓展，其次 建立回归模型，其目的是为了保证指标之间的联系是合理且具有相关性的，通过最后得到 的r方和调整的r方保证模型的拟合效果。本发明填补了电梯质量评价方法的空白，可以 使相关工作人员方便快捷准确地进行评价。
附图说明
[0038]
图1为现有质量流量测量系统的结构原理图；
[0039]
图2为源函数的动力时程图；
[0040]
图3为单个粒子撞击产生的典型声发射信号图；
[0041]
图4为多粒子撞击产生的典型的声发射信号图；
[0042]
图5为来自两次紧密连续撞击的两个声发射信号的重叠示意图；
[0043]
图6为两个紧密连续的声发射信号叠加的信号图；
[0044]
图7为本发明申请的一种用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流 量的系统的结构框图；
[0045]
图8为图4中的声发射信号的能量图；
[0046]
图9为ae信号平方电路图；
[0047]
图10为正弦波的平方图(200khz)，其中，输入为红色，输出为蓝色；
[0048]
图11为在matlab中模拟正弦波的平方示意图；
[0049]
图12为在multisim中模拟20hz方波的方波，其中，输入为红色，输出为蓝色；
[0050]
图13为积分器电路；
[0051]
图14为复位和集成定时示意图；
[0052]
图15为脉冲波的积分，其中，输入为红色，复位为蓝色，输出为绿色；
[0053]
图16为本发明的一种用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量 方法的方法流程框图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
[0055]
一种用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量方法，基于一种用 模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量的系统，质量流量的系统包括 ae传感器、模拟信号预处理模块、模拟信号处理模块和数据采集及信号处理模块，其特征 在于，ae传感器安装在流有颗粒流的管道外侧，且ae传感器、模拟信号预处理模块、
模 拟信号处理模块和数据采集及信号处理模块依次连接，其中，
[0056]
模拟信号预处理模块包括前置放大电路、二级放大电路和带通滤波电路，ae传感器、 前置放大电路、二级放大电路和带通滤波电路依次连接，
[0057]
模拟信号处理模块包括ae信号平方电路和积分器，ae信号平方电路和积分器依次连 接，
[0058]
数据采集及信号处理模块包括模数转换器、数字信号处理模块和上位机，模数转换器、 数字信号处理模块和上位机依次连接，
[0059]
参照图16所示，用模拟电子信号处理的冲击能量测量气动输送粉末的质量流量方法包 括以下步骤：
[0060]
s100、ae传感器感测颗粒流，向模拟信号预处理模块发送模拟信号；
[0061]
s200、模拟信号预处理模块放大并滤波模拟信号后，将模拟信号发送至模拟信号处理 模块；
[0062]
s300、模拟信号处理模块对模拟信号进行简化运算的嵌入式数据处理，将处理过的模 拟信号输出至数据采集及信号处理模块；
[0063]
s400、数据采集及信号处理模块用于生成质量流量和浓度数据。
[0064]
具体的，图7是本发明提出的测量系统的结构框图，参照图7-图8所示，采用模拟信 号预处理模块对ae传感器发出的声发射信号进行放大滤波，然后进行模拟信号处理。然 后使用模数转换器和数字信号处理器对模拟声发射能量信号进行数字化和处理。
[0065]
进一步的，在s100前，还包括：
[0066]
s000、将ae传感器贴至流有颗粒流的管道外侧。
[0067]
进一步的，在s000中，具体的，ae传感器设有多个，每个ae传感器皆小面积贴合 在流有颗粒流的管道外侧。
[0068]
进一步的，在s200中，具体包括以下步骤：
[0069]
s210、通过前置放大电路和二级放大电路放大模拟信号，并将模拟信号传送至带通滤 波电路；
[0070]
s220、带通滤波电路滤除二级放大电路处理过的模拟信号中的噪音。
[0071]
进一步的，在s300中，具体包括以下步骤：
[0072]
s310、通过ae信号平方电路将输入的模拟信号平方，并以电流的形式输出至积分器；
[0073]
s320、积分器集成输入电流，将产生的电压存储在积分电容上，并将输入电流逆变形 成输出信号并加以反相。
[0074]
具体的，为了解决本发明要解决的技术问题，本发明提出了数据采集和数字信号处理 之前对声发射信号进行模拟信号处理的方法。模拟信号处理模块由一个ae信号平方电路 和一个积分器组成。得到的模拟信号就是声发射信号在积分周期内的能量。该能量信号可 以通过较低的采样频率被嵌入式系统进行数字化的处理，从而消除了对高采样率adc的需 求，同时也简化了嵌入式系统的复杂性。
[0075]
这个运算的最终结果就是通过这个积分电容的电压在设计的积分时间点通过实时采样 得到的。通过ae信号平方电路和积分器这两个电路可以把通过微处理器大量的运算简化 为模拟的方式实现，从而通过低的采样率直接获取结果，降低了微处理器的开销，
同时通 过增加多个通道的同时采样就可以补足因传感器的面积减小带来的取样不足引起的测量的 误差。
[0076]
进一步的，在s400中，具体包括以下步骤：
[0077]
s410、通过模数转换器将积分器输出的模拟信号转换为数字信号；
[0078]
s420、通过数字信号处理器将数字信号处理为可以供上位机显示的形式；
[0079]
s430、上位机根据处理过的数字信号生成质量流量和浓度数据，并加以显示。
[0080]
具体的，在现有技术中，上位机需要根据背景技术中的公式进行大量计算得到结果。 而本发明的上位机本身并不做运算，通过本发明的方法，将运算量大的部分通过模拟电路 的方法得到，然后再将通过本方法得到的数据综合运用到以下公式中实现简化运算量的目 的，
[0081][0082]
以下为本发明的一具体仿真验证：
[0083]
本发明在数据采集及信号处理模块前设计并增加了模拟信号处理电路，对声发射信号 进行处理并计算信号能量。这种方法可以在不需要复杂系统的情况下处理一系列声发射传 感器，并导出质量流量和浓度。模拟信号处理模块主要由两部分组成:ae信号平方电路和 积分器。考虑到声发射信号的特性，使用multisim模拟器对每个电路进行仿真，以验证其 功能。该模拟器还可以用来研究电路的频率带宽和增益，以优化电路参数。参照图9，为 了将输入信号平方，将两个输入信号并联起来使用一个10mhz的乘法器，输入可以有任意 一个极性，但输出总是正的。在本仿真中，使用频率为200khz的正弦波和20hz的双极方 波源来模拟声发射信号。在输出端放置示波器，观察输入和输出信号的波形。图10和图 11分别为电路仿真器和matlab的输入输出信号，图11显示了20hz方波的平方，图12 则为在multisim中模拟20hz方波的方波。
[0084]
ae信号平方电路之后是一个基于ivc102的开关积分器。它是一个由内部带有集成电 容和低泄露场效应开关的场效应集成放大器。它集成输入电流，并将产生的电压存储在积 分电容上。因此，在本实施例中，ae信号平方电路的输出是以电流的形式，这可以通过在 ae信号平方电路的输出和pin10之间添加一个电阻来实现。图13和14显示了复位和集 成测量的电路和时序图。输入电流直接连接到ivc102的逆变输入。输入电流显示流入反 相输入，这产生了一个负的斜坡在输出。因此，在输出端增加一个反相放大器，对输出信 号进行反相。图15为脉冲波的积分。
[0085]
本专利所描述的具体实施事例仅仅是其中一种参数设计情况而已，并非对本发明作任 何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下， 都可参考上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案，做出许多可能的变动和修饰，或 修改为等同变化的等效实施例。因此凡是为脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技 术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属本发明技术方案保护 的范围内。
[0086]
以上实施示例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术 人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上还可以做出若干改进和润饰，这 些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。