一种新的数字化提取油气润滑ECT系统电容值的方法研究.pdf

doi10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2015. 06. 002 一种新的数字化提取油气润滑 ECT 系统电容值的方法研究 * 孙启国, 陈超洲*, 杜摇 超 北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京摇 100144 摘摇 要运用一种新的数字化采集电容值的方法对油气润滑 ECT 系统实时性和图像的精确度的问题进行研究。 首先 利用 MATLAB 仿真软件优选出了 FIR 数字滤波器的各个参数,且引入了全相位频谱分析技术得出了信号的频谱图; 同时结合 CCS 软件读取采集的电容值并统计出数据采集时间,最后运用采集电容的准确度、数据采集系统所需时间 和图像的成像精度三个评价指标对这种数字化 ECT 系统进行了分析。 结果表明该方法减少了采集板结构和所占的 空间,同时使系统的实时性、采集电容的准确度及图像的成像精度得到了进一步的提高。 关键词油气润滑;全相位频谱分析;FIR 数字滤波;数字化 ECT 中图分类号TB47;TP216摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201506-0003-04 Research on a New for Digital Extracting Capacitance Values of ECT System in Oil-Air Lubrication System SUN Qi-guo, CHEN Chao-zhou, DU摇 Chao Mechanical and Materials Engineering College, North China University of Technology, Beijing摇 100144, China Abstract A new for collecting capacitance values digitally is employed to study the real-time property and image ac鄄 curacy of ECT that is used in the oil-air lubrication system. Firstly, parameters of the FIR digital filter are preferred by the MATLAB software, and spectrums are obtained by introducing all-phase spectrum analysis technique. Secondly, capacitance values are read and date acquisition time is calculated by the CCS software. Finally, three uation indicators, the accuracy of collecting capacitance values, date acquisition time and images precision, are used to analyze properties of the digital ECT system. The results show that the acquisition board structure and space is reduced, and the real-time property of the system, accuracy of collecting capacitance values and images precision are further improved. Key words oil-air lubrication; all-phase spectrum analysis; FIR digital filter; digital ECT system 0摇 引摇 言 电容层析成像 ECT 技术是20 世纪80 年代中 期发展起来的一种过程层析成像技术,具有良好的工 业应用背景[1]。 目前国内外关于 ECT 系统在大管径 的管道的两相流的检测中的运用已经做出了大量的 研究工作,特别在 ECT 系统采集电容的准确性和系 统的实时性上,取得了很多重要的成果[2-4]。 然而对 于油气润滑小管径的管道的两相流的 ECT 检测系统 的研究,目前还没有相关文献被检索到。 笔者基于油 气润滑系统水平管道内油气两相流的成像背景,对于 小管径管道的 ECT 成像系统的实时性和采集电容的 精确度进行进一步研究,由于小管径的管道的直径 小,相邻电极间距小,被检测电容的值和变化域变小, 小管径的管道流体的流动速度比大管径的管道的流 动性更快,要想实现实时并且精确的成像,必须要求 系统有更快的检测速度和响应速度,同时确保系统的 检测电容更加准确。 针对以上问题,将数字信号处理 技术运用到油气润滑 ECT 系统中,提出了一种新的 数字化方法求解电容值,运用全相位频谱分析技术和 数字滤波技术截取出 ECT 采集系统的电容值,结合 CCS 软件读取采集的电容值并统计出数据采集时间, 最后运用采集电容的准确度、数据采集系统所需时间 成像精度三个评价指标对这种数字化 ECT 系统进行 了分析。 1摇 ECT 数据系统的组成与分析 ECT 数据采集系统的组成很多文献都有提 及[5],其功能原理如图 1 所示。 图 1摇 传统模拟数据采集系统的组成 3 机械研究与应用2015 年第 6 期 第 28 卷,总第 140 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 研究与分析 *收稿日期2015-10-10 基金项目北京市属高等学校人才强教计划项目编号PHR201107109 作者简介孙启国1963-,男,山东烟台人,教授,研究方向摩擦学与工业润滑技术、机械系统动力学及其控制。 通讯作者陈超洲1988-,男,湖北天门人,硕士,研究方向油气润滑系统水平管道的 ECT 系统设计与研究。 摇 摇 在交流 C/ V 转换电路后的输出电压 VoutVin Cx Cf1 伊Rf2 r1 ,假设输入信号的幅值为 A,那么输出电压的幅 值为 KA,其中 K Cx Cf1 伊Rf2 r1 ,Cf1、Rf2、R1均为已知量。 运用数字信号处理理论,提出了运用全相位频谱 分析技术提取电容值,即将 C/ V 转换电路的模拟电 压值直接进入 A/ D 模数转换,在 DSP 内通过全相位 频谱分析得到信号的频谱图,最后运用 FIR 数字滤波 器将有用信号频率的幅值截取,通过截取的幅值从而 得到电容值。 另外,运用 FPGA 协调 A/ D 采样时钟, 控制高速 A/ D 采样,其功能原理如图 2 所示。 图 2摇 数字化数据采集系统的组成 2摇 全相位频谱分析和数字滤波器的设计 文中 ECT 系统的数据采集系统主要将 A/ D 采 集的信号,通过频谱分析将信号中有用信号和噪声信 号的频带分开,然后运用数字滤波截取出有用信号。 2. 1摇 全相位频谱分析仿真分析 全相位频谱分析的基本原理与快速傅里叶变换 FFT的基本原理相似[6],只是当对输入信号进行 N 阶的全相位分析时,首先需要了解输入的 2N-1 个数 据,然后对该2N-1 个数据进行加窗重叠预处理,处理 之后的数据作为 FFT 频谱分析的输入数据,分析所得 的结果即为全相位频谱分析的结果。 因为考虑了输入 信号的所有遍历情况,故称为全相位频谱分析。 分别运用传统的 FFT 与全相位频谱分析技术, 对激励信号同频的有用信号 y Acosw0t渍 500 kHz 进行频谱分析,归一化后仿真结果如图 5 所示。 图 3摇 2 种不同频谱分析归一化幅频特性曲线 摇 摇 从仿真结果中可以看出,全相位频谱分析方法通 过考虑输入信号分割的所有情况,弥补了传统 FFT 频谱分析方法只考虑输入信号分割的一种情况所带 来的误差,并且具有旁瓣泄漏数目少、幅值下降的特 点,提高了数据采集的精度。 2. 2摇 ECT 数据采集系统 FIR 滤波器的设计 数字 ECT 系统,省去模拟解调、模拟滤波的环 节,直接用 A/ D 转换器将阵列电极传感器输出的交 流电压转换成数字量信号,笔者主要运行 DSP 对采 样信号进行频谱分析和数字滤波处理,准确的获取有 用信号500 kHz 信号所对应的幅值。 数字滤波器 是一个线性时不变的离散时间系统,可利用有限精度 算法实现。 其功能将输入序列通过一定的运算变换 成输出序列,即保留输入序列中有用频率成分而滤除 不需要的频率成分。 本系统中通过设计带通滤波器 对采样结果进行滤波,要求通带尽可能窄,滤波以后 可以得到 500 kHz 信号对应的幅值。 本文运用 MATLAB 仿真确定出适合 ECT 数据采 集系统的加窗函数 FIR 带通滤波器的各个系数指标 阶数 N、窗函数的选择、采样频率 Fs。 笔者利用窗函数法设计的 FIR 数字滤波器的过 渡带由窗函数频谱的主瓣引起,其宽度由主瓣的宽度 决定,而主瓣的宽度与长度 N 成反比。 通带与阻带 中产生的纹波主要由窗频谱的旁瓣造成,尽量减小窗 函数频谱的旁瓣高度,也就是使能量集中在主瓣中, 可以减少通带和阻带中的纹波,可以通过增加主瓣的 宽度对旁瓣的抑制。 另外,可以同时采取增加 N 和 选用非矩形窗函数途径改善频率特性。 表 1 指出了 各种窗函数的特性,提供了过渡带宽和最小阻带衰减 的 dB 数,由表可以看出,对于本系统的 FIR 数字滤 波器,汉明窗是最佳的选择。 表 1摇 常见窗函数的基本参数 窗函数 旁瓣峰值 幅度/ dB 主瓣宽度 仔/ N 过度带宽 仔/ N 阻带最小 衰减/ dB 矩形窗-1341.8-21 汉宁窗-3186.2-44 汉明窗-4186.6-53 布拉克曼窗-571211-74 凯塞窗茁7.865-571010-80 本系统采用汉明窗设计数字带通滤波器,fc1 495 kHz、fc2 505 kHz,A/ D 采样频频为 10 MHz、20 MHz、40 MHz 可选,图 4 为 MATLAB 程序对下面的 4 种条件下的滤波器的频率仿真图形。 由仿真结果可以看出,当采样频率一定时,增加 4 研究与分析摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2015 年第 6 期 第 28 卷,总第 140 期机械研究与应用 数字滤波器的阶数 N,可以提高频率的分辨率,减少 带宽,加快阻带的衰减,当采样频率提高到 40 MHz 时,阶数 N 也必须相应的增加,才能满足系统滤波指 标的要求;但是,随着阶数的增加,DSP 的运算量必然 增大,速度减慢,无法满足系统实时性要求。 综上所 述,本系统的滤波器选用采样频率 Fs10 MHz,阶数 N100。 图 4摇 滤波器的频率仿真图 3摇 数字 ECT 系统的 DSP6700 程序的实现 以 1 电极激励,2 电极检测为例,DSP 程序算法 流程图如图 5 所示。 图 5摇 DSP 程序算法流程图 摇 摇 用 C 语言开发本系统的 DSP 程序的过程系统 上电后,首先对 EMIF 接口和中断寄存器进行初始 化,初始化完毕后,DSP 通过数据采集卡的 I/ O 将设 定的正弦波参数写入 AD7008,使其输出正弦电压激 励信号,然后依次选通激励电极和检测电极本系统 8 个电极,然后将 C/ V 转换电路的被测信号通过差 动补偿、可编程放大和抗混叠滤波后送入 A/ D 进行 采样,每一路采样数达到 1 024 点时,便产生一次 DSP 中断。 中断服务程序把采样结果从双口 RAM 搬 移到 SDRAM 中,然后 DSP 利用全相位频谱分析的算 法对 SDRAM 中的数据进行处理,获得被测电压信号 的幅值,进而求出相应电极对之间的电容值。 依次循 环激励、测量,直到测出代表流体介质分布信息的 28 个电容值。 4摇 系统检测的评价体系 1 采集电容的准确度 着 运用 DSP 编程软件 CCS 读取全相位频谱分析数 字算法采样的电容值和传统采样的电容值,并与运用 COMSOL 软件仿真传感器电容值相减后取绝对值,得 到两者的偏差曲线如图 6 所示。 图 6摇 2 种不同方法提取电容值的偏差 摇 摇 从图 6 中可看出,全相位频谱分析数字采样的电 容值偏差较传统采样的电容值偏差在各个电极对之 间都要小,提高了数据采集系统采集电容值的精度。 定义采集电容的准确度 着 移 N 1 | 驻CN| N 式中驻CN为采集电容与真实电容之间的差。 则传统采样的电容准确度 着1 6. 45伊E-14,全相 位频谱分析数据采集的电容准确度 着23. 26伊E-14, 可以得出运用全相位频谱分析数据采集的电容准确 度提高了近 1 倍。 2 采集一组电容值所需时间 t 相敏解调是各个模块中最耗费时间约占采集系 统时间的 97. 9 [7],是影响实时性的关键因素。 运 用全相位频谱分析,省去了相敏解调和模拟滤波模 块。 不仅节省了硬件成本和空间,也使系统的采集速 度得到了提高。 采集一组电容值的时间 t28伊t1t2t3tx 式中t1为交流 C/ V 转换时间;t2为 A/ D 转换时间; t3为 AC-PGA 及放大器的时间;tx为其他模块所需 时间。 传统的模拟滤波和解调[8]所需的时间 t 28伊 0. 360. 205171. 3 2 040 滋s,运用全相位频谱 5 机械研究与应用2015 年第 6 期 第 28 卷,总第 140 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 研究与分析 分析所需时间 t28伊0. 360. 205117. 5 533. 82 滋s,可以看出运用全相位的频谱分析比传统的模 拟滤波和解调所需时间提高 3. 82 倍,全相位的频谱 分析提高了系统的实时性,可以得出系统的数据采集 时间为 1 T 帧/ s,满足图像实时性要求。 3 图像的成像精度的比较 运用图7,并通过评价指标 孜 椰g - g椰 椰g椰 g 是由 重建算法图像得到的介电常数分布值,g 是被测区域 内的真实介电常数的分布值计算可得传统数据采 集的计算的误差 孜 138. 72,而全相位频谱分析计 算的误差 孜 221. 42。 比较可知,运用全相位频谱 分析可以使图像的精度得到进一步的提高。 图 7摇 传统数据采集和全相位频谱分析下 LBP 算法成像 5摇 结摇 论 笔者运用全相位频谱分析技术和数字滤波截取 幅值的方法求解系统的电容值,并且通过采集电容的 准确度、采集系统所需时间和图像的成像精度三个评 价指标对这种数字化 ECT 系统进行了分析,得出如 下结论 摇 摇 1 数字化数据采集系统省去了模拟滤波和相 敏解调模块,减少了采集板结构和所占的空间。 2 数字化数据采集系统的采集电容比传统的 模拟采集电容的准确度高,从而图像重建的精度得到 提高。 3 数字化数据采集系统的采集速度大幅提高, 系统的实时性提高,满足图像实时性要求。 参考文献 [1]摇 BECK M S, WILLIAMS, Process tomography a European innova鄄 tion and its application[J]. 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