基于LMD分解的超声波液位信号处理研究
2016-11-11倪仲俊吴林峰
倪仲俊,吴林峰
(浙江乐清发电有限公司,浙江 乐清 325600)
基于LMD分解的超声波液位信号处理研究
倪仲俊,吴林峰
(浙江乐清发电有限公司,浙江 乐清 325600)
为提高火力发电厂罐体液位测量的准确性,针对罐体液位信号存在非平稳性和非线性的特点,提出采用局域均值分解(LMD)方法进行处理。通过LMD分解可以将液位信号自适应的分解成多个生产函数分量,剔除高频噪声分量,实现有效液位的提取。试验表明,经过LMD处理得到的液位信号更精确、更稳定。
LMD;液位测量;非平稳;超声波
随着科学技术的发展,火力发电厂的自动化程度不断地提高,不断朝着大机组、高参数方向发展。为确保生产安全,对液位测量的准确性提出了更高的要求。
以往传统的液位测量方法有浮力式、静压式、电气式等,现如今有了超声波检测方法。该方法比传统的测量方法更受到国内外研究者的青睐,其最大的优势在于非接触式测量,应用更加的灵活[1,4]。在数据处理方面,传统的液位测量方法都是基于液位信号具有平稳性,而在电厂自动控制过程中,罐体液位时刻在变化着,对于非平稳液位信号的检测的不够准确,而且对其通常采用短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换处理。虽然这三种变换具有处理时变信号的能力,但是短时傅里叶变换的窗口大小选择、小波变换的小波基函数选择对于处理结果影响很大,缺少自适应的能力[2]。而局域均值分解方法是一种新的时频分析方法,是由smith在2005年提出,并成功应用到脑电波信号分析中[3]。针对罐体液位信号的特点,它能自适应的将原始信号分解成若干个生产函数(product function,PF)。因此,本文提出设计超声波液位测量系统,采集时变的非平稳液位信号;采用局域均值分解方法(local mean decomposition,LMD)处理液位信号,通过剔除高频PF分量,得到有效的实际液位。
1 超声波测量系统
1.1超声波测量原理
超声波测距原理如图1所示。超声波对液体、固体的穿透本领很大,通过发射具有特征频率的超声波,在空气中传播,遇到气液面时发生反射形成回波,通过计时器测定发射和收到超声波的时间差Δt就可以计算出距离，其中空气中传播速度为340 m/s，即
(1)
液位高度h的计算表达式为
h=H-s
(2)
图1 超声波测距原理图
1.2超声波液位采集系统
采集系统主要由传感器、信号调理电路、信号处理系统三部分组成,如图2所示。传感器采用的是FMU40超声波探头。信号调理电路使用的是ABB公司的模拟量输入卡件ASI32对原始信号进行阻抗变换,实现信号的放大。信号处理系统在上位机编程实现去噪、滤波、提取特征信号。
图2 超声波液位采集系统
2 局域均值分解理论
局域均值分解是基于信号的局部时间特征,对于任何非平稳信号,具有良好的自适应性,能根据信号各频率的成分自适应的分解为若干个特征函数PF分量和趋势,通过对PF分量和趋势函数的判断就能得到有效的液位。LMD分解步骤如下:
1) 设信号为x(t),则可以求得所有的局域均值mi和局域包络值ai,计算公式为:
(3)
(4)
式中,ni为信号x(t)的极值点。
2) 对局域均值mi和局域包络值ai采用滑动平均函数进行处理得到局域均值函数m11(t)和局域包络函数a11(t)。
3) 将上面得到的m11(t)和a11(t)带入式(5)进行解调,可得s11(t),即
(5)
若s11(t)为纯调频信号,则它的包络信号a12(t)=1。因此,若a12(t)≠1,则s11(t)不是纯调频信号,那么重复(1)～(3)步骤,直到s1n(t)为纯调频信号,即a1n(t)=1。
4) 将以上迭代过程产生的a1n(t)相乘,得到第一个PF分量的包络信号a1(t)
a1(t)=a11(t)a12(t)…a1n(t)
(6)
5) 将包络信号a1(t)和纯调频信号s11(t)相乘,便得到第一个PF分量。
PF1=a1(t)·s1n(t)
(7)
6) 把PF1从原始信号x(t)分离出来,得到一个新的信号u1(t),u1(t)作为原始信号重复以上步骤,分离出所有的PF分量,直至uk(t)为一个单调函数,即,
(8)
经过局域均值分解后得到了特征函数PF分量和一个趋势项uk(t),通过对PF分量和趋势项判断可以得到准确的液位信号。
仿真y=2sin(2πt)+2sin(6πt)+10e0.1t信号为例,其中两个正弦函数为干扰信号,模拟液位波动,指数函数为实际的液位信号。仿真试验曲线如图3、图4所示。
图3 模拟液位信号
经LMD算法分解后得到如下三个信号y1、y2、y3如图4所示。
图4 LMD分解得到的变量
通过图4可以清楚地看到,经过LMD分解,能准确的将三个变量从高频依次到低频分离出来,趋势项y3就是实际液位信号,表明了LMD算法的准确性和可靠性。
3 试验分析
采用乐清电厂4号机组1号高加水位数据进行试验分析,如图5所示,该段数据为机组启机阶段期间的水位变化情况。
图5 高压加热器水位
由图5可见,水位波动,存在干扰。
利用局域均值分解方法对该水位信号进行分解,得到3个PF分量如图6和1个趋势项c4如图7所示。
图6 分解得到3个PF分量
从图6和图7可以看出，经过LMD分解,原始信号依次从高频到低频被分离出来,PF1、PF2、PF3具有一定频率的噪声信号,通过剔除后得到的趋势
项是一个单调函数c4,与实际液位变化正好符合,因此,通过c4可确定实际液位值。
图7 分解得到的趋势项c4
4 结 语
火电厂生产过程的连续性,导致了罐体液位时刻变化,存在时变性和非平稳性。局域均值分解方法具有时频分析功能,能够根据信号的特点自适应地突出其局部特征信息。因此通过局域均值分解可以分离出高频噪声分量,得到趋势项,即实际液位信号,提高了液位测量的准确性。
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Qin Pinle, LIN Yan. Characteristics analysis of ship liquid level signal based on wavelet de-noise and EMD[J]. Computer Engineering, 2002,34(18):13-15.
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HONG Zhigang, DU Weiling. Study on ultrasonic liquid level measurement on the ektexine of seal vessel[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2007,4:118-192.
(责任编辑郭金光)
Research on ultrasonic liquid level signal processing based on LMD
NI Zhongjun, WU Linfeng
(Zhejiang Queqing Power Generation Co., Ltd, Yueqin 325600, China)
To improve the accuracy of power plant tank liquid level, this paper proposed to adopt LMD to process the signal according to the characteristics of tank liquid level signal, such as non-stationary and non-linear.Through LMD, the liquid signal itself was adaptively decomposed into a number of product functions, and then the high-frequency noise component and the effective liquid level were extracted. The experiment results show that the liquid level signal obtained through LMD is more accurate and stable.
LMD; liquid level; non-stationary; ultrasonic wave
2016-02-03。
倪仲俊(1987—),男,助理工程师,从事发电厂热工控制工作。
TK316
A
2095-6843(2016)04-0374-03
