本發(fā)明涉及基于噪聲分析的儀表故障在線診斷方法，屬于工業(yè)過程控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動化程度越來越復(fù)雜，安全生產(chǎn)事故頻發(fā)，人們?nèi)遮呎J識到設(shè)備安全的重要性。系統(tǒng)設(shè)備在工作的過程當中，由于內(nèi)部元器件會受到摩擦、力、熱等各種外部因素的影響將會遭致其運行軌跡具有不確定性。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，任何生產(chǎn)設(shè)備的故障都會導(dǎo)致嚴重的產(chǎn)品積壓和失調(diào)，并給人類的生命和財產(chǎn)安全造成越來越大的威脅。

儀表傳感器作為工業(yè)生產(chǎn)的控制領(lǐng)域設(shè)備信息獲取的關(guān)鍵部分。通過查閱國智能維護系統(tǒng)中心的調(diào)查報告，在自動控制領(lǐng)域當中，有五分之二的設(shè)備誤故障警告是由于系統(tǒng)中的傳感器發(fā)生了故障產(chǎn)生的。最傳統(tǒng)最基本最直接的傳感器診斷方法就是采用人工定期檢查傳感器的方法。人工周期檢查的時候，工業(yè)現(xiàn)場需要停止工作這會對工廠帶來經(jīng)濟損失；另外，在兩次周期檢查之前，傳感器就已經(jīng)發(fā)生了故障，這將會存在安全隱患。

采用噪聲分析的診斷技術(shù)直接對系統(tǒng)振動產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)進行分析不需要額外的成本，需要投入的資金少。另外還可以實時的檢測系統(tǒng)運行過程發(fā)生的故障，只要故障產(chǎn)生我們就可以知道故障產(chǎn)生的原因，大大減少了傳統(tǒng)的周期性故障診斷存在的安全隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出一種基于噪聲分析的儀表故障在線診斷方法，作為儀表重要組成部分，為儀表正常工作提供了重要保障，這對于提升生產(chǎn)效率和保障生產(chǎn)安全有重要意義。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：基于噪聲分析的儀表故障在線診斷方法，包括以下步驟：

在線采集傳感器數(shù)據(jù)并提取噪聲信號；

對噪聲信號進行數(shù)據(jù)濾波，去除高頻噪聲；

對濾波后的噪聲信號采用基于Welch法求取功率譜；

通過比較功率譜的截止頻率與設(shè)定頻率的差值得到儀表故障的在線診斷結(jié)果。

所述利用基于Welch法求取功率譜包括以下步驟：

(1)長度為N的噪聲信號包括n個數(shù)據(jù)段x_N(n)，將噪聲信號分成L小段：每小段有M個數(shù)據(jù)，相鄰的兩個數(shù)據(jù)段重合一半；

(2)對L個每小段添加漢明窗口函數(shù)d₂(n)并進行傅里葉變換：

式中，為第i數(shù)據(jù)段的傅里葉變換，為第i數(shù)據(jù)段；i＝1…L；

d₂(n)＝(1-α)-α*cos(2π*n/(M-1))

α為定值；

(3)L段的功率譜平均值為：

該功率譜平均值作為最終的功率譜值。

所述通過比較功率譜的截止頻率與設(shè)定頻率的差值得到儀表故障的在線診斷結(jié)果具體為：

如果功率譜的截止頻率與設(shè)定頻率的差值超過閾值，則判定該傳感器故障；否則為無故障。

本發(fā)明主要作用是在了嵌入式儀表系統(tǒng)的傳感器實時故障在線診斷，傳統(tǒng)的傳感器故障診斷的方法多采用事后、離線、周期性的診斷方式。在兩次周期性檢查期間，傳感器有可能就已經(jīng)發(fā)生了故障，因此會帶來嚴重的安全隱患。另外，在檢查的過程中，工廠需要停止生產(chǎn)，這將會對工廠的經(jīng)濟效益產(chǎn)生嚴重影響。該方法針對傳統(tǒng)的傳感器故障，采用一種基于噪聲分析求取系統(tǒng)響應(yīng)時間特征值(截止頻率)的方法，并通過實時在線比較響應(yīng)時間的大小來檢測傳感器是否發(fā)生故障這對于提升生產(chǎn)效率和保障生產(chǎn)安全有重要意義。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：

1.實現(xiàn)電路簡單、硬件成本低?；谠肼暦治龅膬x表故障在線診斷方法的診斷電路結(jié)構(gòu)簡單，主要由傳感器、采集電路、微處理器組成，與儀表采集電路基本一致，不需要增加硬件，只需在傳統(tǒng)儀表的微處理器增加基于噪聲分析的故障診斷程序即可實現(xiàn)儀表故障在線診斷。

2.實時性強。基于噪聲分析的儀表故障在線診斷方法可以在線采集大量數(shù)據(jù)，并利用一種基于噪聲分析求取系統(tǒng)響應(yīng)時間特征值(截止頻率)的方法，并通過實時在線比較響應(yīng)時間的大小來檢測傳感器是否發(fā)生故障，具有較強的實時性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程；

圖3是本發(fā)明的基于噪聲分析的儀表故障在線診斷方法工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明從功能上來說，首先利用采集電路，提取傳感器數(shù)據(jù)中噪聲信號(提取的方法是用采集到的實驗數(shù)據(jù)減去該實驗數(shù)據(jù)的平均值)。然后對獲取的噪聲數(shù)據(jù)進行低通濾波，濾除高頻率段的信號。然后對濾波之后的實驗數(shù)據(jù)利用Welch法求取功率譜估計，并根據(jù)其功率譜估計的截止頻率與儀表正常工作的功率譜估計的截止頻率相比，判斷儀表工作狀態(tài)。

本發(fā)明涉及以下兩項關(guān)鍵技術(shù)：

1)儀表噪聲分析技術(shù)。本發(fā)明描述的首先利用儀表采集電路，提取傳感器數(shù)據(jù)中噪聲信號。微處理器利對數(shù)據(jù)進行噪聲分析技術(shù)獲取傳感器采集數(shù)據(jù)的功率譜估計曲線，計算其截止頻率，并根據(jù)其功率譜估計的截止頻率與儀表正常工作的功率譜估計的截止頻率相比，判斷儀表工作狀態(tài)。

2)儀表故障在線診斷技術(shù)。本發(fā)明描述的首先利用儀表采集電路，實時提取傳感器數(shù)據(jù)中噪聲信號，儀表的微處理器利用噪聲分析技術(shù)對儀表進行在線診斷，對儀表進行實時診斷，有效地避免壓力傳感器發(fā)生故障時進行錯誤采集，為儀表正常工作提供了有力保障，提高儀表的安全性與可靠性。

基于噪聲分析的儀表故障在線診斷方法，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集電路和微處理器；其中，所述傳感器與采集電路相連，采集電路與微處理器相連，微處理器利用采集電路將實時采集傳感器數(shù)據(jù)。首先利用采集電路，提取傳感器數(shù)據(jù)中噪聲信號，然后利用巴特沃斯低通濾波器對獲取的噪聲數(shù)據(jù)進行低通濾波，濾除高頻率段的信號。對濾波之后的實驗數(shù)據(jù)利用Welch法求取功率譜估計，并根據(jù)其功率譜估計的截止頻率與儀表正常工作的功率譜估計的截止頻率相比，判斷儀表工作狀態(tài)。

如圖3所示，本發(fā)明的具體步驟如下：

第一步，提取噪聲信號；

微處理器利用采集電路在線采集傳感器的制定時間段數(shù)據(jù)，然后求取該時間段數(shù)據(jù)的平均數(shù)，并利用采集數(shù)據(jù)減去平均數(shù)，獲得傳感器的噪聲信號。

第二步，噪聲信號進行數(shù)據(jù)濾波，去除高頻噪聲；

微處理器利用巴特沃斯低通濾波器對獲取的噪聲數(shù)據(jù)進行低通濾波，濾除高頻率段的信號。模擬的低通濾波器具有四個技術(shù)指標Ω_p、Ω_s、α_p、α_s，其中，Ω_p、Ω_s為通帶上限角頻率和阻帶下限角頻率，α_p、α_s為通帶允許的最大、最小衰減。具體設(shè)計低通濾波器過程如下：

(1)根據(jù)低通濾波器技術(shù)指標Ω_p、Ω_s、α_p、α_s確定濾波器的階數(shù)；

(2)獲取歸一化極點,得出歸一化傳輸函數(shù)；

(3)去除歸一化特性，獲得實際的濾波器傳輸函數(shù)。

第三步，利用基于Welch法求出功率譜密度曲線；

微處理器利用基于Welch法求取率譜密度曲線。

用Welch法求取功率譜密度具體過程如下：

(1)Welch法允許段與段之間的數(shù)據(jù)可以存在重合的現(xiàn)象，現(xiàn)在將N長的數(shù)據(jù)段x_n(n)分成L小段，每段具有M個數(shù)據(jù)，當段與段之間的數(shù)據(jù)重合一半時，這時的段數(shù)

(2)將一個長序列變成有限長的短序列，其頻譜發(fā)生畸變，將會產(chǎn)生頻譜能量泄漏。采用添加窗函數(shù)的方法可以減少頻譜能量的泄漏，經(jīng)常使用的窗口函數(shù)有矩形窗、三角窗、漢寧窗、漢明窗和布萊克曼窗。Welch法在計算每一段的功率譜估計時可以選擇漢明窗口函數(shù)，記之為d₂(n)。由矩形窗邊瓣較大帶來的譜失真將會在很大程度上得到減小。然后對每一加窗之后的小段進行傅里葉變換，得：

式中

d₂(n)＝(1-α)-α×Cos(2π×n/(M-1))(一般情況下,α取0.46)

是歸一化因子，使用它是為了保證所得到的譜漸進無偏估計。

(3)求功率譜的平均值，得：

在對每一小段求取傅里葉變換的過程中，根據(jù)N點序列x(n),其DFT變換對定義為

根據(jù)上式可以發(fā)現(xiàn)，在進行計算一個X(k)值時，除了需要進行N次復(fù)數(shù)乘法運算之外，好需要計算(N-1)次復(fù)數(shù)加法，因而如果要計算N個X(k)值，一共需N^2次復(fù)乘法和N(N-1)次復(fù)加法。

第四步，根據(jù)功率譜密度曲線的截止頻率，判斷儀表工作狀態(tài)；

微處理器根據(jù)功率譜密度曲線求出其截止頻率，與儀表正常工作的功率譜密度曲的截止頻率進行比較。將截止頻率比較的差值與設(shè)定的閾值進行比較， 并根據(jù)比較結(jié)果判斷儀表工作狀態(tài)，若差值大于設(shè)定閾值，則說明儀表發(fā)生故障，并將相應(yīng)的故障標志位置一，進行報警，實現(xiàn)儀表在線診斷故障。