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改善電磁流量計低流速性能的算法
來源:開封威利流量儀表_官網_MGG是我公司注冊商標 | 發布時間:2013-5-30 | 瀏覽次數:

電磁流量計在低速測量時,穩定性和精確性都不太理想,目前工業中使用的電磁流量計通常為0.5級,在0.2m/s流速下,精確度一般下降到2.0級,并且波動明顯。有些表在0.1m/s流速時已經不能正常讀數,此類現象由管路、介質和電路、電源等引入的干擾造成。由于干擾來源復雜,且頻率范圍較寬,所以僅用低通濾波等常規方法效果不明顯,隨著濾波器截止頻率的下降,響應特性明顯變壞,而較新的一些濾波算法[1,2],對于三態波信號的邊沿會產生較大失真。我們在試用互相關算法[3,4]去除干擾時,發現除了計算量很大之外,對信噪比和穩定性都有較大改善,在低流速下也同樣很有效。

    2 互相關檢測的原理

    如果存在兩個連續的隨機過程,當它們是實函數且為周期函數時,兩個函數的相關函數可定義為:

                 (1)

    通常計算時,由t=0開始,因此式(1)可寫成:

                   (2)

    如果x(t)、y(t)不是同一信號則稱Rxy(τ)為互相關函數。在實際電路中,信號x(t)、y(t)都是含有噪聲的信號。設:

    x(t)=X(t)+n1(t)           (3)

    y(f)=Y(t)+n2(t)           (4)

    式中:X(t)、Y(t)— 純凈信號;n1(t)、n2(t)— 噪聲信號。

    將式(3)、式(4)代入式(2)中,則有:

    (5)

    由于信號與噪聲之間、n1(t)與n2(t)之間沒有相關性,所以式(5)中第2、3、4項為0,僅留下第1項,即x(t)、y(t)中純凈信號部分的互相關函數。這就是互相關檢測濾除噪聲的原理。

    3 如何在實際應用中引入互相關算法

    我們研制的電磁流量計是用典型的結構和三態激磁,其信號波形如圖1所示。

    圖1中正負方波的平均幅值約0.5V,噪聲干擾波動峰峰值在0.16V,放大器總放大倍數最高約5000倍。

    根據互相關檢測原理,信號x(t)、y(t)應該是相關的,而x(t)、y(t)自身所含噪聲與信號之間是不相關的,兩個不同的噪聲信號之問也是不相關的。這里不妨將信號波形的正半周A(t)和C(t)看作x(t)和y(t),當A(t)和C(t)的取值時刻相距足夠遠時,可以認為A(t)、C(t)所含噪聲信號之間是不相關的。而從A(t)、C(t)的平均值和時間寬度這兩個特征來看,A(t)、C(t)的信號部分是緊密相關的,因此我們可以用互相關算法對信號進行處理。

    具體實現中遇到的第一個問題是如何確定采樣頻率。根據高速采樣求流速信號頻譜(存儲式示波器有此功能)可知,流速信號噪聲中高于10kHz的頻譜幅值很小,噪聲頻譜幅值較大的部分都在5kHz以下,因此帶寬上限選擇5 kHz。為了更好地體現噪聲原貌,采樣頻率至少要大于10倍上限值,即50 kHz。實際采樣頻率是50~100kHz,主要是看RAM容量大小,若容量很大就取100kHz,否則可以取得小些,最小取到過10kHz,但效果不太好。

    采樣頻率確定后就要將互相關函數離散化?;ハ喙睪肷⒒蟮謀澩鍤轎?/p>

    

    式中:iΔ— A/D采樣的間隔;N— 積分區間的數據采集個數,采集頻率為100kHz,iΔ=10μs,積分區間為20ms時,N =2000。

    第二個問題是如何確定A(t)、C(t)的時間間隔。理論上講A(t)、C(t)的噪聲是不相關的,而實際上某些特定頻率的干擾信號卻是相關的,這些噪聲中有些與A(t)、C(t)的時間間隔取值大小關系不大,如工頻50Hz和100Hz屬于這樣的噪聲。實際取值是以激磁中兩個同向方波出現的時間間隔作為A(t)、C(t)的取值間隔,一般是160~200ms。雖然間隔取大些可以保證噪聲之間的不相關性,對除去噪聲有好處,但如果太大實時性會變差。

    第三個問題是A(t)、C(t)、τ的時間長度的選取。為了使互相關運算后的幅值、波形形狀與原信號的平均值和波形形狀相似,A(t)的時間長度取為原始長度,C(t)的時間長度取為t1/2,τ的長度取為t1/2。運算后的相關函數波形用12位D/A輸出,波形如圖2所示。從示波器上觀察,互相關函數RAC(τ)的波動值只有15mV,而信號所含原始噪聲為145mV左右,信噪比提高了近10倍。需要指出的是,t1=40ms,τ=20ms,它們是工頻的整數倍。因此,如果想進一步去掉與工頻有關的干擾噪聲,只要對RAC(τ)值再做一次求平均,這樣不但工頻干擾去掉了,噪聲波動值進一步下降到7mV左右(取50組數據比較)。

    4 實驗結果

    流速信號的方波幅值的最大值為2.4V,對應10m/s流速;0.1m/s流速對應24mV電壓。未經運算處理時,原始噪聲電壓幅值在145mV左右,在示波器上看不出0.1m/s時的有用信號,只有噪聲信號。經過互相關運算后的波形盡管仍有15mV的波動值,但0.1m/s的信號可以清楚地看到,且比較穩定。

    表1給出的是流量儀表未經校正系數校正的原始精度;表2給出的是用4點校正后的精度,校正點分別為8m/s、2m/s、0.5m/s、0.2m/s,實際上用標準罐標定時,不一定正好在這4個點上,大致是流速上限的80%、40%、10%、5%、2% ,共5個點。因為在標定點的誤差可以做得很小,但離開標定點誤差肯定要大些,這樣取值更接近實際運行情況,被標儀表直徑Φ=100 mm。

    表1 儀表原始精度

 

流速/m·s-1
標準罐/m3·h-1
被測表/m3·h-1
示值誤差(原始)
7.89
222.93
223.35
+0.0019
4.15
117.34
117.62
+0.0024
1.07
30.26
30.47
+0.0069
0.527
14.91
15.01
+0.0067
0.155
4.381
4.335
-0.0105

 

    表2 儀表4點校正后精度

 

流速/m·s-1
標準罐/m3·h-1
被測表/m3·h-1
示值誤差(原始)
儀表系數
7.89
222.93
223.90
0.00013
0.998
4.15
117.34
117.26
0.00068
0.997
1.07
30.26
30.31
0.00165
0.995
0.527
14.91
14.90
0.00067
0.993
0.155
4.381
4.359
0.00503
1.005

 

    5 結論

    用互相關算法去除噪聲在信號處理中是一種十分有效的手段,在電磁流量計中借助這種算法同樣收到了明顯的效果。如果加上常規的濾波算法,會有較理想的低流速測量精度和穩定性。它的不足之處是運算量太大,用16位帶硬件乘法器的單片機,完成此項工作時仍嫌響應時間不夠快,并且還要加上外部RAM(目前的濾波算法是在32位微處理器ARM7上進行的,響應時間很快)。但隨著新器件的應用,這個問題可以很快解決,互相關算法肯定也會得到越來越多的應用。

 
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