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改善电磁流量计低流速性能的算法
来源:开封威利流量仪表_官网_MGG是我公司注册商标 | 发布时间:2013-5-30 | 浏览次数:

电磁流量计在低速测量时,稳定性和精确性都不太理想,目前工业中使用的电磁流量计通常为0.5级,在0.2m/s流速下,精确度一般下降到2.0级,并且波动明显。有些表在0.1m/s流速时已经不能正常读数,此类现象由管路、介质和电路、电源等引入的干扰造成。由于干扰来源复杂,且频率范围较宽,所以仅用低通滤波等常规方法效果不明显,随着滤波器截止频率的下降,响应特性明显变坏,而较新的一些滤波算法[1,2],对于三态波信号的边沿会产生较大失真。我们在试用互相关算法[3,4]去除干扰时,发现除了计算量很大之外,对信噪比和稳定性都有较大改善,在低流速下也同样很有效。

    2 互相关检测的原理

    如果存在两个连续的随机过程,当它们是实函数且为周期函数时,两个函数的相关函数可定义为:

                 (1)

    通常计算时,由t=0开始,因此式(1)可写成:

                   (2)

    如果x(t)、y(t)不是同一信号则称Rxy(τ)为互相关函数。在实际电路中,信号x(t)、y(t)都是含有噪声的信号。设:

    x(t)=X(t)+n1(t)           (3)

    y(f)=Y(t)+n2(t)           (4)

    式中:X(t)、Y(t)— 纯净信号;n1(t)、n2(t)— 噪声信号。

    将式(3)、式(4)代入式(2)中,则有:

    (5)

    由于信号与噪声之间、n1(t)与n2(t)之间没有相关性,所以式(5)中第2、3、4项为0,仅留下第1项,即x(t)、y(t)中纯净信号部分的互相关函数。这就是互相关检测滤除噪声的原理。

    3 如何在实际应用中引入互相关算法

    我们研制的电磁流量计是用典型的结构和三态激磁,其信号波形如图1所示。

    图1中正负方波的平均幅值约0.5V,噪声干扰波动峰峰值在0.16V,放大器总放大倍数最高约5000倍。

    根据互相关检测原理,信号x(t)、y(t)应该是相关的,而x(t)、y(t)自身所含噪声与信号之间是不相关的,两个不同的噪声信号之问也是不相关的。这里不妨将信号波形的正半周A(t)和C(t)看作x(t)和y(t),当A(t)和C(t)的取值时刻相距足够远时,可以认为A(t)、C(t)所含噪声信号之间是不相关的。而从A(t)、C(t)的平均值和时间宽度这两个特征来看,A(t)、C(t)的信号部分是紧密相关的,因此我们可以用互相关算法对信号进行处理。

    具体实现中遇到的第一个问题是如何确定采样频率。根据高速采样求流速信号频谱(存储式示波器有此功能)可知,流速信号噪声中高于10kHz的频谱幅值很小,噪声频谱幅值较大的部分都在5kHz以下,因此带宽上限选择5 kHz。为了更好地体现噪声原貌,采样频率至少要大于10倍上限值,即50 kHz。实际采样频率是50~100kHz,主要是看RAM容量大小,若容量很大就取100kHz,否则可以取得小些,最小取到过10kHz,但效果不太好。

    采样频率确定后就要将互相关函数离散化。互相关函数离散化后的表达式为:

    

    式中:iΔ— A/D采样的间隔;N— 积分区间的数据采集个数,采集频率为100kHz,iΔ=10μs,积分区间为20ms时,N =2000。

    第二个问题是如何确定A(t)、C(t)的时间间隔。理论上讲A(t)、C(t)的噪声是不相关的,而实际上某些特定频率的干扰信号却是相关的,这些噪声中有些与A(t)、C(t)的时间间隔取值大小关系不大,如工频50Hz和100Hz属于这样的噪声。实际取值是以激磁中两个同向方波出现的时间间隔作为A(t)、C(t)的取值间隔,一般是160~200ms。虽然间隔取大些可以保证噪声之间的不相关性,对除去噪声有好处,但如果太大实时性会变差。

    第三个问题是A(t)、C(t)、τ的时间长度的选取。为了使互相关运算后的幅值、波形形状与原信号的平均值和波形形状相似,A(t)的时间长度取为原始长度,C(t)的时间长度取为t1/2,τ的长度取为t1/2。运算后的相关函数波形用12位D/A输出,波形如图2所示。从示波器上观察,互相关函数RAC(τ)的波动值只有15mV,而信号所含原始噪声为145mV左右,信噪比提高了近10倍。需要指出的是,t1=40ms,τ=20ms,它们是工频的整数倍。因此,如果想进一步去掉与工频有关的干扰噪声,只要对RAC(τ)值再做一次求平均,这样不但工频干扰去掉了,噪声波动值进一步下降到7mV左右(取50组数据比较)。

    4 实验结果

    流速信号的方波幅值的最大值为2.4V,对应10m/s流速;0.1m/s流速对应24mV电压。未经运算处理时,原始噪声电压幅值在145mV左右,在示波器上看不出0.1m/s时的有用信号,只有噪声信号。经过互相关运算后的波形尽管仍有15mV的波动值,但0.1m/s的信号可以清楚地看到,且比较稳定。

    表1给出的是流量仪表未经校正系数校正的原始精度;表2给出的是用4点校正后的精度,校正点分别为8m/s、2m/s、0.5m/s、0.2m/s,实际上用标准罐标定时,不一定正好在这4个点上,大致是流速上限的80%、40%、10%、5%、2% ,共5个点。因为在标定点的误差可以做得很小,但离开标定点误差肯定要大些,这样取值更接近实际运行情况,被标仪表直径Φ=100 mm。

    表1 仪表原始精度

 

流速/m·s-1
标准罐/m3·h-1
被测表/m3·h-1
示值误差(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 仪表4点校正后精度

 

流速/m·s-1
标准罐/m3·h-1
被测表/m3·h-1
示值误差(原始)
仪表系数
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 结论

    用互相关算法去除噪声在信号处理中是一种十分有效的手段,在电磁流量计中借助这种算法同样收到了明显的效果。如果加上常规的滤波算法,会有较理想的低流速测量精度和稳定性。它的不足之处是运算量太大,用16位带硬件乘法器的单片机,完成此项工作时仍嫌响应时间不够快,并且还要加上外部RAM(目前的滤波算法是在32位微处理器ARM7上进行的,响应时间很快)。但随着新器件的应用,这个问题可以很快解决,互相关算法肯定也会得到越来越多的应用。

 
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