在线电磁流量计信号分析方法的研究

　　1　引　　言

　　随着以DSP为基础的实时数字信号处理技术的发展,仪表中应用数字信号处理技术的设计越来越多。智能仪表数字信号处理主要基于数学运算,其算法的设计与验证在产品开发的前期极为重要,算法的验证可大大降低硬件电路开发成本。鉴于MATLAB是一个具有强大分析和处理能力的数学工具,在信号分析和信号处理领域有着广泛的应用,为算法的先期验证提供可能。50Hz工频干扰一直是电磁流量计的主要干扰源,用数字信号处理方法来处理50Hz工频干扰是一种新方法,这种方法处理工频干扰可以提高电磁流量计的测量精度,实践表明可较好解决电磁流量计的零漂问题[1]。

　　2　电磁流量计输入信号

　　电磁流量计的励磁方式是低频三值矩形波(简称三值波)形式。在无干扰的情况下,电磁流量计的输入信号波形与励磁电流波形基本同形同相,幅值正比于流速。不同的是由于励磁电流上升沿和下降沿的冲击,输入信号在与之对应的上升沿和下降沿附近形成过冲尖锋。随着励磁电流的平稳,过冲尖锋也随着消失。为将电磁流量计的信号送MATLAB中进行信号　　分析与处理,首先必须获得电磁流量输入信号数据。在原有仪表的基础上进行改进设计了一套采样系统,如图1。信号的输入源选在原电磁流量计的采样系统之前,单片机通过双极性的AD转换器对信号进行全息采集,同时监测仪表CPU发给励磁电路的励磁控制信号,用以信号的周期同步。系统的工作方式如下:

　　(1)MATLAB通过RS232发命令给单片机,进行数据采样。

　　(2)单片机接收到采样命令之后,进行采样准备,并实时的将采样数据通过RS232传送给MATLAB。

　　3　基于MATLAB的分析方法

　　图2是电磁流量计的输入信号图形。从图可以看出,输入信号除去反映流量的基本信号波形以外,还叠加了工频干扰和高频噪声。如何克服工频干扰是电磁流量计信号处理一个重要的课题。工频干扰影响着流量值的输出精度。它的影响程度在不同的流体流速下有着不同的表现。当流体流速比较大的时,工频干扰的大小相对于由流速产生的感应信号值显得不是很敏感;在小流量的情况下,工频干扰信号值超过感应信号,仪表稳定性降低,造成电磁流量计的零点漂移问题。

　　国内外有多种克服工频干扰的方法,文中选自适应陷波方法和自适应相关模板法进行分析,并提出了一种信号匹配的方法。

　　3.1　自适应陷波的方法

　　通常设计50的数字陷波器来消除工频干扰,理想陷波器的基本要求有两点:一是其传递函数的零点应该在单位圆上,以使陷波的陷阱深度为无穷大;二是其传递函数的极零点必须匹配,这样除了陷波的频率之外,其余的频率完全不受陷波的影响[2～3]。滤波器公式[2]: