用相关算法改善电磁流量计低流速性能

　　1　引　言

　　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0.2 m/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0.1 m/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:

　　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0.5 V,噪声干扰波动峰峰值在0.16 V,放大器总放大倍数最高约5 000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间也是不相关的。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10 kHz的频谱幅值很小,噪声频谱幅值较大的部分都在5 kHz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50~100 kHz,主要是看RAM容量大小,若容量很大就取100 kHz,否则可以取得小些,最小取到过10 kHz,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:

　　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50 Hz和100 Hz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160~200 ms。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。