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基于DSP的漿液型電磁流量計的研制
發布時間:2022-1-25 08:29:40

摘要:電磁流量計在測量漿液時,會受到漿液噪聲的干擾,這種干擾是影響流量測量等指標的主要影響因素。由大量實驗得知,漿液噪聲符合1/f噪聲特性,通過對1/f噪聲的理論分析和數學計算,可以得到漿液噪聲的數學模型。最后綜合漿液的物理特性,可以得到參數可控的漿液噪聲的仿真模型,該模型對噪聲研究和電磁流量計設計研發都具有一定的實際價值。
  漿液型電磁流量計的測量通道是一段段光滑的直管段,不會堵塞,非常適用于測量含有固體的固液兩相流體,且電磁流量計在檢測時不會帶來壓力等外力作用,所以節能效果好"。電磁流量計采用法拉第電磁感應定律作為設計原理,測量的體積流量基本.上不受流體的密度、溫度、壓力、粘度和電導率變化的明顯影響,且其口徑范圍選擇余地大,流量測量范圍寬,也可用于測量具有腐蝕性的液體。
  電磁流量計在測量液體時,兩個電極與被測液體相接觸,這樣可以更準確地測量由于外加激勵而產生的電荷偏移。流速為V的流體在外加磁場的情況下,切割磁力線,向兩個電極方向移動,形成電勢差E。但是在接觸過程中,被測液體中混合的大小質量不均的固體顆粒在流體運動中,隨機的沖撞電極,使得輸出信號出現頻繁的跳動,這種現象叫做漿狀流體噪聲,即漿液噪聲。
1.1/f噪聲的宏觀解釋
  漿液內部含有大量的紙漿或砂漿等大小不均的固體顆粒,漿液流動時,這些顆粒會沖撞到電磁流量計的測量電極上,使得測量電極產生一個突變信號,大量的突變信號擾亂了正常的測量信號,原本應該平滑的感應電勢疊加.上噪聲,使得流量測量產生偏差'5]。將漿液噪聲從流量信號里抽離出來,并從頻域的角度分析可知,漿液噪聲的功率譜密度符合1/f噪聲特性,即信號的功率譜能量分布和頻率成反比。功率譜分析表明漿液噪聲的頻率分布很寬,干擾的增益隨著頻率的升高而降低。圖1為不含流量信號的漿液噪聲時域圖及其對應的功率譜密度圖。
 
  對于1/f噪聲的研究,現階段常用的有兩種方法:一種是,首先產生隨機白噪聲,再把白噪聲通過-一個高通濾波器經過濾波的噪聲可以近似看作是1/f噪聲;另一種是,用狀態機的方法經過復雜的運算得到,或者用--種需要復雜方法的模型得出1/f噪聲。
2.1/f噪聲的統計解釋
  1/f噪聲在很多自然系統中都有出現,近些年來越來越多的人都試圖用數學分析的方法解釋這種現象,但是所有的研究都.還未達成統一,但是有一個共性是公認的,.下面是本文對1/f的一種解釋。
  則漿液沖撞電極的隨機過程為計數過程,若N(t)表示時刻t為止累計的質點數量,則此過程滿足以下條件:
1)N(t)≥0;
2)N(t)是正整數;
3)若s<t,則N(s)<N(t);
4)當s<t,N(t)-N(s)等于區間(s,t]中質點的數量。
  由此可知,漿液沖撞電極產生的噪聲,符合泊松過程,定義為:
 
  其中n是平均脈沖率,三角方括號表示總體均值。這個功率譜的圖形,在原點處近乎平直,然后經過一個過渡區,在高頻處與1/λ2成比例!
  但是這并不能細致的刻畫1/f噪聲的特性,它還和λ有關。設過渡區的兩個端點值為λ1和λ2,則功率譜表達式為:
 
  其中,K是與流速、濃度以及漿液顆粒形狀有關的系數;a是表征噪聲1/f特性的系數,通常1<a<2;S(w)為噪聲序列中噪聲頻率f的統計幅值;T是漿液顆粒沖撞電極的間隔時間。
  假設y=log10,S(ɷ),b=log10,K,kX=a*log10T,則統計功率譜在對數坐標系下,可將漿液噪聲等效成Y==b+kX。Y正比于統計幅值,b正比于流速和濃度,k為漿液固有系數,表征不同種類的漿液。
  漿液噪聲的幅值VA符合高斯分布,且高斯分布的均值μ和方差σ與b和k有關。即高斯分布的均值增大,等效直線斜率增大,截距減小;高斯分布的方差增大,等效直線斜率減小,截距增大;幅值倍數增大,截距增大。
4實驗驗證
  根據以上關系,設計一種漿液噪聲Msury,此噪聲由功率譜統計特性擬合的直線符合斜率為k=-1.9,截距為b=-52。噪聲各頻段斜率相近,整體波形隨機曲折。
  設△=1.37*10-3(s),n=30,mj=100,由以上構造方法可得時間序列Ndis,將離散的時間點Ndis線性化,即時間累積得到
 
  實驗結果如表1,Data1和Data2為實際噪聲測得的數據。
 
5結束語
  通過分析漿液噪聲,可以得到以下結論:.
1)根據漿液噪聲的頻譜特性的分析,此模型可用于在--定.頻譜范圍內近似代替實際漿液噪聲;
2)漿液噪聲在對數坐標下,呈現1/f的特性,濃度增加或者流速增加,曲線上移,濃度下降或者流速降低,曲線下移;低頻噪聲能量高于高頻噪聲,高頻段比低頻段豐富。

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