【投稿】在线电磁流量计信号分析方法的研究

资料提供：杭州电子科技大学 ：严义 张晋茂 包健      编辑整理 ：金湖联仪自控设备有限公司

[摘要】提出一种在数字化仪表设计电路开发前，利用分析工具对数字化仪表的信号特性进行预处理的方法。该方法为具体设计开发提供信号处理算法的验证，可降低数字式仪表的开发风险，提高开发进度。最后以数字处理电磁流量计的工频干扰信号为例进行详细说明。

【引言】    随着以DSP为基础的实时数宇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。智能仪表数宇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间题。

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.电磁流量计的输人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铅附近形成过冲尖锋。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人信号数据。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。信号的输人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后，进行采样准备，并实时将采样数据通过RS232传送给MATLAB

3、基于MATLAB的分析方法
   图2是电磁流量计的输人信号图形。从图可以看出，输人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预噪声。如何克服工频干扰是电磁流t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颇干扰，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;二是其传递两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。。滤波器式：

式中:Q是衡量陷波滤波器的窄带带宽的因子，f,是需要滤除的频率，f,是采样频率。通过上述的公式设计谁波器.令Q=4o,fo=50,图3(b)是经高频滤波的带有50Hz工频干扰的三值波信号，图3(c)是带干扰信号通过50Hz滤波器后的图形。图4(b)是三值波信号盛加7 50.5H:的工频干扰，图4(c)是通过50Hz陷波滤波器的波形。从图4可以看出，当工频频率偏离50H:时
陷波器的滤波效果不佳。

3.3信号匹配的方法
    当频率发生偏移时上述两种方法都不能滤除工频干扰。文献〔4」提出的解决方法，需要另外的硬件电路检测工频频率，然后再根据实际检测的狈率调整滤波器的参数和采样频率。文中基于电磁流最计输人信号的特性，提出一种信号匹配的方法.
    工频干扰实际上是在原始信号的基础上叠加正弦波信号。信号的频率与电网的频率相同，理论上是50Hz,但是由于电网负载的不确定性，频率会发生小幅波动.同时工频千扰的幅度和相位也并不确定。
    表达一个IE弦波信号f (t)=Asin(2xft+'P〕仅需要有三个参数:频率f、幅值A、相位令，获得了这三个参数也就获得了正弦波信号。正弦波有以下一些特性:
(1)极大点和极小点的数值差是正弦波幅值的两倍
(2)极大点和它后一个极小点之间的时间差则是正弦波周期的一半

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