在线电磁流量计信号分析方法的研究在线电磁流量计信号分析方法的研究..
摘要　提出一种在数字化仪表实际电路开发前, 利用matlab 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。
关键词　数字信号处理　mat lab　电磁流量计　工频干扰
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mat lab 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m at lab 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) mat lab 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mat lab。
图1　系统构成
3　基于matlab 的分析方法
图2 是智能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。图2　电磁流量计输入信号
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*不受陷波的影响[2～3] 。滤波器公式[ 2] : h( z ) = b 1- 2cosw0z- 1+ z- 2 1- 2bcosw0z - 1+ ( 2b- 1) z- 2 b= 1 1+ t an( ..w / 2) ..w = w 0 q w0= 2..f 0/ f s 式中: q 是衡量陷波滤波器的窄带带宽的因子, f0 是需要滤除的频率, fs 是采样频率。通过上述的公式设计滤波器。令q= 40, f0= 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) 是三值波信号叠加了50. 5hz 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50hz 时陷波器的滤波效果不佳。图3　滤波前后对比
3. 2　自适应相关模板法
该方法根据工频干扰的特点, 从原始信号中得到工频干扰的模板, 再从原始信号中减去工频干扰的模板, 达到滤除工频干扰的目的。算法中通过采用不同的l 值实现对不同频率窄带信号的抑止, 通过选取不同的m 值, 可实现不同的抑止带宽[3] 。公式[4] : h( z ) = 1- 1- z- lm m( 1- z- l ) 式中: l= f s/ f0。令m= 16 设计滤波器。图5 是三值波叠加了50hz 工频干扰, 滤波前和滤波后的对比。图6 是工频频率发生偏移时0. 5hz 的对比图, 同样当工频频率偏离50hz 时陷
波器的滤波效果不佳。图4　频率发生变化后的滤波前后对比图5　滤波前后对比
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频率调整滤波器的参数和采样频率。文中基于电磁流量计输入信号的特性, 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。同时工频干扰的幅度和相位也并不确定。表达一个正弦波信号f( t ) = asin( 2..ft+ .. ) 仅需要有三个参数: 频率f、幅值a、相位.. , 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。图6　频率发生变化后滤波前后对比( 3) 取极点作为信号的参照则可以获得相位。励磁电流的平稳阶段, 此阶段无干扰的感应信号应是一段直流信号, 除去高频噪声此阶段的信号的主要成分是直流信号和工频正弦波形信号。正弦波信号叠加了直流信号, 并没有改为极点之间的相对关系, 上述的正弦波的特性仍然存在, 基于这些特性, 就可以寻找工频干扰的参数。本程序设计分为低通滤波、划分区域、寻找极值、取得干扰参数、参数寻优5 个步骤来实现。
3. 3. 1　低通滤波
对于输入信号中的高频噪声, 文中设计一个数字低通滤波器以滤除。在mat lab 的信号处理的工具箱中提供了多种数字低通滤波器的设计方法, 可以简化设计过程。文中选用的滤波器类型是巴特沃斯( butterworth) , 它的形式表示为[5] : h( z )= b( z ) a( z) = b( 1) + b(2) z- 1+ .+ b( n+ 1) z- n 1+ a( 2) z- 1+ .a(n+ 1) z - n mat lab6. 5 中的提供了设计函数butt er 。使用方式是: [ b, a] = but ter( n, wn) , wn∈[ 0, 1] , 1 对应于0. 5×fs( 采样频率) , n 表示阶数。工频干扰的频率大约在50hz 左右, 而三值波的频率特性也主要分布在低频阶段, 因而这里选择截去200hz 以上的高频信号, 滤波器的阶数是4 阶。滤波器设计之后用mat lab 提供的函数filt er 对输入信号进行滤波。以下是mat lab 中的程序。[ b, a] = butt er( 4, 200/ ( 0. 5×fs ) ) y= f ilt er( b, a, x) ; 式中: x 是输入信号序列, y 是滤波之后的信号序列。图7 是输入信号经滤波后的信号图形。
3. 3. 2　划分区域
假设励磁周期以励磁电流从0 到1 的上升沿作为开始, 励磁周期1、0、- 1、0 周而复始。电磁流量计的励磁频率是50/ 16hz , 周期是320ms , 励磁电流每一个恒值的时间长度是320/ 4= 80ms。在励磁电流的每一恒值时间经过一半时, 输入信号的过冲尖锋已经消失, 用t 0= 40ms 来表示这个点的时间, 用t le表示取的时间长度, 对每个周期的输入信号取4 个阶段的值用于处理, 这4 个区域是: [ t i, t i + t le] , i= 0、1、2、3, t i= t 0 + i× 0. 08s。t le的时间长度选取必须大于一个工频干扰的时间周期, 保证可以在t le内寻得至少一个极大点和极小点。工频干扰的频率虽然会发生变化, 但变换范围不大, 工频干扰的周期也只是在1/ 50hz= 20ms 范围内进行小幅变化。选用t le= 30ms 以使t le区域必定包含一个工频干扰的时间周期。用y 表示滤波之后一个周期的电磁流量计信号向量, 向量的大小n 由采样频率fs 决定。在周期向量的这4 个区域内, 可以认为电磁流量计的信号只由直流分量和工频正弦波信号组成。图7　滤波之后的信号图
3. 3. 3　寻找极值
对y 进行区域划分之后, 紧接着是在划分区域内寻找极值。选用t le= 30ms , 时间上大于一个工频干扰的周期, 小于两个工频干扰的周期, 那么在这t le 区域出现的极值点情形, 一是肯定有一对相邻的极大点和极小点, 二是不可能出现两个极大点和极小点。虽然寻找极值的方法有很多, 为了编程简便这里选用逐点比较法找出在各个划分区域内相邻的极大点和极小点。
3. 3. 4　取得工频参数di= ai1, ai2 ki1 , ki2 , i= 1, 2, 3, 4, di 为寻到的4 组极点, ai1为极大点的数值, ki1为极大点的位置, ai2为极小点的数值, ki2为极小点的位置, 根据前面提到的正弦波的特性, 用下面的公式求的频率f i 和幅值ai。ai= ( ai1- ai2) ×0. 5 fi= 1/ ( 2( 1/ fs ) abs (ki1- ki2) ) 式中: abs 是mat lab 中提供的求值的函数, fs 是采样频率, 1/ fs 是点与点之间的时间间隔。工频干扰的参数变化缓慢, 对于秒级或毫秒级而言, 可以认为它是不变的。因此可以使用前面或后面几个周期寻到的频率和幅值来参与最后的参数估计。选后续两个周期作为说明。最后对频率向量和幅值向量求平均值作为最后的确认参数。a= [ ai] , f = [ f i] i= 1, 2, 3, .n ae= 1nσ n i= 1 ai fe= 1nσ n i= 1 f i 式中: a 为幅值向量, f 为频率向量, ae 为最后寻到的幅度值, fe 为最后寻到的频率值。设正弦波的极大点出现的时间是t m, 正弦波可以使用下面的公式表示: aesin( 2..fe( t- tm ) + ../ 2) aesin( 2..fet+ 2..( 0. 25- t mf e) ) 从公式可以得出相位.. 可以用下式求得: .. = 2..( 0. 25- tm fe) 为了统一将.. 映射到[ 0, 2..] 之间。极大点的时间求取根据它所在的位置t0= ki1· ( 1/ fs) 。从上面的公式可以求得一组相位, 对这组相位取平均得到最后的相位值。.. i= 1nσ n i= 1 .. ii= 1, 2.n
3. 3. 5　参数寻优
取得了工频干扰的参数频率fe , 幅度ke , 相位.. , 虽然可确定工频干扰信号, 但是误差总是不可避免的存在的。为了使效果更为理想, 可以对工频干扰的参数fe , ke , .. 进行小范围的寻优。在没有工频干扰的情况下, 输入信号在励磁电流平稳阶段是一段直线段, 故而这里采用在t le区域用原始信号减去工频干扰信号之后的波动程度作为评价方式。评价公式如下: zi= yi- ae′s in( 2..fe′t i+ .. ′) i= 1, 2, 3, 4 si= σ n k= 1 ( zi(k) - 1nσ n j= 1 zi( j) ) s= σ 4 i= 1 si t i= t i: ( 1/ fs ) : ( t i+ t le) ae ′∈( ae- da, ae+ da) fe ′∈( fe- df, f e+ df ) .. ′∈( .. - d.. , .. + d.. ) 式中, n 为yi 向量的长度, da 是工频相位寻找范围, df 为工频频率寻找范围, d.. 为工频相位寻找范围。使s 值最小的参数组合是解。找到参数组合之后将工频干扰信号从原信号中减去, 则可以得到无工频干扰的信号。从图8 处理结果图形上看, 工频干扰基本消除。经实验将工频干扰频率改变与50hz 时的结果一样。图8　处理结果
4　结束语
智能电磁流量计信号在线分析方法硬件成本只在于附加的采样电路, 开发是基于m at lab 的软件编程, 成本低, 可重用性强, 可缩短研发项目周期。经分析电磁流量计零点漂移与工频干扰相关, 可用信号匹配的方法大大降低零点漂移强度, 改进的算法经实际应用也取得明显效果。对信号进行实时处理, 可为开发人员在线了解电磁流量计信号提供帮助; 但pc 机rs232 口的通讯波特率不高, 又单片机内存有限信号只能保存是几帧连续信号, 处理时应采用扫描方法, 并信号输入保证几个电磁流量计激励周期。这里提出的方法不仅对数字式的电磁流量计设计有着的借鉴意义, 也为别的类型的数字式仪表的开发提供参考。
参考文献
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5　胡广书. 数字信号处理. 北京: 清华大学出版社, 1997.--扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：