【投稿】在線電磁流量計信號分析方法的研究

資料提供：杭州電子科技大學(xué) ：嚴(yán)義 張晉茂 包健      編輯整理 ：金湖聯(lián)儀自控設(shè)備有限公司

[摘要】提出一種在數(shù)字化儀表設(shè)計電路開發(fā)前，利用分析工具對數(shù)字化儀表的信號特性進(jìn)行預(yù)處理的方法。該方法為具體設(shè)計開發(fā)提供信號處理算法的驗證，可降低數(shù)字式儀表的開發(fā)風(fēng)險，提高開發(fā)進(jìn)度。最后以數(shù)字處理電磁流量計的工頻干擾信號為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

【引言】    隨著以DSP為基礎(chǔ)的實時數(shù)宇信號處理技術(shù)的發(fā)展，儀表中應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)的設(shè)計越來越多。智能儀表數(shù)宇信號處理主要基于數(shù)學(xué)運(yùn)算，其算法的設(shè)計與驗證在產(chǎn)品開發(fā)的前期極為重要，算法的驗證可大大降低硬件電路開發(fā)成本。鑒于MATLAB是一個具有強(qiáng)大分析和處理能力的數(shù)學(xué)工具，在信號分析和信號處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，為算法的先期驗證提供可能。50Hz工頻干擾一直是電磁流量計的主要干擾源，用數(shù)字信號處理方法來處理50HZ，工頻干擾是一種新方法，這種方法處理工頻干擾可以提高電磁流量計的測量精度，實踐表明可較好解決電磁流量計的零漂間題。

2、電磁流量計輸入信號
電磁流量計的勵磁方式是低頻三值矩形波（簡稱三值波)形式。在無干擾的情況下.電磁流量計的輸人信號波形與勵磁電流波形基本同形同相。幅值正比于流速.不同的是由于勵磁電流上升沿和下降沿的沖擊.輸入信號在與之對應(yīng)的上升沿和下降鉛附近形成過沖尖鋒。隨著勵磁電流的平穩(wěn)，過沖尖鋒也隨著消失。
    為將電磁流量計的信號送MATLAB中進(jìn)行信號分析與處理，首先必須獲得電磁流量輸人信號數(shù)據(jù)。在原有儀表的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計了一套采樣系統(tǒng).如圖1。信號的輸人源選在原電磁流量計的采樣系統(tǒng)之前.單片機(jī)通過雙極性的AD轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行全息采集。同時監(jiān)測儀表CPU發(fā)給勵磁電路的勵磁控制信號，用以信號的周期同步。系統(tǒng)的工作方式如下:
    (1) MATLAB通過RS232發(fā)命令給單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣.
2、單片機(jī)接收到采樣命令后，進(jìn)行采樣準(zhǔn)備，并實時將采樣數(shù)據(jù)通過RS232傳送給MATLAB

3、基于MATLAB的分析方法
   圖2是電磁流量計的輸人信號圖形。從圖可以看出，輸人信號除去反映流量的基本信號波形以外，還疊加了工頻干擾和高預(yù)噪聲。如何克服工頻干擾是電磁流t計信號處理一個重要的課題。工頻干擾影響著流量值的輸出精度.它的影響程度在不同的流體流速下有著不同的表現(xiàn)。當(dāng)流體流速比較大的時，工頻干擾的大小相對于由流速產(chǎn)生的感應(yīng)信號值顯得不是很敏感，在小流量的情況下，工頻干擾信號值超過感應(yīng)信號，儀表穩(wěn)定性降低，造成電磁流量計的零點漂移問題。
    國內(nèi)外有多種克服工頻干擾的方法，文中選自適應(yīng)陷波方法和自適應(yīng)相關(guān)模板法進(jìn)行分析，并提出了一種信號匹配的方法
3.1 自適應(yīng)陷波的方法
    通常設(shè)計50的數(shù)字陷波器來消除工頗干擾，理想陷波器的基本要求有兩點:一是其傳遞函數(shù)的零點應(yīng)該在單位圓上，以使陷波的陷阱深度為無窮大;二是其傳遞兩數(shù)的極零點必須匹配，這樣除了陷波的頻率之外.其余的頻率完全不受陷波的影響。。濾波器式：

式中:Q是衡量陷波濾波器的窄帶帶寬的因子，f,是需要濾除的頻率，f,是采樣頻率。通過上述的公式設(shè)計誰波器.令Q=4o,fo=50,圖3(b)是經(jīng)高頻濾波的帶有50Hz工頻干擾的三值波信號，圖3(c)是帶干擾信號通過50Hz濾波器后的圖形。圖4(b)是三值波信號盛加7 50.5H:的工頻干擾，圖4(c)是通過50Hz陷波濾波器的波形。從圖4可以看出，當(dāng)工頻頻率偏離50H:時
陷波器的濾波效果不佳。

3.3信號匹配的方法
    當(dāng)頻率發(fā)生偏移時上述兩種方法都不能濾除工頻干擾。文獻(xiàn)〔4」提出的解決方法，需要另外的硬件電路檢測工頻頻率，然后再根據(jù)實際檢測的狽率調(diào)整濾波器的參數(shù)和采樣頻率。文中基于電磁流最計輸人信號的特性，提出一種信號匹配的方法.
    工頻干擾實際上是在原始信號的基礎(chǔ)上疊加正弦波信號。信號的頻率與電網(wǎng)的頻率相同，理論上是50Hz,但是由于電網(wǎng)負(fù)載的不確定性，頻率會發(fā)生小幅波動.同時工頻千擾的幅度和相位也并不確定。
    表達(dá)一個IE弦波信號f (t)=Asin(2xft+'P〕僅需要有三個參數(shù):頻率f、幅值A(chǔ)、相位令，獲得了這三個參數(shù)也就獲得了正弦波信號。正弦波有以下一些特性:
(1)極大點和極小點的數(shù)值差是正弦波幅值的兩倍
(2)極大點和它后一個極小點之間的時間差則是正弦波周期的一半

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