摘要：介紹了漿液型電磁流量計(jì)的發(fā)展及其在工業(yè)中的重要地位，在漿液測量中，由于漿液噪聲疊加在實(shí)際的流量信號中造成了測量的誤差。為了更好地掌握漿液噪聲的特性， 通過不加勵磁激勵的電磁流量計(jì)采集漿液噪聲， 然后通過Matlab 信號處理工具箱對在不同流速下采集到了漿液噪聲信號進(jìn)行分析，得出了漿液噪聲近似符合1 ／ f 分布的特性，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了概率密度分析得出了漿液噪聲幅值近似高斯分布的特點(diǎn)。通過對漿液噪聲的分析進(jìn)一步確立了電磁流量計(jì)如何克服漿液噪聲的方案，對漿液測量起到了積極作用。

          漿液的測量在造紙、礦物加工、化工等工業(yè)非常重要的應(yīng)用。由于電磁流量計(jì)測量管道內(nèi)無阻擋體、耐腐蝕性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)且不受流體密度、粘度、溫度、壓力變化的影響，而且隨流速變化能快速響應(yīng)的特點(diǎn)，在漿液的測量中通常選用電磁流量計(jì)。但是在測量漿液時，漿液中的固體顆粒會隨機(jī)劃過電磁流量計(jì)的電極，電極上的感應(yīng)電壓產(chǎn)生尖峰跳變，使測量結(jié)果發(fā)生劇烈波動，該尖峰噪聲稱作漿液噪聲。為了提高漿液的測量精度需對漿液噪聲有一個更加全面的認(rèn)識。

1 漿液型電磁流量計(jì)概述

          Yoshinori Matsunaga等人提出了雙頻勵磁的方法，即通過一個低勵磁頻率（6．25Hz）和高勵磁頻率（大約100Hz）的相互疊加對勵磁線圈進(jìn)行勵磁，用各自的頻率定時檢波，通過適當(dāng)?shù)臑V波器去掉噪聲之后， 再將兩個信號合成求出流量信號。Ichiro Wada提出了雙激勵單元的電磁流量計(jì)，第一激勵單元提供4～8Hz 的勵磁頻率產(chǎn)生第一感應(yīng)信號，第二激勵單元提供25～35Hz 的勵磁頻率產(chǎn)生第二感應(yīng)信號，校準(zhǔn)電路分別對兩個信號進(jìn)行濾波和校正， 最后根據(jù)流量的狀態(tài)選擇以哪一個信號作為最終的流量信號， 一般常規(guī)狀態(tài)下選擇低頻勵磁的信號作為流量信號，特殊狀態(tài)下選擇高頻勵磁的流量信號。上述兩種方案不僅能有效地克服漿液噪聲而且能保證零點(diǎn)的穩(wěn)定性， 但是兩者都未披露技術(shù)上如何實(shí)施的具體細(xì)節(jié)。

          Ke－Jun Xu等人提出了一種結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值匹配的方法對信號重構(gòu)的處理算法處理電磁流量計(jì)傳感器測量漿液的輸出信號，該方法采用25Hz 方波對電磁流量計(jì)勵磁，對信號進(jìn)行幅值解調(diào)、幅值概率密度的計(jì)算得出漿液信號的概率密度滿足近似高斯分布，于是采用中值濾波的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，然后對重構(gòu)的信號梳妝濾波，最后滑動濾波輸出信號幅值，還提出了基于SWT 對周期信號中非平穩(wěn)噪聲的分離方法在電磁流量計(jì)中的應(yīng)用， 通過分離周期信號中遵循1 ／ f 分布的較強(qiáng)的非平穩(wěn)噪聲（漿液噪聲）來實(shí)現(xiàn)漿液流量的測量。Liu TD等人提出了一種分時的雙勵磁頻率的方法， 該方法將分時使用6．25Hz、75Hz 方波進(jìn)行勵磁， 并通過6．25Hz 勵磁下提取的信號來補(bǔ)償75Hz 勵磁時出現(xiàn)的零點(diǎn)漂移， 結(jié)果表明該方式能在寬量程下提高測量的精度。但是上述文獻(xiàn)對漿液噪聲基本的特性分析比較少， 本文主要目的則是通過實(shí)驗(yàn)采集不含流量信號的漿液噪聲，并利用Matlab 對其基本特性進(jìn)行分析。

 

2 漿液噪聲的分析

2．1 漿液噪聲的采集

       為了采集漿液噪聲信號，在漿液實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1 所示，該實(shí)驗(yàn)平臺由混合罐、水泵、閥門、管道、砂漿、橫河電磁流量計(jì)、上海大學(xué)自主研發(fā)的電磁計(jì)組成。其中混合罐的長約512mm、寬約346mm、高約594mm，管道直徑為40mm，通過調(diào)節(jié)閥門可以改變流體的流速， 測量管道的最大流速可達(dá)到4m／ s，將橫河分離式電磁流量和仕樂克儀表的電磁流量計(jì)串聯(lián)在一個管道上， 把橫河的電磁流量計(jì)作為參照表， 其測量精度為0．35％，實(shí)驗(yàn)中的被測流體為不同濃度的砂漿。本實(shí)驗(yàn)中的被測流體為砂、水質(zhì)量比4 ／ 150 的砂漿，考慮到流速太小漿液噪聲不明顯以及本實(shí)驗(yàn)設(shè)備可調(diào)流速的局限性， 本實(shí)驗(yàn)在漿液的流速分別為3m／ s、2m／ s、1m／ s 時進(jìn)行測量。

 

       為了提取不含流量信號的漿液噪聲， 該實(shí)驗(yàn)中不對傳感器線圈進(jìn)行勵磁， 直接將傳感器兩個電極的信號接入轉(zhuǎn)換器后經(jīng)儀表放大器AD8220 放大，如圖2 所示，根據(jù)之前的研究表明漿液信號輸出大概是毫伏級別， 所以根據(jù)AD8220 的特性確定該放大器的一個大致的放大倍數(shù)為500 倍左右， 可以使輸出的漿液噪聲信號接近真實(shí)流量信號的數(shù)量級， 根據(jù)之前的研究可知漿液噪聲頻率主要分布從幾Hz 到幾百Hz，綜合考慮示波器的采樣頻率，先通過低通濾波器濾掉信號中頻率高于250Hz 的部分，示波器的采樣頻率為500Hz，采樣的時間為20s，采樣的數(shù)據(jù)長度為10000 個點(diǎn)， 最后利用Matlab 對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。

 

2．2 分析過程

       為了高效地處理分析采集到的漿液噪聲的信號， 本文利用了Matlab 信號處理工具箱中的histfit 得出在不同流速下漿液噪聲電壓幅值的概率分布，因?yàn)闈{液噪聲是一種隨機(jī)變量，本文利用pwelchd 得出其功率譜密度在不同流速下的分布曲線。

       圖3 中分別為3 個流速下漿液噪聲的時域波形圖， 可以看出隨著流速的提高，漿液噪聲越來越大，且漿液噪聲明顯帶有隨機(jī)性， 通過histfit 和pwelchd 分別得到個流速下的信號概率分布情況以及概率分布密度，如圖4、圖5 所示。從圖4 中可以看出漿液噪聲的幅值致符合高斯分布， 這可以為以后對漿液噪聲的仿真提供參考依據(jù)， 圖5 中的3 條曲線分別是在3 個不同流速下的功率譜密度分布曲線， 從圖中可以看出漿液噪聲主要分布在低頻段，且分布大致符合1 ／ f 特性。隨著流速的變化，功率譜密度分布的曲線也呈現(xiàn)一個平移的趨勢，即流速增大，曲線向上平移。

3 結(jié)束語

       本文基于Matlab 對采集到的漿液信號進(jìn)行了概率分布分析以及功率譜密度分析， 可以看出漿液噪聲是一個隨機(jī)分布的信號，其分布大致符合1 ／ f 特性，所以可以把提高電磁流量計(jì)的勵磁頻率作為克服漿液噪聲的一種手段。從漿液噪聲概率分布可的出漿液噪聲的強(qiáng)度近似符合高斯分布， 在今后的研究中可以作為模擬漿液噪聲的一個依據(jù)。