CN104061970B - 一种电磁流量信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁流量信号检测方法，首先分别获取励磁信号以及励磁信号的正交信号、流体流速为零时的感应信号作为参考信号，采样到电磁流量计的DSP中；其次获取待测流体流量感应信号，采样到电磁流量计的DSP中；最后以本发明的流量信号相关检测算法为基础，将参考信号与流体流量感应信号进行一系列的相关运算，从流体流量感应信号中将同频率的噪声干扰消除，提取出有效的流体流量信号。

Description

一种电磁流量信号检测方法

技术领域

本发明属于电磁流量测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种电磁流量信号检测方法。

背景技术

流量检测的方法种类繁多，而其中技术较成熟的也有十多种。流量测量方法也没有统一的分类标准，按被测对象进行分类，可以分为明渠和封闭管道两类，若按仪表原理进行分类，又可以分为磁电式、压电式等，也可以按被测参数进行分类，则可以分为直接式和间接式。常用的流量测量方法有涡街式、差压式、超声波式、质量流量式和电磁式流量测量等。

电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律进行流量检测及测量的仪器。其基本原理为：导体在磁场中运动并切割磁力线时，在导体自身会产生感应电动势，其强弱与磁场强度、导体速度及导体切割磁力线的有效长度成正比。具有一定导电率的流体在磁场中运动时亦可看作导体切割磁力线运动，其产生感应电动势公式为：

E＝BVD (1)

式(1)中，E为感应电动势，B为磁场强度，V为流体切割磁力线的平均速度，D为测量管道的直径(假设流体为满管流动)。当B为已知量、D为固定量时，只需检测E的大小就可以求出V，而根据公式

式(2)中，Q_v为体积流量，D为管道直径，便可计算出流体流量。

电磁流量计由于管道内壁光滑，不会阻塞管道或影响流体运动，而且主要利用流体的电导性，而不受流体的温度、密度、黏度等参数的影响。根据原理式(1)、(2)可知，其输出结果与流体的流量成正比关系，同时测量精度也较高，最好可优于±0.5％，而且其测量管道的管径可变范围较广，量程比最大也比高达100:1。

电磁流量测量技术中，由于工作环境组成比较复杂，包括电场、磁场、流动的待测流体、供电电源等等，因此，工作环境带来的噪声干扰也是种类繁多，而且有些噪声的幅值还可能比电磁流量信号大。噪声干扰带来的影响就是使得流量检测精度和准确度下降，甚至电磁流量信号湮没，导致无法进行正确的流量测量，因而如何抑制噪声干扰信号也是电磁流量检测技术的关键难题。

电磁流量检测中的噪声干扰主要可以分为微分噪声、同相噪声、工频噪声、串模干扰和共模干扰等等。大部分噪声干扰可以通过滤波器电路、信号屏蔽线来抑制，但是在电磁流量检测中，微分噪声和同相噪声的频率与流量信号的频率相同，通过常规的滤波技术是无法抑制该种噪声的。而且，微分噪声和同相噪声的幅值往往比流量信号要大很多，能否处理好这种同频率噪声的抑制，是电磁流量检测技术成功与否的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电磁流量信号检测方法，以消除普通滤波器无法滤除的，与流量信号同频率的噪声干扰。

为实现上述发明目的，本发明电磁流量信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、获取参考信号

在电磁流量计的励磁线圈上空绕多匝导线圈，当励磁线圈施加150Hz正弦波励磁信号时，从空绕的导线圈上获取感应电压信号r₁(t)，获取的感应电压信号r₁(t)与励磁信号同频同相，将感应电压信号r₁(t)作为一路参考信号，随后，将感应电压信号r₁(t)采集到电磁流量计的DSP，并通过电磁流量计的DSP产生一个与之正交的信号r₂(t)，作为另一路参考信号，表示如下：

其中，w为励磁信号的角频率，励磁信号的频率为150Hz，t表示时间，参考信号的长度为T；

(2)、获取流量静止时的信号参数

励磁线圈施加励磁信号，励磁装置正常工作，并使待测流体充满测量管道，但控制流量控制阀使待测流体不流动；

采集此时的流体流量感应信号V₀(t)到电磁流量计的DSP，其长度也为T，同时利用式(3)，对V₀(t)进行相关函数的算法运算，具体运算过程如下：

同样的，V₂(t)表达式可计算如下：

(3)、获取流体流量信号

励磁线圈施加励磁信号，励磁装置正常工作，并使测量管道内的待测流体流动起来；

采集此时的流体流量感应信号V′₀(t)到电磁流量计的DSP，其长度也为T，同时利用式(3)，对流体流量感应信号V′₀(t)进行相关函数的算法运算，具体运算过程如下：

流体流量信号A的提取可以表示如下：

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明电磁流量信号检测方法，首先分别获取励磁信号以及励磁信号的正交信号、流体流速为零时的感应信号作为参考信号，采样到电磁流量计的DSP中；其次获取待测流体流量感应信号，采样到电磁流量计的DSP中；最后以本发明的流量信号相关检测算法为基础，将参考信号与流体流量感应信号进行一系列的相关运算，从流体流量感应信号中将同频率的噪声干扰消除，提取出有效的流体流量信号。

附图说明

图1是本发明电磁流量信号检测方法一种具体实施方式原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

信号的相关检测技术是基于信号与噪声之间的统计特性进行检测的，该种技术的基础为相关函数，例如，对已知信号x(t)和y(t)，它们的相关函数和互相关函数可以表示如下：

式(9)、(10)中，T为两相关信号的时间长度。这两个函数都为对时域上信号的相似性的度量，用来描述某一随机过程在不同时刻上或者不同的随机过程间相互关系。在信号检测技术中，相关检测可表述如下：当信号与噪声共同存在时，在不同的时刻，信号一般都具有比较强的相关性，而噪声干扰却由于其产生的其随机性，在不同时刻，其相关性表现的比较弱。因此，基于信号与噪声之间的这种差异，可以准确地分离有效信号和噪声干扰。

为了能从同频率的噪声干扰中提取出流体流量信号，本发明提出了基于相关检测算法的电磁流量信号检测算法。

在本发明中，采用数字信号处理器(DSP)技术实现上述的流体流量信号与噪声干扰分离的任务。

首先进行励磁方式分析，如果采用方波励磁，由于磁迟滞等因素，磁场将不能跟随频率较高的方波的突变，导致的微分噪声及同相噪声的特性将更加复杂。在这样的条件下，即使采用DSP技术也难以达到分离的目的。理论上讲，降低励磁频率可以降低其复杂性，但这与微小电极电容的实际情况相矛盾。因此，本发明采用频率较高(取工频的3倍，即150Hz)的正弦波励磁方式。

在本发明的高频正弦波励磁方式下，待测流体流量感应信号的组成，可以表示如下：

V(t)＝Asin(wt+q₁)+Bcos(wt+q₂)+Csin(wt+q₃)+Dsin(w₀t+q₄) (11)

其中，w为励磁信号的角频率，即w＝2πf，f＝150Hz，w₀为工频角频率，Asin(wt+q₁)为流体流量信号，Bcos(wt+q₂)为微分干扰信号，Csin(wt+q₃)为同相干扰信号，Dsin(w₀t+q₄)为工频干扰信号。

首先分别获取励磁信号、励磁信号的正交信号、流速为零时的流体流量感应信号作为参考信号，采样到电磁流量计的DSP中；其次获取待测的流体流量感应信号，其组成如式(11)所示，也将其采样到电磁流量计的DSP中；最后以本发明的流量信号相关检测算法为基础，将参考信号与流体流量感应信号进行一系列的相关运算，从流体流量感应信号中将同频率的噪声干扰消除，提取出有效的流体流量信号。

图1是本发明电磁流量信号检测方法一种具体实施方式原理示意图。

本发明相关检测算法，对流体流量感信号进行处理并分离噪声，提取出有效的流体流量信号，具体步骤为：

第一步，获取参考信号

具体实现方法为：在电磁流量计的励磁线圈上空绕多匝导线圈，当励磁线圈施加150Hz正弦波励磁信号时，从空绕的导线圈上获取感应电压信号r₁(t)，获取的感应电压信号r₁(t)与励磁信号同频同相，将感应电压信号r₁(t)作为一路参考信号，随后，将感应电压信号r₁(t)采集到电磁流量计的DSP，并通过电磁流量计的DSP产生一个与之正交的信号r₂(t)，作为另一路参考信号，表示如下：

其中，w为励磁信号的角频率，励磁信号的频率为150Hz，t表示时间，参考信号的长度为T。

第二步，获取流量静止时的信号参数

具体实现方法为：励磁线圈施加励磁信号，励磁装置正常工作，并使待测流体充满测量管道，但控制流量控制阀使待测流体不流动，此时，可认为流量产生的感应信号为零，即A＝0。采集此时的流体流量感应信号V₀(t)到电磁流量计的DSP，其长度也为T，同时利用式(3)，对V₀(t)进行相关函数的算法运算，具体运算过程如下：

同样的，V₂(t)表达式可计算如下：

第三步，流体流量信号的获取

励磁线圈施加励磁信号，励磁装置正常工作，并使测量管道内的待测流体流动起来；

采集此时的流体流量感应信号V′₀(t)到电磁流量计的DSP，其长度也为T，同时利用式(3)，对流体流量感应信号V′₀(t)进行相关函数的算法运算，具体运算过程如下：

结合以上三步的相关算法分析，流体流量信号A的提取可以表示如下：

由分析过程可知，在上述处理步骤之后，可以从同频率的噪声中将流体流量信号从流体流量感应信号提取出来。显然，经过DSP的上述处理，反映流速大小的流体流量信号A得以满意地从混合干扰的流体流量感应信号信号中分离出来。上述的运算，包含了正弦波正交信号发生、加法、减法、乘法、除法、积分、开平方等复杂的运算，是任何模拟电路不能精确实现的。而采用DSP技术，可以达到目的。值得注意的是，在实际的应用中，有一些不能忽略的小偏差，比如信号可能由于周围空间磁路环境的影响而在相位上有一些偏差，可能会给测量结果带来一定的误差。但总体上来看，本发明电磁流量信号检测方法对流体流量信号的提取可起到较好的效果。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种电磁流量信号检测方法，包括以下步骤：

(1)、获取参考信号

在电磁流量计的励磁线圈上空绕多匝导线圈，当励磁线圈施加150Hz正弦波励磁信号时，从空绕的导线圈上获取感应电压信号r₁(t)，获取的感应电压信号r₁(t)与励磁信号同频同相，将感应电压信号r₁(t)作为一路参考信号，随后，将感应电压信号r₁(t)采集到电磁流量计的DSP，并通过电磁流量计的DSP产生一个与之正交的信号r₂(t)，作为另一路参考信号，表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1\left(t\right)=\cos wt\\ r_2\left(t\right)=\sin wt\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，w为励磁信号的角频率，励磁信号的频率为150Hz，t表示时间，参考信号的长度为T；

(2)、获取流量静止时的信号参数

励磁线圈施加励磁信号，励磁装置正常工作，并使待测流体充满测量管道，但控制流量控制阀使待测流体不流动；

采集此时的流体流量感应信号V₀(t)到电磁流量计的DSP，其长度也为T，同时利用式(3)，对V₀(t)进行相关函数的算法运算，具体运算过程如下：

$V_1\left(t\right)=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{V}_0\left(t\right)r_1\left(t\right)dt---\left(4\right);$

同样的，V₂(t)表达式可计算如下：

$V_2\left(t\right)=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{V}_0\left(t\right)r_2\left(t\right)dt---\left(5\right);$

(3)、获取流体流量信号

励磁线圈施加励磁信号，励磁装置正常工作，并使测量管道内的待测流体流动起来；

采集此时的流体流量感应信号V₀′(t)到电磁流量计的DSP，其长度也为T，同时利用式(3)，对流体流量感应信号V₀′(t)进行相关函数的算法运算，具体运算过程如下：

$y_1\left(t\right)=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{V}_0^{\′}\left(t\right)r_1\left(t\right)dt---\left(6\right);$

$y_2\left(t\right)=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{V}_0^{\′}\left(t\right)r_2\left(t\right)dt---\left(7\right);$

流体流量信号A的提取可以表示如下：

$A=\sqrt{{\left(y_1\right(t)-V_1(t\left)\right)}^2+{\left(y_2\right(t)-V_2(t\left)\right)}^2}---\left(8\right).$