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      基于電磁流量計測量漿液產生的漿液噪聲研究

      來源:作者:發表時間:2017-12-08 09:27:52

       摘要:電磁流量計在測量漿液時,會受到漿液噪聲的干擾,這種干擾是影響流量測量等指標的主要影響因素。 由大量實驗得知,漿液噪聲符合 1/f 噪聲特性,通過對 1/f 噪聲的理論分析和數學計算,可以得到漿液噪聲的數學模型。**后綜合漿液的物理特性,可以得到參數可控的漿液噪聲的仿真模型,該模型對噪聲研究和電磁流量計設計研發都具有一定的實際價值。

       
              電磁流量計的測量通道是一段光滑的直管段,不會堵塞,非常適用于測量含有固體的固液兩相流體, 且電磁流量計在檢測時不會帶來壓力等外力作用,所以節能效果好。 電磁流量計采用法拉第電磁感應定律作為設計原理, 測量的體積流量基本上不受流體的密度、溫度、壓力、粘度和電導率變化的明顯影響,且其口徑范圍選擇余地大,流量測量范圍寬,也可用于測量具有腐蝕性的液體。
       
              電磁流量計在測量液體時, 兩個電極與被測液體相接觸,這樣可以更準確地測量由于外加激勵而產生的電荷偏移。 流速為V 的流體在外加磁場的情況下,切割磁力線,向兩個電極方向移動,形成電勢差 E 。 但是在接觸過程中,被測液體中混合的大小質量不均的固體顆粒在流體運動中,隨機的沖撞電極,使得輸出信號出現頻繁的跳動,這種現象叫做漿狀流體噪聲,即漿液噪聲 。
       
      1、1/f 噪聲的宏觀解釋
              漿液內部含有大量的紙漿或砂漿等大小不均的固體顆粒,漿液流動時,這些顆粒會沖撞到電磁流量計的測量電極上,使得測量電極產生一個突變信號, 大量的突變信號擾亂了正常的測量信號,原本應該平滑的感應電勢疊加上噪聲,使得流量測量產生偏差。
       
              將漿液噪聲從流量信號里抽離出來, 并從頻域的角度分析可知,漿液噪聲的功率譜密度符合 1/f 噪聲特性,即信號的功率譜能量分布和頻率成反比。 功率譜分析表明漿液噪聲的頻率分布很寬,干擾的增益隨著頻率的升高而降低。圖 1 為不含流量信號的漿液噪聲時域圖及其對應的功率譜密度圖。
       
              對于 1/f 噪聲的研究,現階段常用的有兩種方法:一種是,首先產生隨機白噪聲,再把白噪聲通過一個高通濾波器,經過濾波的噪聲可以近似看作是 1/f 噪聲;另一種是,用狀態機的方法經過復雜的運算得到,或者用一種需要復雜方法的模型得出 1/f噪聲。
       
      2、1/f 噪聲的統計解釋
              1/f 噪聲在很多自然系統中都有出現,近些年來越來越多的人都試圖用數學分析的方法解釋這種現象, 但是所有的研究都還未達成統一,但是有一個共性是公認的,20171208092820.jpg下面是本文對 1/f 的一種解釋。
       
              設在一段時間內( t>0 ),漿液顆粒沖撞電極產生的噪聲電壓值的大小與沖撞電極的顆粒的大?。黧w濃度)、力度(流體速度)、幾何形狀有關,假定將漿液顆粒分化為質量、形狀統一的質點,漿液顆粒沖撞電極產生的噪聲電壓值正比于質點的數量,即在某一時刻 t ,產生的噪聲值的幅值用質點的數量來描述。則漿液沖撞電極的隨機過程為計數過程,若 N ( t )表示時刻t 為止累計的質點數量,則此過程滿足以下條件:
       
              1 ) N ( t ) ≥0 ;
              2 ) N ( t )是正整數;
              3 )若 s<t ,則 N ( s ) <N ( t );
              4 )當 s<t , N ( t ) -N ( s )等于區間( s , t ]中質點的數量。
              由此可知,漿液沖撞電極產生的噪聲,符合泊松過程,定義為:20171208092845.jpg
       
              其中 t<0 時, N ( t ) =0 。 將其做傅里葉變換,可得:
             

      20171208092905.jpg

       
      20171208092937.jpg
       
             其中, K 是與流速、濃度以及漿液顆粒形狀有關的系數;α 是表征噪聲 1/f 特性的系數,通常 1<α<2 ; S ( ω )為噪聲序列中噪聲頻率 f 的統計幅值; T 是漿液顆粒沖撞電極的間隔時間。
       
             假設 y=log 10 S ( ω ), b=log 10 K , kX=α*log 10 T ,則統計功率譜在對數坐標系下,可將漿液噪聲等效成 Y=b+kX 。 Y 正比于統計幅值, b 正比于流速和濃度, k 為漿液固有系數,表征不同種類的漿液。
       
             漿液噪聲的幅值 V A 符合高斯分布,且高斯分布的均值 μ 和方差 σ 與 b 和 k 有關。 即高斯分布的均值增大,等效直線斜率增大,截距減??;高斯分布的方差增大,等效直線斜率減小,截距增大;幅值倍數增大,截距增大 [ 10 ] 。
       
      4 實驗驗證
             根據以上關系,設計一種漿液噪聲 M slurry ,此噪聲由功率譜統計特性擬合的直線符合斜率為 k=-1.9 ,截距為 b=-52 。 噪聲各頻段斜率相近,整體波形隨機曲折。
      實際噪聲和模擬噪聲線性擬合對比
      實際噪聲和模擬噪聲功率譜密度對比
       
      5 結束語
      通過分析漿液噪聲,可以得到以下結論:
             1 )根據漿液噪聲的頻譜特性的分析,此模型可用于在一定頻譜范圍內近似代替實際漿液噪聲;
             2 )漿液噪聲在對數坐標下,呈現 1/f 的特性,濃度增加或者流速增加,曲線上移,濃度下降或者流速降低,曲線下移;低頻噪聲能量高于高頻噪聲,高頻段比低頻段豐富。
       
      參考文獻
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      [ 2 ]吳瑞基 . 電磁流量計干擾的分析及對策[ J ] . 電工技術, 2008 ( 3 ): 62-64
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      [ 4 ]李斌,陳潔,徐濤平,等 . 勵磁線圈的快速恒流勵磁裝置及其控制方法: CN103595319A [ P ], 2014
      [ 5 ]王威濤 . 流量信息處理單元若干關鍵技術的研究[ D ] . 天津:天津大學, 2014
      [ 6 ]李斌,曹金亮,史驥 . 電磁流量計信號放大處理方法: ZL 2005100284.8
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      [ 10 ]鄧澤懷,劉波波,李彥良 . 常見的功率譜估計方法及其 Matlab 仿真
      [ J ] . 電子科技, 2014 , 27 ( 2 ): 50-52
       
      編輯:電磁流量計,版權:上海大學機電工程與自動化學院 高 明 李 斌 ,轉載請注明版權。
      日日干夜夜操

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