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          智能電磁流量計

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          智能電磁流量計的幾種測量方法分析及改進措施

          來源:作者:發表時間:2019-07-31 16:43:12

          摘要:流量是工業測控領域十分重要的檢測參數,其中相位差的測量精度是影響流量測量精度的關鍵因素之一。首先介紹了頻譜分析法、相關分析法、希爾伯特變換法三種智能電磁流量計中常用的相位差測量方法的基本原理,然后分別對其進行了誤差分析,針對三種方法均存在非整周期采樣問題,提出了一種抑制非整周期采樣的辦法,并詳細闡述了改進措施的具體實現步驟。仿真分析了各種方法的優缺點,并對改進前后方法進行了對比分析,以證實改進措施的有效性。

          0引言

          流量檢測是工業領域不可或缺的技術基礎,流量計量的安全性、可靠性、準確性,與國防建設、經濟發展、科學研究均有著十分密切的關系。智能電磁流量計種類繁多,其中科氏流量計是當前使用較多的一類流量計。科氏流量計通過計算振動管兩側傳感器的輸出信號的相位差(時間差)來測量流體質量流量。由于具有測量精度高,不受介質參數影響,適用范圍廣,安裝簡便,易于維護和保養等一系列優點,已廣泛應用于生產生活的各個方面。隨著科學技術的不斷發展,對流量測量精度的要求也在不斷提高。為此,如何快速準確高精度測量相位差,進而達到提高流量測量精度的目的,是當前研究的熱點課題[1-2]。

          相位差測量方法很多,其中相關分析法通過兩路同頻信號延時為零處的互相關函數值來計算相位差[3],要求對信號整周期采樣。為提高非整周期采樣下的相位差測量精度,相繼提出了多種新算法,如插值法[4]、多重互相關法[5]等,但均存在計算量較大,且未能完全克服非整周期采樣影響的問題。頻譜分析法通過傅里葉變換得到離散頻譜,分別計算兩路信號最大譜線位置的相位,相減之后即可求得相位差[6],也要求對信號整周期采樣。為提高非整周期采樣下的相位差測量精度,通常利用插值或加窗等措施來抑制頻譜泄漏影響,如比值法[7]、相位差校正法[8]等。盡管這些方法取得了一定效果,但并未真正解決頻譜泄漏的根本問題。頻譜泄漏的根本原因是DFT計算窗內的采樣點數不為整周期長度。希爾伯特變換法通過對兩路同頻正弦信號及其希爾伯特變換后的信號進行運算后,只得到關于信號相位角的時間函數,相減之后即可得到相位差[9]。通常通過多次運算或變換來達到提高相位差測量精度的目的,但這些方法都忽略了端點效應,其根本原因也在于非整周期采樣的影響。

          本文主要介紹了智能電磁流量計中常用的頻譜分析法、相關分析法、希爾伯特變換法三種相位差測量方法,在闡述測量原理的基礎上,進一步對相位差測量誤差進行分析,進而提出相應的改進措施。詳細闡述了抑制非整周期采樣的具體實現步驟,并對改進前后的相位差測量方法進行了仿真分析,以證實改進措施的有效性。

          1三種常用的相位差測量方法

          1.1相關分析法

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          當N為整周期采樣時,式(6)~(8)中的下劃線部分均為0,代入式(5)可準確求得相位差;當N不為整周期采樣時,式(6)~(8)中的下劃線部分均不為0,代入式(5)會產生較大誤差,說明非整周期采樣是影響相關法相位差測量精度的主要原因。

          1.2頻譜分析法

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          當信號頻率等于分析頻率ωk0時,通過第k0個濾波器組的增益就為1,通過其余濾波器組的增益就為0,此刻DFT輸出能準確反映信號實際頻率成分。若信號頻率不等于任一分析頻率ωk0時,通過各等效濾波器組的增益均不為0,就會造成頻譜泄漏[10]。在求取最大譜線處的初相時,會存在較大誤差,進而求取相位差也會存在較大誤差。其根本原因仍是DFT計算窗內的采樣點數不為整周期長度,說明非整周期采樣也是影響FFT法相位差測量精度的主要原因。

          20190731164851.jpg

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          希爾伯特變換產生900共軛信號的這一過程,就是通過“傅里葉變換—雙邊譜對折為單邊譜—傅里葉逆變換”這一變換過程求得的。信號在非整周期采樣情況下進行DFT變換,將會出現頻譜泄漏問題,將單邊譜進行DFT逆變換時,由于無法抵消頻譜泄漏造成的誤差影響,反映在時域波形上,會導致求得的共軛信號產生失真現象,主要集中體現在信號兩端,也就是所謂的“端點效應”問題,進而說明非整周期采樣也是影響Hilbert變換法相位差測量精度的主要原因。

          2改進措施

          噪聲無處不在,噪聲會對參數估計精度產生影響,上述誤差分析中均未探討噪聲的影響,本文僅就非整周期采樣問題進行探討研究。

          如第1節所述,3種相位差測量方法均受非整周期采樣的影響,為此,本文提出一種數據延拓方法,以達到抑制非整周期采樣,提高相位差測量精度的目的。具體實施步驟如下:

          20190731165000.jpg

          上述數據延拓方法即為本文所提的抑制非整周期采樣的辦法。本文介紹的3種測量方法均可按上述過程實施,然后分別采用傳統計算公式進行計算,均可明顯提高原有方法的相位差測量精度。

          3仿真分析

          為檢驗所提方法的實際效果,在MATLAB環境下,分別對3種方法改進前后進行了測試分析。兩路同頻正弦信號分別為:

          20190731165020.jpg

          式中,信號頻率為100Hz,采樣頻率為2000Hz。

          3.1相關法延拓前后的結果分析

          為分析相關法延拓前后在非整周期采樣點數下的相位差測量精度,在信噪比SNR=20dB,采樣點數N在30~60之間變化情況下進行仿真實驗,仿真結果如圖1所示。

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          由圖1可知,相關法延拓前的相位差測量精度受采樣點數是否整周期長度的影響,在整周期長度時的相位差測量精度最高,曲線呈周期震蕩衰減趨勢,隨著采樣點數的增加,會逐漸提高相位差測量精度,但當采樣點數增加到一定數量時,再增加采樣點數也不會明顯改善相位差的測量精度。相關法延拓后的相位差測量精度近似一條直線,始終處于延拓前方法測量曲線的下面,說明延拓后的相位差測量精度不受采樣點數是否整周期長度的影響,具有較高的相位差測量精度。

          3.2FFT法延拓前后的結果分析

          為分析FFT法延拓前后在非整周期采樣點數下的相位差測量精度,在信噪比SNR=20dB,采樣點數N=64情況下進行仿真實驗,仿真結果如圖2所示。

          由圖2可知,FFT法延拓前的頻率估計存在較大誤差,頻譜泄漏較為嚴重;通過數據延拓后較好地抑制了頻譜泄漏的影響,頻率估計精度較高。在延拓前最大譜線處求取的相位差為31.440,在延拓后最大譜線處求取的相位差為30.080。進而說明延拓后具有較高的相位差測量精度,相位差測量精度不受采樣點數是否整周期長度的影響。

          3.3Hilbert變換法延拓前后的結果分析

          為分析Hilbert變換法延拓前后在非整周期采樣點數20190731165100.jpg下的相位差測量精度,在信噪比SNR=20dB,采樣點數N=64情況下進行仿真實驗,仿真結果如圖3所示。

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          由圖3可知,Hilbert變換法延拓前的相位差測量值在兩端存在較大誤差,存在端點效應,延拓后的相位差測量值趨于平穩,不存在端點效應,其原因為:采用數據延拓的方法,將采樣點數調整為整周期長度,克服了相位差測量精度受采樣點數非整周期長度的影響。

          4結論

          為提高智能電磁流量計中傳統相位差測量方法的相位差測量精度,從頻譜分析法、相關分析法、希爾伯特變換法的基本原理出發,通過闡述相位差測量存在誤差的主要原因是采樣點數非整周期長度的影響,進而提出通過利用已有數據進行數據延拓來抑制非整周期采樣的辦法,詳細給出了方法實施的具體步驟,并進行了延拓前后相位差測量的仿真分析。

          結果表明,本文所提方法無需先驗信息,不受是否整周期采樣影響,始終保持較高的相位差測量精度,文中介紹的三種相位差測量方法均適用,具有一定的普適性。此外,頻譜分析法在信噪比較低時的優勢較為突出;Hilbert變換法的動態特性較為明顯;相關法兼顧了兩者的優點,適用于信噪比較高的場合。

          由于本文未深入探討噪聲對相位差測量精度的影響,在今后研究中,可結合增強抗噪性能措施,達到共同提高相位差測量精度的目的,具有一定的參考價值。在下一步的研究中,也將對所提方法進行智能電磁流量計的實驗驗證,進而證實所提方法在智能電磁流量計中的實際作用。

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