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关于沥青电磁流量计测量过程中噪声产生的影响

   电磁流量计的测量通道是一段光滑的直管段,不会堵塞,非常适用于测量含有固体的固液两相流体, 且电磁流量计在检测时不会带来压力等外力作用,所以节能效果好。 电磁流量计采用法拉第电磁感应定律作为设计原理, 测量的体积流量基本上不受流体的密度、温度、压力、粘度和电导率变化的明显影响,且其口径范围选择余地大,流量测量范围宽,也可用于测量具有腐蚀性的液体。

    电磁流量计在测量液体时, 两个电极与被测液体相接触,这样可以更准确地测量由于外加激励而产生的电荷偏移。 流速为V 的流体在外加磁场的情况下,切割磁力线,向两个电极方向移动,形成电势差 E 。 但是在接触过程中,被测液体中混合的大小质量不均的固体颗粒在流体运动中,随机的冲撞电极,使得输出信号出现频繁的跳动,这种现象叫做浆状流体噪声,即浆液噪声 。

1、1/f 噪声的宏观说明

    浆液内部含有大量的纸浆或砂浆等大小不均的固体颗粒,浆液流动时,这些颗粒会冲撞到电磁流量计的测量电极上,使得测量电极产生一个突变信号, 大量的突变信号扰乱了正常的测量信号,原本应该平滑的感应电势叠加上噪声,使得流量测量产生偏差。

    将浆液噪声从流量信号里抽离出来, 并从频域的角度分析可知,浆液噪声的功率谱密度符合 1/f 噪声特性,即信号的功率谱能量分布和频率成反比。 功率谱分析表明浆液噪声的频率分布很宽,干扰的增益随着频率的升高而降低。图 1 为不含流量信号的浆液噪声时域图及其对应的功率谱密度图。

    对于 1/f 噪声的研究,现阶段常用的有两种方法:一种是,首先产生随机白噪声,再把白噪声通过一个高通滤波器,经过滤波的噪声可以近似看作是 1/f 噪声;另一种是,用状态机的方法经过复杂的运算得到,或者用一种需要复杂方法的模型得出 1/f噪声。

2、1/f 噪声的统计说明

    1/f 噪声在很多自然系统中都有出现,近些年来越来越多的人都试图用数学分析的方法说明这种现象, 但是所有的研究都还未达成统一,但是有一个共性是公认的,下面是本文对 1/f 的一种说明。

    设在一段时间内( t>0 ),浆液颗粒冲撞电极产生的噪声电压值的大小与冲撞电极的颗粒的大小(流体浓度)、力度(流体速度)、几何形状有关,假定将浆液颗粒分化为质量、形状统一的质点,浆液颗粒冲撞电极产生的噪声电压值正比于质点的数量,即在某一时刻 t ,产生的噪声值的幅值用质点的数量来描述。则浆液冲撞电极的随机过程为计数过程,若 N ( t )表示时刻t 为止累计的质点数量,则此过程满足以下条件:

    1 ) N ( t ) ≥0 ;

    2 ) N ( t )是正整数;

    3 )若 s<t ,则 N ( s ) <N ( t );

    4 )当 s<t , N ( t ) -N ( s )等于区间( s , t ]中质点的数量。

    由此可知,浆液冲撞电极产生的噪声,符合泊松过程,定义为

    其中 t<0 时, N ( t ) =0 。 将其做傅里叶变换,可得:

   其中, K 是与流速、浓度以及浆液颗粒形状有关的系数; 是表征噪声 1/f 特性的系数,通常 1<<2 ; S 为噪声序列中噪声频率 f 的统计幅值; T 是浆液颗粒冲撞电极的间隔时间。

   假设 y=log 10 S , b=log 10 K , kX=*log 10 T ,则统计功率谱在对数坐标系下,可将浆液噪声等效成 Y=b+kX 。 Y 正比于统计幅值, b 正比于流速和浓度, k 为浆液固有系数,表征不同种类的浆液。

   浆液噪声的幅值 V A 符合高斯分布,且高斯分布的均值 μ 和方差 σ 与 b 和 k 有关。 即高斯分布的均值增大,等效直线斜率增大,截距减小;高斯分布的方差增大,等效直线斜率减小,截距增大;幅值倍数增大,截距增大 [ 10 ] 。

4 实验验证

   根据以上关系,设计一种浆液噪声 M slurry ,此噪声由功率谱统计特性拟合的直线符合斜率为 k=-1.9 ,截距为 b=-52 。 噪声各频段斜率相近,整体波形随机曲折。

5 结束语

通过分析浆液噪声,可以得到以下结论:

   1 )根据浆液噪声的频谱特性的分析,此模型可用于在一定频谱范围内近似代替实际浆液噪声;

   2 )浆液噪声在对数坐标下,呈现 1/f 的特性,浓度增加或者流速增加,曲线上移,浓度下降或者流速降低,曲线下移;低频噪声能量高于高频噪声,高频段比低频段丰富。


 


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