介绍在电磁流量计中引入互相关算法,滤掉噪声干扰,提高信号的稳定性改善低流速性能        1 引言     用互相关算法去除噪声在信号处理中是一种十分有效的手段,在电磁流量计中借助这种算法同样收到了明显的效果.如果加上常规的滤波算法,会有较理想的低流速测量精度和稳定性.它的不足之处是运算量太大,用16位带硬件乘法器的单片机,完成此项工作时仍嫌响应时间不够快,并且还要加上外部RAM（目前的滤波算法是在32位微处理器ARM7上进行的,响应时间很快）.但随着新器件的应用,这个问题可以很快解决,互相关算法肯定也会得到越来越多的应用. 电磁流量计在低速测量时,稳定性和精确性都不太理想,目前工业中使用的电磁流量计通常为0.5级,在0.2m/s流速下,精确度一般下降到2.0级,并且波动明显.有些表在0.1m/s流速时已经不能正常读数,此类现象由管路、介质和电路、电源等引入的干扰造成.由于干扰来源复杂,且频率范围较宽,所以仅用低通滤波等常规方法效果不明显,随着滤波器截止频率的下降,响应特性明显变坏,而较新的一些滤波算法[1,2],对于三态波信号的边沿会产生较大失真.我们在试用互相关算法[3,4]去除干扰时,发现除了计算量很大之外,对信噪比和稳定性都有较大改善,在低流速下也同样很有效.     2 互相关检测的原理     如果存在两个连续的随机过程,当它们是实函数且为周期函数时,两个函数的相关函数可定义为.                  （1）     通常计算时,由t=0开始,因此式（1）可写成.                    （2）     如果x（t）、y（t）不是同一信号则称Rxy（τ）为互相关函数.在实际电路中,信号x（t）、y（t）都是含有噪声的信号.设.     x（t）=X（t）+n1（t）           （3）     y（f）=Y（t）+n2（t）           （4）     式中.X（t）、Y（t）— 纯净信号.n1（t）、n2（t）— 噪声信号.     将式（3）、式（4）代入式（2）中,则有.     （5）     由于信号与噪声之间、n1（t）与n2（t）之间没有相关性,所以式（5）中第2、3、4项为0,仅留下第1项,即x（t）、y（t）中纯净信号部分的互相关函数.这就是互相关检测滤除噪声的原理.     3 如何在实际应用中引入互相关算法     我们研制的电磁流量计是用典型的结构和三态激磁,其信号波形如图1所示.     图1中正负方波的平均幅值约0.5V,噪声干扰波动峰峰值在0.16V,放大器总放大倍数最高约5000倍.     具体实现中遇到的第一个问题是如何确定采样频率.根据高速采样求流速信号频谱（存储式示波器有此功能）可知,流速信号噪声中高于10kHz的频谱幅值很小,噪声频谱幅值较大的部分都在5kHz以下,因此带宽上限选择5 kHz.为了更好地体现噪声原貌,采样频率至少要大于10倍上限值,即50 kHz.实际采样频率是50~100kHz,主要是看RAM容量大小,若容量很大就取100kHz,否则可以取得小些,最小取到过10kHz,但效果不太好.根据互相关检测原理,信号x（t）、y（t）应该是相关的,而x（t）、y（t）自身所含噪声与信号之间是不相关的,两个不同的噪声信号之问也是不相关的.这里不妨将信号波形的正半周A（t）和C（t）看作x（t）和y（t）,当A（t）和C（t）的取值时刻相距足够远时,可以认为A（t）、C（t）所含噪声信号之间是不相关的.而从A（t）、C（t）的平均值和时间宽度这两个特征来看,A（t）、C（t）的信号部分是紧密相关的,因此我们可以用互相关算法对信号进行处理.         采样频率确定后就要将互相关函数离散化.互相关函数离散化后的表达式为.          式中.iΔ— A/D采样的间隔.N— 积分区间的数据采集个数,采集频率为100kHz,iΔ=10μs,积分区间为20ms时,N =2000.     第二个问题是是A（t）、C（t）、τ的时间长度的选取.为了使互相关运算后的幅值、波形形状与原信号的平均值和波形形状相似,A（t）的时间长度取为原始长度,C（t）的时间长度取为t1/2,τ的长度取为t1/2.运算后的相关函数波形用12位D/A输出,波形如图2所示.从示波器上观察,互相关函数RAC（τ）的波动值只有15mV,而信号所含原始噪声为145mV左右,信噪比提高了近10倍.需要指出的是,t1=40ms,τ=20ms,它们是工频的整数倍.因此,如果想进一步去掉与工频有关的干扰噪声,只要对RAC（τ）值再做一次求平均,这样不但工频干扰去掉了,噪声波动值进一步下降到7mV左右（取50组数据比较）.     第三个问题如何确定A（t）、C（t）的时间间隔.理论上讲A（t）、C（t）的噪声是不相关的,而实际上某些特定频率的干扰信号却是相关的,这些噪声中有些与A（t）、C（t）的时间间隔取值大小关系不大,如工频50Hz和100Hz属于这样的噪声.实际取值是以激磁中两个同向方波出现的时间间隔作为A（t）、C（t）的取值间隔,一般是160~200ms.虽然间隔取大些可以保证噪声之间的不相关性,对除去噪声有好处,但如果太大实时性会变差.     4 实验结果     流速信号的方波幅值的最大值为2.4V,对应10m/s流速.0.1m/s流速对应24mV电压.未经运算处理时,原始噪声电压幅值在145mV左右,在示波器上看不出0.1m/s时的有用信号,只有噪声信号.经过互相关运算后的波形尽管仍有15mV的波动值,但0.1m/s的信号可以清楚地看到,且比较稳定.     表1给出的是流量仪表未经校正系数校正的原始精度.表2给出的是用4点校正后的精度,校正点分别为8m/s、2m/s、0.5m/s、0.2m/s,实际上用标准罐标定时,不一定正好在这4个点上,大致是流速上限的80%、40%、10%、5%、2% ,共5个点.因为在标定点的误差可以做得很小,但离开标定点误差肯定要大些,这样取值更接近实际运行情况,被标仪表直径Φ=100 mm.     表1 仪表原始精度 流速/m·s-1 标准罐/m3·h-1 被测表/m3·h-1 示值误差(原始) 7.89 222.93 223.35 +0.0019 4.15 117.34 117.62 +0.0024 1.07 30.26 30.47 +0.0069 0.527 14.91 15.01 +0.0067 0.155 4.381 4.335 -0.0105     表2 仪表4点校正后精度 流速/m·s-1 标准罐/m3·h-1 被测表/m3·h-1 示值误差(原始) 仪表系数 7.89 222.93 223.90 0.00013 0.998 4.15 117.34 117.26 0.00068 0.997 1.07 30.26 30.31 0.00165 0.995 0.527 14.91 14.90 0.00067 0.993 0.155 4.381 4.359 0.00503 1.005    介绍在电磁流量计中引入互相关算法,滤掉噪声干扰,提高信号的稳定性,从而使电磁流量计在低流速测量时,性能有较大改善的具体实现方法.在低流速时能够稳定地显示数据,且精度可在0.5%左右.该方法在工业产品中已得到成功应用.   推荐产品.电磁流量计,压力变送器,新型靶式流量计,超声波流量计,涡街流量计,涡轮流量计,热电偶.