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电磁流量计信号及其噪声特征分析

来源:作者:发表时间:2018-10-24 09:26:34

       电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表,它输出的微弱信号常被复杂的干扰所覆盖.传统信号处理电路配置硬件滤波器来滤除流量信号中的高频干扰,但硬件电路存在元件的非理想化会引入其他噪声和不能动态调节两个弊端.

 
针对硬件电路的不足引入了小波变换和MATLAB相结合的去噪算法.相比于传统傅里叶变换,小波变换在去除掉高频噪声的同时保留了信号的高频成分,其分辨率分析具有良好的时频特性.国内外学者们针对电磁流量计信号,提出了不同的去噪方法对其进行处理分析.用Haar小波对染噪信号进行不同尺度的滤波,可以得到较好的去噪效果[1-2];通过对浆液噪声的分析建模确立电磁流量计克服浆液噪声的有效方案,对浆液测量有促进作用[3-4];刘海波等[5]使用MATLAB和FDA TOOL等工具设计了工频陷波器,仿真表明该滤波器能很好消除某一固定频率的工频干扰,提高了电磁流量计的测量精度.田猛等[6]采用小波阈值去噪方法,将信噪比与均方根误差作为去噪效果的评价指标,并分析了小波基、阈值确定规则和分解尺度对去噪效果的影响.Wu等[7]提出了一种遗传自适应阈值法,它利用不同信号的MSE函数的估计函数得到最小MSE意义下的最优阈值.Liu等[8]分析了软硬阈值函数的优点与不足,通过对噪声方差估计算法和改进的小波阈值函数的分析,提出了一种新的小波阈值去噪方法.周真等[9]通过对流量计极间信号建模来分离干扰信号和流量信号.在传统电磁流量计励磁的基础上,黄志尧等[10]采用矩形波励磁来消除极化电压干扰和工频干扰.谢仕宏等[11]利用改变励磁频率和改变励磁方式,来克服电化学干扰.李斌等[12]提出了一种反馈式信号放大处理方法,使得流量信号在放大的过程中受到极小的干扰.以上方法能够有效去除信号干扰,但还存在许多待解决的问题,并没有广泛性.本研究引入一种改进的新阈值函数对电磁流量计输出的传感信号进行去噪处理,经实验仿真表明,这种方法对电磁流量计数据降噪效果显著,为提取较为纯净的电磁流量计信号提供了参考.
 
1 电磁流量计信号及其噪声特征分析
电磁流量计在其使用过程中会受到各个方面的干扰产生各种噪声,具体噪声模型如下:
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在众多噪声中,工频干扰通过采集数据对相位的选取可以消除,微分干扰只出现在励磁变化处,当励磁不变时,不存在微分干扰.低频同相干扰可以忽略不计.电化学干扰频带很宽,在低频和高频都有.
 
2 电磁流量计信号去噪算法模型
2.1 小波变换阈值降噪方法基本原理
传统的硬阈值函数去噪方法和软阈值函数去噪方法,其应用也极广,但不可忽视其缺点.
1)硬阈值函数
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硬阈值算法由于自身不连续的缺点,在去噪时产生“伪吉布斯现象”,丢失了许多原始信息[13].
2)软阈值函数
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软阈值处理后的小波系数与理论的小波系数存在固定误差,容易造成高频有用信息的遗失.
 
2.2 新型小波降噪方法阈值函数及阈值选取
许多学者对软、硬阈值函数采用改进算法[14-16].但这些阈值函数都是基于传统的阈值函数,仍然存在平滑度低且高阶不可导的不足.针对这些阈值函数的不足,本文选取了一种含有不同未知数的阈值函数,该阈值函数不仅介于软、硬阈值函数中间,同时集成了它们的优点,且添加了平滑过渡区.以此来解决传统两种阈值函数的不足.引入的新阈值函数[17]如下:
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