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(shù)學(xué)計算,可以得到漿液噪聲的數(shù)學(xué)模型。最后綜合漿液的物理特性,可以得到參數(shù)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(shè)計研發(fā)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因體的固液兩相流體，且電磁流量計在檢測時不會帶來壓力等外力作用。所以節(jié)能效果好1。電磁流量計采用法拉第電磁感應(yīng)定律作為設(shè)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(dǎo)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(chǎn)生的電荷偏移回。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(zhì)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(xiàn)頻繁的跳動，這種現(xiàn)象叫做漿狀流體噪聲。即漿液噪聲4。
1.1/f噪聲的宏觀解釋
漿液內(nèi)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,這些顆社會沖撞到電磁流量計的測量電極上,使得測量電極產(chǎn)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(yīng)該平滑的感應(yīng)電勢疊加上噪聲，使得流量測量產(chǎn)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(yīng)的功率譜密度圖6]。。
對于1/f噪聲的研究,現(xiàn)階段常用的有兩種方法:一種是，首先產(chǎn)生隨機白噪聲,再把白噪聲通過一個高通濾波器,經(jīng)過濾波的噪聲可以近似看作是1/f噪聲;另一種是,用狀態(tài)機的方法經(jīng)過復(fù)雜的運算得到,或者用一種需要復(fù)雜方法的模型得出1/f噪聲。
2.1/f噪聲的統(tǒng)計解釋
1/f噪聲在很多自然系統(tǒng)中都有出現(xiàn)，近些年來越來越多的.人都試圖用數(shù)學(xué)分析的方法解釋這種現(xiàn)象，但是所有的研究都還未達成統(tǒng)一7,但是有一個共性是公認的,
。下面是本文對1/f的一種解釋。
設(shè)在一段時間內(nèi)(t>0),漿液顆粒沖撞電極產(chǎn)生的噪聲電壓值的大小與沖撞電極的顆粒的大小(流體濃度)、力度(流體速度).幾何形狀有關(guān),假定將漿液顆粒分化為質(zhì)量、形狀統(tǒng)一的質(zhì)點,漿液顆粒沖撞電極產(chǎn)生的噪聲電壓值正比于質(zhì)點的數(shù)量,即在某一時刻t,產(chǎn)生的噪聲值的幅值用質(zhì)點的數(shù)量來描述間。
則漿液沖撞電極的隨機過程為計數(shù)過程,若N(t)表示時刻t為止累計的質(zhì)點數(shù)量,則此過程滿足以下條件:
其中,K是與流速、濃度以及漿液顆粒形狀有關(guān)的系數(shù);a是表征噪聲1/f特性的系數(shù),通常1<α<2;S(?)為噪聲序列中噪聲頻率f的統(tǒng)計幅值;T是漿液顆粒沖撞電極的間隔時間。
假設(shè)y=log10S(?),b=log10,K,kX=α*log10T,則統(tǒng)計功率譜在對數(shù)坐標系下，可將漿液噪聲等效成Y=b+kX。Y正比于統(tǒng)計幅值,b正比于流速和濃度,k為漿液國有系數(shù),表征不同種類的漿液。
漿液噪聲的幅值VA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(guān)。即高斯分布的均值增大,等效直線斜率增大,截距減小;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(shù)增大,截距增大。
4實驗驗證
根據(jù)以上關(guān)系,設(shè)計一種漿液噪聲Msun,此噪聲由功率譜統(tǒng)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。
實驗結(jié)果如表1,Data1和Data2為實際噪聲測得的數(shù)據(jù)。
5結(jié)束語
通過分析漿液噪聲,可以得到以下結(jié)論:
1)根據(jù)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(nèi)近似代替實際漿液噪聲;
2)漿液噪聲在對數(shù)坐標下,呈現(xiàn)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.
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