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漿液電磁流量計(jì)測(cè)量過(guò)程中噪音的影響

電磁流量計(jì)的測(cè)量通道是一段光滑的直管段，不會(huì)堵塞，非常適用于測(cè)量含有固體的固液兩相流體， 且電磁流量計(jì)在檢測(cè)時(shí)不會(huì)帶來(lái)壓力等外力作用，所以節(jié)能效果好。 電磁流量計(jì)采用法拉第電磁感應(yīng)定律作為設(shè)計(jì)原理， 測(cè)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(cè)量范圍寬，也可用于測(cè)量具有腐蝕性的液體。

電磁流量計(jì)在測(cè)量液體時(shí)， 兩個(gè)電極與被測(cè)液體相接觸，這樣可以更準(zhǔn)確地測(cè)量由于外加激勵(lì)而產(chǎn)生的電荷偏移。 流速為V 的流體在外加磁場(chǎng)的情況下，切割磁力線(xiàn)，向兩個(gè)電極方向移動(dòng)，形成電勢(shì)差 E 。 但是在接觸過(guò)程中，被測(cè)液體中混合的大小質(zhì)量不均的固體顆粒在流體運(yùn)動(dòng)中，隨機(jī)的沖撞電極，使得輸出信號(hào)出現(xiàn)頻繁的跳動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做漿狀流體噪聲，即漿液噪聲 。

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(dòng)時(shí)，這些顆粒會(huì)沖撞到電磁流量計(jì)的測(cè)量電極上，使得測(cè)量電極產(chǎn)生一個(gè)突變信號(hào)， 大量的突變信號(hào)擾亂了正常的測(cè)量信號(hào)，原本應(yīng)該平滑的感應(yīng)電勢(shì)疊加上噪聲，使得流量測(cè)量產(chǎn)生偏差。

    將漿液噪聲從流量信號(hào)里抽離出來(lái)， 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(hào)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(hào)的漿液噪聲時(shí)域圖及其對(duì)應(yīng)的功率譜密度圖。

對(duì)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(jī)白噪聲，再把白噪聲通過(guò)一個(gè)高通濾波器，經(jīng)過(guò)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(jī)的方法經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)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(jì)解釋

1／f 噪聲在很多自然系統(tǒng)中都有出現(xiàn)，近些年來(lái)越來(lái)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(dá)成統(tǒng)一，但是有一個(gè)共性是公認(rèn)的，下面是本文對(duì) 1／f 的一種解釋。

設(shè)在一段時(shí)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?。黧w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(diǎn)，漿液顆粒沖撞電極產(chǎn)生的噪聲電壓值正比于質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量，即在某一時(shí)刻 t ，產(chǎn)生的噪聲值的幅值用質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量來(lái)描述。則漿液沖撞電極的隨機(jī)過(guò)程為計(jì)數(shù)過(guò)程，若 N （ t ）表示時(shí)刻t 為止累計(jì)的質(zhì)點(diǎn)數(shù)量，則此過(guò)程滿(mǎn)足以下條件：

    1 ） N （ t ） ≥0 ；

    2 ） N （ t ）是正整數(shù)；

    3 ）若 s＜t ，則 N （ s ） ＜N （ t ）；

    4 ）當(dāng) s＜t ， N （ t ） －N （ s ）等于區(qū)間（ s ， t ］中質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量。

由此可知，漿液沖撞電極產(chǎn)生的噪聲，符合泊松過(guò)程，定義為

其中 t＜0 時(shí)， N （ t ） ＝0 。 將其做傅里葉變換，可得：

其中， K 是與流速、濃度以及漿液顆粒形狀有關(guān)的系數(shù)； 是表征噪聲 1／f 特性的系數(shù)，通常 1＜＜2 ； S 為噪聲序列中噪聲頻率 f 的統(tǒng)計(jì)幅值； T 是漿液顆粒沖撞電極的間隔時(shí)間。

假設(shè) y＝log 10 S ， b＝log 10 K ， kX＝*log 10 T ，則統(tǒng)計(jì)功率譜在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，可將漿液噪聲等效成 Y＝b＋kX 。 Y 正比于統(tǒng)計(jì)幅值， b 正比于流速和濃度， k 為漿液固有系數(shù)，表征不同種類(lèi)的漿液。

漿液噪聲的幅值 V A 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(xiàn)斜率增大，截距減??；高斯分布的方差增大，等效直線(xiàn)斜率減小，截距增大；幅值倍數(shù)增大，截距增大［ 10 ］ 。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上關(guān)系，設(shè)計(jì)一種漿液噪聲 M slurry ，此噪聲由功率譜統(tǒng)計(jì)特性擬合的直線(xiàn)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(jī)曲折。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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(shí)際漿液噪聲；

   2 ）漿液噪聲在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，呈現(xiàn) 1／f 的特性，濃度增加或者流速增加，曲線(xiàn)上移，濃度下降或者流速降低，曲線(xiàn)下移；低頻噪聲能量高于高頻噪聲，高頻段比低頻段豐富。