本文主要利用徑向基函數(shù)（RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 在溫度補(bǔ)償中的優(yōu)勢(shì)，分析不同溫度對(duì)氣體流量測(cè)量 的影響，設(shè)計(jì)一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償方 法，有效避免硬件電路補(bǔ)償方法的單一性和不穩(wěn)定 性，在降低成本的同時(shí)提高測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性。***終 采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)熱式氣體流量計(jì)的溫度補(bǔ)償 進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了溫度梯度變化下熱式氣 體流量計(jì)的高精度測(cè)量。

一、熱式流量計(jì)的工作原理及分類

  熱式流量計(jì)按結(jié)構(gòu)可以分為熱分布型和浸入型。 熱分布型熱式流量計(jì)將傳感元件放置于管道壁，傳感 元件經(jīng)過(guò)加熱溫度高于流體溫度，流體流經(jīng)傳感元件 表面導(dǎo)致上下游溫度發(fā)生變化，利用上下游溫度差測(cè) 量流體流量，一般用于微小流速氣體流量的測(cè)量。

  熱分布型熱式流量計(jì)的工作原理如圖1所示，傳 感元件由上游熱電阻、加熱器和下游熱電阻組成，力卩 熱器位于管道中心，使得傳感元件溫度高于環(huán)境溫 度，上游熱電阻和下游熱電阻對(duì)稱分布于加熱器的兩 側(cè)。圖1中曲線1所示為管道中沒(méi)有流體流過(guò)時(shí)傳感元 件的溫度分布線，相對(duì)于加熱器的上下游熱電阻溫度 是對(duì)稱的。當(dāng)有流體經(jīng)過(guò)熱式傳感元件時(shí)，溫度分布 為曲線2，顯然流體將上游部分的熱量帶給下游，導(dǎo)致 上游溫度比下游溫度低，上下游熱電阻的溫度差A(yù) T 反映了流體的流量，即。當(dāng)流體流速過(guò)大時(shí)， 上下游熱電阻的溫度差A(yù) r趨向于o，因此熱分布型熱 式流量計(jì)用于測(cè)量低流速氣體微小流量。氣體質(zhì)量流量qm可表示為

 浸入型熱式流量計(jì)的工作原理如圖2所示，一般 將兩個(gè)熱電阻置于中大管道中心，可測(cè)量中高流速流 體。一熱電阻通較小電流或不通電流，溫度為71;另一 熱電阻經(jīng)較大電流加熱，其溫度7；高于氣體溫度。管道 中有氣流通過(guò)時(shí)，兩者之間的溫度差為A7VTv-：T。氣體 質(zhì)量流量9m與加熱電路功率P、溫度差A(yù)71的關(guān)系式為

  式中:E——系數(shù)與流體介質(zhì)物性參數(shù)有關(guān)； D——與流體流動(dòng)有關(guān)的常數(shù)。

  如果保持加熱電路功率P恒定，這種測(cè)量方法為 恒功率法；如果保持溫度差A(yù)71恒定，這種測(cè)量方法為 恒溫差法，兩種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，使用時(shí)據(jù)具體 環(huán)境和需要而定。目前較普遍的是采用恒溫差法，由 于需要不同的應(yīng)用領(lǐng)域，恒溫差法已不適用于某些場(chǎng) 合的測(cè)量，因此恒功率法應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。恒溫 差法的基本原理是流體流過(guò)加熱的熱電阻表面使得 熱電阻表面的溫度降低，熱電阻的阻值變小。反饋電 路自動(dòng)進(jìn)行處理，通過(guò)熱電阻的加熱電流變大從而使 得熱電阻溫度升高，即可使得熱電阻與流體溫度差恒 定。通過(guò)測(cè)量傳感電路的輸出電流或輸出電壓便可獲 得流量值。恒功率法的基本原理是加熱功率為恒定 值，管道內(nèi)沒(méi)有流體流過(guò)時(shí)溫度差A(yù)71***大，當(dāng)流體流 過(guò)熱電阻表面時(shí)熱電阻與流體溫度差變小，通過(guò)測(cè)量 A71 便可得到流體流量。

二、基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償

  由熱式氣體流量計(jì)恒溫差法測(cè)量原理分析可知， 熱式氣體流量計(jì)在測(cè)量時(shí)，傳感器靈敏系數(shù)與流體 的熱傳導(dǎo)、密度、黏性等有關(guān)，而熱傳導(dǎo)、密度、黏性與 環(huán)境溫度有關(guān)，在溫度變化較大的情況下會(huì)導(dǎo)致流量 計(jì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。由測(cè)量電路可知，當(dāng)環(huán)境 溫度升高時(shí)，測(cè)速電阻變大，要保證惠斯通測(cè)量電橋 平衡，其加熱電流將隨著溫度的升高而變大，流量計(jì) 的輸出電壓也將增大。由此可得，當(dāng)沒(méi)有氣流變化 時(shí)，流量計(jì)測(cè)量結(jié)果會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而改變， 其輸出結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差或者錯(cuò)誤結(jié)果。所以，在 熱式氣體流量計(jì)測(cè)量氣體流量時(shí)，其溫度偏移現(xiàn)象普 遍存在。

1.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償原理 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償就是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼 近能力、泛化能力和自學(xué)習(xí)能力等特性，在不必建立

  傳感器輸出隨溫度變化的具體模型情況下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò) 學(xué)習(xí)訓(xùn)練即可模擬出輸入輸出的具體內(nèi)在聯(lián)系。溫度 補(bǔ)償原理框圖如圖3所示。

  RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型的輸入信號(hào)由氣體 流量計(jì)輸出電壓信號(hào)（和環(huán)境溫度電壓信號(hào)（仏) 組成，經(jīng)過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，消除環(huán)境溫度r對(duì) 測(cè)量結(jié)果的影響，輸出補(bǔ)償后的氣體流速值v/能較好 地逼近目標(biāo)值'進(jìn)而消除環(huán)境溫度變化影響，提高熱 式氣體流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

  RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種3層前饋局部逼近網(wǎng)絡(luò)，能 逼近任意連續(xù)函數(shù)，由輸入層、隱含層和輸出層組成。

  RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)***顯著的特點(diǎn)是隱含層采用高斯 RBF，即表示為

三、實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

1.樣本獲取與分析

  采用標(biāo)準(zhǔn)表法對(duì)熱式氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定，將標(biāo) 準(zhǔn)氣體流量計(jì)、熱式氣體流量計(jì)和溫度傳感器置于被 測(cè)環(huán)境中。

  標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)輸出對(duì)應(yīng)被測(cè)流速V；，熱式氣體 流量計(jì)輸出電壓Uv，溫度傳感器輸出電壓UT。實(shí)驗(yàn)在5 組不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行，分別在每種溫度下測(cè)量15 組不同氣體流量值。圖4為不同溫度下熱式氣體流量 計(jì)輸出的75組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布.

圖4不同溫度下流量計(jì)的輸出電壓與流速關(guān)系圖

  由圖4可知，在同一氣體流量情況下，熱式氣體流 量計(jì)的輸出隨著溫度的變化存在明顯的溫度漂移。因 此，建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型，可提高流量測(cè) 量準(zhǔn)確度。

溫度補(bǔ)償與效果分析

  根據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法原理對(duì)熱式氣體流量計(jì) 進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將實(shí)驗(yàn)中的55組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本， 20組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入層 選取2個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)熱式氣體流量計(jì)的輸出電壓 信號(hào)和溫度傳感器輸出電壓信號(hào)R，隱含層選取10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層選取1個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)高精度標(biāo)準(zhǔn)氣體流 量計(jì)輸出流速v。對(duì)熱式氣體流量計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ) 償效果如表1所示.

  圖5補(bǔ)償后溫度相對(duì)誤差圖 經(jīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償后熱式氣體流量計(jì)輸 出基本不隨溫度改變而變化，其誤差隨溫度變化曲線 如圖5所示，***大相對(duì)誤差為0.85%，有效提高了測(cè)量 準(zhǔn)確度.