熱式氣體流量計(jì)廠家如何對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償
本文主要講解熱式氣體流量計(jì)廠家如何對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，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，加熱器位于管道中心， 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 T反映了流體的流量，即 T=f（m）。 當(dāng)流體流速過(guò)大時(shí)，上下游熱電阻的溫度差 T趨向于0，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)量流式中：Cp—流體介質(zhì)的定壓比熱容；A—熱傳導(dǎo)系數(shù)；K—儀表系數(shù)。
| 量qm可表示為 | ||
| A | ||
| qm=K Cp | T | （1） |
| 圖 | 1 | 熱分布型熱式流量計(jì)的工作原理 |
| P/ T=D+EqmK | （2） |
圖2 浸入型熱式流量計(jì)的工作原理
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 T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 T***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T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
圖3 熱式氣體流量計(jì)溫度補(bǔ)償原理框圖
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)（Uv）和環(huán)境溫度電壓信號(hào)（UT）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T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v，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 | |||
| Φi（x）=exp〔 | (x-ci)T(x-ci) | 〕，i=1，2，……，q | （3） | |
| 2σi2 | ||||
式中：Φi—第i個(gè)隱節(jié)點(diǎn)的輸出；σi—標(biāo)準(zhǔn)偏差；ci—高斯函數(shù)的中心值；q—隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
輸出層節(jié)點(diǎn)采用線性激活函數(shù)
m
yj=∑wijΦi（x）-bj，j=1，2，……，n （4）
i=1
式中：yj—第j個(gè)輸出層節(jié)點(diǎn)的輸出；wij —第i個(gè)隱含層到第j個(gè)輸出層的權(quán)值；bj—第j個(gè)輸出層節(jié)點(diǎn)的閾值；n——輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。 定義誤差函數(shù)為
| k | 1 | k | |
| J=∑Ji= | ∑（ti-yi） | （5） | |
| 2 | |||
| i | i |
式中：k——網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本總數(shù)；ti、yi—在樣本i的期望輸出和實(shí)際輸出。
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。
2.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)Uv和溫度傳感器輸出電壓信號(hào)UT，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。
表1 測(cè)試數(shù)據(jù)的補(bǔ)償結(jié)果
圖5 補(bǔ)償后溫度相對(duì)誤差圖
應(yīng)力式渦街流量計(jì)是速度式流量計(jì)的一種，它以卡門渦街理論為基礎(chǔ)，采用壓電晶體檢測(cè)流體通過(guò)管道內(nèi)三角柱時(shí)所產(chǎn)生的旋渦頻率，從而測(cè)量出流體的流量。渦街流量計(jì)廣泛應(yīng)用于石油、化工、動(dòng)力供熱等行業(yè)。
渦街流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：
測(cè)量精度高，量程寬；
測(cè)量介質(zhì)廣泛，可測(cè)量液體，氣體和蒸汽；
工作溫度高，介質(zhì)溫度可達(dá)350度；
無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)磨損，可靠性高；
表體采用不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕。
熱式氣體流量計(jì)廠家價(jià)格：
| 價(jià)格 |
¥ 590.00 — ¥ 5570.00
|
| 起批量 | ≥1 臺(tái) |
熱式氣體流量計(jì)廠家參數(shù)：
| 加工定制 | 是 | 品牌 | 華云 | 型號(hào) | LWGY |
| 類型 | 葉輪式流量計(jì) | 測(cè)量范圍 | 0-10000（m3/h）（m3/h） | 精度等級(jí) | 0.5 |
| 公稱通徑 | DN15（mm）（mm） | 適用介質(zhì) | 水，油 | 工作壓力 | 1.6（MPa）（MPa） |
| 工作溫度 | 0-80（℃）（℃） | 規(guī)格 |
DN4脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN6脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN10脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN15脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN20脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN25脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN32脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN40脈沖輸出螺紋法蘭無(wú)顯,DN50脈沖輸出螺紋法蘭無(wú)顯,DN65脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN80脈沖輸出螺紋安裝無(wú)顯,DN100脈沖輸出螺紋安裝無(wú),DN125脈沖輸出,DN150脈沖輸出法蘭安裝無(wú),DN200脈沖輸出法蘭安裝無(wú),485通訊加價(jià),鋰電池供電就地顯示加價(jià),HART型加價(jià),4-20mA輸出帶顯示另加,鋰電池供電就地顯示 |
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。