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當(dāng)前，氣體流量的準(zhǔn)確計(jì)量越來(lái)越受到重視。檢定氣體流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置種類(lèi)多樣，使用較普遍的有PVTt法、標(biāo)準(zhǔn)體積管法、鐘罩法、音速噴嘴法等。其中，PVTt法和標(biāo)準(zhǔn)體積管法通常僅在流量?jī)x表研究機(jī)構(gòu)和計(jì)量部門(mén)設(shè)置，用來(lái)校驗(yàn)其他標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)；鐘罩法由于體積有限，主要適用于小流量、低差壓和小管徑的氣體儀表檢定；音速噴嘴法結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]。本文介紹一種基于標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器組合比較法的氣體流量自動(dòng)檢定裝置， 由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，很多中小流量?jī)x表生產(chǎn)企業(yè)都可采用。作為貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量?jī)x表，需要定期復(fù)檢，大量?jī)x表的復(fù)檢費(fèi)用也是很大一筆開(kāi)支，因此，熱力公司、天然氣公司等大宗氣體流量計(jì)用戶都可以依本文所介紹的方法，建造自己的流量計(jì)檢定裝置。

    1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    在該檢定裝置中，計(jì)算機(jī)通過(guò)串行口與變頻器進(jìn)行通信，控制鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的氣體流量，依次經(jīng)過(guò)串聯(lián)在一起的標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器組合、被校表，以及各自的壓力傳感器和溫度傳感器，經(jīng)出風(fēng)口排空。管道的安裝應(yīng)符合流量?jī)x表對(duì)前后直管段的要求。傳感器把流量、溫度、壓力等必需的校驗(yàn)信號(hào)分別經(jīng)數(shù)字量數(shù)據(jù)采集卡和模擬量數(shù)據(jù)采集卡送人計(jì)算機(jī)中，按照流量?jī)x表的檢定規(guī)程，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并控制出風(fēng)口的閥門(mén)開(kāi)度和鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量，從而對(duì)不同流量點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)氣體流量?jī)x表的自動(dòng)檢定。完整的系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

    2 硬件設(shè)計(jì)

    2.1 標(biāo)準(zhǔn)表選擇

    渦街流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 內(nèi)部無(wú)可動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)，量程比大，重復(fù)性好，壓損小，耐高溫，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在蒸汽、天然氣及其他氣體的流量計(jì)量中廣泛使用。目前，我國(guó)的氣體渦街傳感器的標(biāo)準(zhǔn)度一般在0.5級(jí)~1級(jí)的水平上，從準(zhǔn)確度的水平上看，無(wú)法作為0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用，但是這類(lèi)儀表的范圍度很寬，一般都在10:1-15:1左右，而且重復(fù)性很好，均在0.2%以內(nèi)，甚至于更高， 如采用壓縮范圍度在定點(diǎn)標(biāo)定是提高準(zhǔn)確度的有效方法。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院蘇彥勛研究員的大量試驗(yàn)研究工作的結(jié)果表明，若范圍度壓縮到2:1或3:1以內(nèi)，在定點(diǎn)標(biāo)定均能滿足要求，因此使用該傳感器標(biāo)準(zhǔn)建立氣體流量裝置是可行的。該裝置由7臺(tái)口徑為DN=40~150mm的標(biāo)準(zhǔn)傳感器并聯(lián)組合與被檢測(cè)的傳感器（DN=50~250mm）比較。裝置管路按對(duì)角線方向平行排列，既節(jié)省原材料，降低了造價(jià)，又恰好滿足各種口徑傳感器前直段的要求（根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ZBN12005- 1989或規(guī)程JJG643-1994）—標(biāo)準(zhǔn)傳感器前直管段長(zhǎng)大于50DN，被檢測(cè)傳感器前直管段長(zhǎng)大于20DN，使阻力損失降到最小值。用原流量標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)裝置定點(diǎn)檢定標(biāo)準(zhǔn)表，其基本誤差均不超過(guò)±0.2%，符合標(biāo)準(zhǔn)表法裝置要求。為提高裝置精度，可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。裝重置的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    2.2 數(shù)據(jù)采集卡

    目前，市場(chǎng)上的數(shù)據(jù)采集卡種類(lèi)繁多，根據(jù)本裝置的要求，選購(gòu)時(shí)應(yīng)注意：

    ① 安全要求。為實(shí)現(xiàn)與被測(cè)對(duì)象和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的電氣隔離，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和自我保護(hù)能力，應(yīng)選擇帶有光電隔離功能的數(shù)據(jù)采集卡。這樣，可以確保由于意外接入高電壓信號(hào)時(shí)，不會(huì)損壞數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。
    ② 信號(hào)類(lèi)型。檢定裝置中，計(jì)算機(jī)要處理模擬量和數(shù)字量二類(lèi)信號(hào)，因此必須考慮數(shù)據(jù)采集卡所能接受的信號(hào)類(lèi)型，且要注意輸入信號(hào)通道數(shù)量。
    ③ 計(jì)數(shù)功能。由于檢定軟件主要是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表、被校表的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此必須選用帶有硬件計(jì)數(shù)功能的數(shù)據(jù)采集卡，即該卡帶有8254可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器芯片，可以大大方便相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。
    ④ A/D，D/A的精度。根據(jù)對(duì)模擬量信號(hào)的不同要求，應(yīng)選用相應(yīng)位數(shù)的A/D，D/A轉(zhuǎn)換精度的采集卡，一般要求12位。
    ⑤ 總線插槽。根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)總線插槽的類(lèi)型，選用PCI類(lèi)型卡還是ESA類(lèi)型卡。

    另外，還應(yīng)考慮價(jià)格因素。不同公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，價(jià)格相差懸殊，在滿足上面要求的前提下，可以選擇價(jià)格適中的采集卡。

    2.3 溫度、壓力傳感器

    氣體的體積與溫度、壓力等參數(shù)有密切的關(guān)系，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)表和被校表測(cè)得的氣體流量，必須進(jìn)行相應(yīng)的溫度、壓力補(bǔ)償，因此本檢定裝置中，在標(biāo)準(zhǔn)表和被校表的前后，分別安裝溫度傳感器和壓力傳感器�？紤]到要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，應(yīng)選用可以將溫度、壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。在此選用轉(zhuǎn)換為4~20mA的傳感器，經(jīng)250Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻器轉(zhuǎn)換為1~5V后，輸入模擬量數(shù)據(jù)采集卡，被計(jì)算機(jī)接收和處理。

    2.4 其他硬件設(shè)備

    鼓風(fēng)機(jī)應(yīng)根據(jù)所需的最大氣體流量選擇合適的型號(hào)。變頻器應(yīng)根據(jù)電壓、電流等參數(shù)選擇。閥門(mén)控制器和調(diào)節(jié)閥按照要求選擇即可。

    3 軟件設(shè)計(jì)

    3.1 編程軟件平臺(tái)的選擇

    由于Visual C++開(kāi)發(fā)工具是非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮某绦?span id="6accmyci" class="showtag">設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有功能強(qiáng)大，程序開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，功能擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為Windows系統(tǒng)平臺(tái)上非常強(qiáng)大的、極具生命力的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具， 因此本系統(tǒng)的軟件也采用該開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)[2]。Windows 98及更高版本的操作系統(tǒng)均可作為其運(yùn)行平臺(tái)。

    3.2 標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)補(bǔ)償

    標(biāo)準(zhǔn)表是由更高級(jí)別的檢定裝置檢定的，在本裝置中作為標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)檢定其他儀表，屬于標(biāo)準(zhǔn)傳遞。標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)越接近真實(shí)值，檢定出的數(shù)據(jù)就越準(zhǔn)確。因此，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償是非常重要的一步。

    因?yàn)閷?duì)于每一個(gè)流量點(diǎn)來(lái)說(shuō)，多次檢定結(jié)果均不會(huì)完全相同，所以檢定標(biāo)準(zhǔn)表時(shí)，每個(gè)流量點(diǎn)均應(yīng)檢定6次，然后對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取其期望值作為該流量點(diǎn)的檢定數(shù)據(jù)。

    進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，常用的是最小二乘法[3]，在此采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自聯(lián)想功能以及良好的容錯(cuò)性和高度并行性等特點(diǎn)， 已廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣、最成功的是基于誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法（BP）的前饋網(wǎng)絡(luò)。

    前向多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)不僅有輸入層結(jié)點(diǎn)、輸出層結(jié)點(diǎn)，而且有隱層結(jié)點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)，首先傳到隱結(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)作用函數(shù)后，再把隱結(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)傳播到輸出層結(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)處理后輸出結(jié)果。學(xué)習(xí)過(guò)程由正向傳播和反向傳播組成，在正向傳播過(guò)程中，輸入信號(hào)從輸入層經(jīng)隱層單元逐層處理并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)，同一層神經(jīng)元之間不發(fā)生聯(lián)系。如果在輸出層不能得到期望輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，將輸出信號(hào)的誤差沿原來(lái)的連接通路返回。通過(guò)修改各層神經(jīng)元的權(quán)值，使誤差信號(hào)最小。

    本裝置中標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)作為輸入輸出樣本集，分別只有一組，因此輸入層和輸出層的結(jié)點(diǎn)數(shù)均為1。利用該樣本集首先對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，也就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)系數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整。目標(biāo)是調(diào)整連接權(quán)系數(shù)以使代價(jià)函數(shù)E最小。在此采用最速下降法，其關(guān)鍵是計(jì)算優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對(duì)尋優(yōu)參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)[4]。

    3.3 串口通信

    針對(duì)32位Windows平臺(tái)的串行通信有多種途徑，使用了Visual C++的封裝類(lèi)的概念，設(shè)計(jì)了功能完備的、對(duì)串行通信進(jìn)行全面管理的Win32Port類(lèi)，為了能隨時(shí)響應(yīng)串行口的輸入、輸出信息，使用了VC的多線程技術(shù)，用不同的線程進(jìn)行讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)和接收狀態(tài)信息[5]。這幾個(gè)工作線程以基本相同的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，包含在3個(gè)節(jié)的無(wú)限循環(huán)中運(yùn)行。第1個(gè)節(jié)為變量活動(dòng)設(shè)置請(qǐng)求，其中包括輸入、輸出和狀態(tài)通知。所有這些活動(dòng)都應(yīng)該很快發(fā)生。循環(huán)的第2個(gè)節(jié)包括對(duì)多個(gè)事件的等待。結(jié)果事件可以是響應(yīng)循環(huán)中第一部分設(shè)置的請(qǐng)求，也可以是程序主線程的消息。最后，循環(huán)的末尾包含了管理那些被檢測(cè)事件的響應(yīng)。完成了所有這些操作之后，循環(huán)會(huì)再次重復(fù)執(zhí)行。

    3.4 程序設(shè)計(jì)

    軟件主要包括：操作界面的設(shè)計(jì)，各種檢定參數(shù)的輸入，流量的控制，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，數(shù)據(jù)補(bǔ)償和計(jì)算，檢定結(jié)果的保存和打印等。程序流程圖如圖4所示。

    其中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集非常重要，根據(jù)所選的數(shù)據(jù)采集卡的說(shuō)明書(shū)，確保連線正確，采用廠家提供的測(cè)試軟件，測(cè)試線路連接及采集卡安裝是否完全正確，然后再編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序。由于是計(jì)量一段時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，因此時(shí)間間隔的精確確定非常重要，數(shù)據(jù)采集卡的主頻一般為lMHz，可以作為時(shí)間基準(zhǔn)，足以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

    根據(jù)檢定規(guī)程的要求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)補(bǔ)償后，再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表和被校表的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度、壓力修正，計(jì)算出被校表的精度等級(jí)、儀表系數(shù)等參數(shù)。然后根據(jù)用戶的要求，存貯或者打印數(shù)據(jù)。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，表明系統(tǒng)具有投資少、標(biāo)定精度高、操作簡(jiǎn)便、用戶界面友好等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。多家流量?jī)x表生產(chǎn)廠家依照所述方法設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表法檢定裝置，使用效果良好，評(píng)價(jià)較高。

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