本文(wén)主要利用(yòng)徑向基兩(liǎng)數(rbf)神經網(wǎng)絡算法(fǎ)在溫度補償(cháng)中的優勢,分析不同(tóng)溫度(dù)對氣(qì)體流量測(cè)量的影響，一種(zhǒng)基于(yú)rbf神(shén)經(jīng)網絡(luò)的溫度補償方(fāng)法，有(yǒu)效避免硬(yìng)件電路補償方(fāng)法的(de)單一(yī)性和(hé)不穩(wěn)定性,在降低成(chéng)本的同時(shí)提高測(cè)量(liàng)裝置(zhì)的正(zhèng)确率。最終(zhōng)采用軟件(jiàn)補償(cháng)的萬法對熱式(shì)氣體流量計的(de)溫度(dù)補償進行(háng)了大量(liàng)實驗,實(shí)現了溫度梯度(dù)變化下熱式氣體流量(liàng)計
的精(jīng)度高測量。
一、熱(rè)式流(liú)量計的工作原理及(jí)分類(lèi)
熱式(shì)流(liú)量計按(àn)結構(gòu)可(kě)以分爲熱(rè)分布型(xíng)和浸(jìn)人型。熱(rè)分布型(xíng)熱式流量(liàng)計将(jiāng)傳感元(yuán)件(jiàn)放置(zhì)于管(guǎn)道(dào)壁,傳感(gǎn)元(yuán)件經(jīng)過加熱溫度高于流(liú)休溫度，流體(tǐ)流經(jīng)傳感元件表面(miàn)導緻上下(xià)遊溫(wēn)度發生變化,利(lì)用上下遊(yóu)溫度(dù)差測量流體流(liú)量，一般(bān)用(yòng)于微(wēi)小流(liú)速氣體流(liú)量的測量。
熱分(fèn)布型(xíng)熱式(shì)流最(zuì)計的t.作(zuò)原(yuán)理如(rú)圖1所示(shì),傳感元(yuán)件由(yóu)上遊熱電(diàn)阻、加熱器利下(xià)遊熱電(diàn)阻組(zǔ)成(chéng),加熱器(qì)位(wèi)于管道中心，使得傳感元(yuán)件溫度高(gāo)于壞(huài)境(jìng)溫(wēn)度，上(shàng)遊熱電阻(zǔ)和(hé)下(xià)遊熱電阻(zǔ)對稱(chēng)分布(bù)于加熱器(qì)的兩側。圖(tú)1中曲線1所(suǒ)示爲管道(dào)中沒有流休(xiū)流(liú)過時(shí)傳(chuán)感(gǎn)元件的溫度(dù)分(fèn)布線(xiàn).相對(duì)于(yú)加熱器(qì)的上下遊(yóu)熱電(diàn)阻溫度(dù)是(shì)對稱(chēng)的。當有流(liú)體經(jīng)過熱式傳(chuán)感元(yuán)件時,溫度(dù)分布(bù)爲曲(qǔ)線2,顯(xiǎn)然流(liú)體将上(shàng)遊(yóu)部(bù)分(fèn)的熱量帶給下(xià)遊，導緻上(shàng)遊溫度比下遊(yóu)溫度(dù)低，上下遊熱電(diàn)阻的溫度差△t反(fǎn)映了流體(tǐ)的流量,即△t=f(m)。當流體流(liú)速過大時(shí)，上下遊(yóu)熱屯陰的溫(wēn)度差△7趨向于(yú)0,因此熱分布型熱式流量計用于測量(liàng)低流速氣休微小流量。氣(qì)體質(zhì)量(liàng)流量qm可(kě)表示(shì)爲
式(shì)中:cp-一流體介(jiè)質(zhì)的定(dìng)壓比(bǐ)熱容;a一熱傳導系數(shù);k一一(yī)儀表系(xì)數。
浸(jìn)人型熱式流(liú)最計(jì)的工作(zuò)原理如(rú)圖2所(suǒ)示，一(yī)般将兩個熱電(diàn)阻
置(zhì)于中大管道(dào)中(zhōng)心,可(kě)測(cè)量(liàng)中高(gāo)流速(sù)流體。熱電(diàn)阻通較小(xiǎo)電流或不(bú)通電流，溫(wēn)度爲t;另一(yī)熱電(diàn)阻經(jīng)較(jiào)大電流(liú)加熱(rè),其溫度t高于氣(qì)體溫度。管道中有(yǒu)氣流通(tōng)過時，兩者之間(jiān)的溫度差(chà)爲△t=tv-t0氣(qì)體質(zhì)量流量qm與加熱(rè)電(diàn)路功率(lǜ)p、溫度差(chà)△t的關系(xì)式爲(wèi)
式中:e一系(xì)數與(yǔ)流體(tǐ)介質(zhì)物性參數有關(guān);d一與(yǔ)流體流動有(yǒu)關(guān)的常數。
如果保(bǎo)持加熱電路功率p恒(héng)定，這種測量(liàng)方法爲(wèi)恒功率法;如果保持溫度差△t恒(héng)定，這種測(cè)量方(fāng)法爲恒溫差法(fǎ)，兩種方法有各(gè)自的(de)優缺點，使用時據具體環境和需要而定(dìng)。目前較普遍的(de)是采用(yòng)恒溫差(chà)法,由于需要不同的(de)應用領域(yù),恒溫(wēn)差法已不(bú)适用于(yú)某些場(chǎng).合的測量，因此(cǐ)恒功(gōng)率(lǜ)法應用(yòng)領域越(yuè)來(lái)越廣(guǎng)泛。恒溫差法的(de)基本(běn)原理(lǐ)是流(liú)體流過加(jiā)熱的熱電(diàn)阻表面使得熱電(diàn)阻表面(miàn)的溫度降(jiàng)低，熱(rè)電阻的阻(zǔ)值變(biàn)小。反(fǎn)饋電(diàn)路自(zì)動進(jìn)行處(chù)理,通(tōng)過熱電(diàn)阻(zǔ)的加(jiā)熱電流變大從(cóng)而使得熱電阻溫度(dù)升高,即可使得(dé)熱電阻與(yǔ)流(liú)體(tǐ)溫度(dù)差恒(héng)定。通過測量傳感電路的輸出(chū)電流或輸(shū)出電(diàn)壓便可獲得流(liú)量(liàng)值。恒(héng)功率法的基本原理(lǐ)是(shì)加熱功率爲恒(héng)定值,管道内沒(méi)有流(liú)體流過時(shí)溫度差△7最大,當(dāng)流體(tǐ)流過熱電(diàn)阻表面時(shí)熱電(diàn)阻與流體(tǐ)溫度(dù)差變(biàn)小,通過測(cè)量△t便可得到流(liú)體流(liú)量。
二、基于(yú)rbf神經網絡的溫度補償
由(yóu)熱式(shì)氣體(tǐ)流量(liàng)計恒(héng)溫差(chà)法測量原(yuán)理分析可知(zhī),熱(rè)式氣體流量計(jì)在測量時，傳感(gǎn)器靈(líng)敏系數與(yǔ)流(liú)體的熱傳導(dǎo)、密度、黏(nián)性(xìng)等(děng)有(yǒu)關,而熱傳(chuán)導、密度、黏性與環境(jìng)溫度(dù)有關,在溫度變化較大的(de)情況下會導緻流量(liàng)計測(cè)量結(jié)果産生較大誤差。由測量電路可(kě)知,當環境溫度升高(gāo)時，測速(sù)電阻變大(dà)，要保證惠(huì)斯通測量(liàng)電橋平(píng)衡,其加(jiā)熱電流将(jiāng)随着(zhe)溫度的升高(gāo)而(ér)變大(dà),流量(liàng)計的輸出電(diàn)壓也将(jiāng)增大。由(yóu)此可得(dé)，當(dāng)沒有氣(qì)流變(biàn)化時(shí)，流量計測(cè)量結果會(huì)随着環境溫度的變(biàn)化而改變,其輸(shū)出結果(guǒ)會産生(shēng)較大(dà)誤差或者錯誤結果。所以(yǐ),在熱式氣(qì)體流量計(jì)測量氣體(tǐ)流(liú)量時(shí),其溫度(dù)偏移現象普遍(biàn)存在。
1.rbf神經網絡溫度補(bǔ)償原理(lǐ)
神經網(wǎng)絡(luò)溫度(dù)補(bǔ)償就是利用(yòng)神經網絡的麗(lì)數逼近能力、泛化能力和自學習能(néng)力等特性(xìng),在(zài)不必建立傳(chuán)感器(qì)輸出随(suí)溫度變(biàn)化(huà)的具體模型情況下,通(tōng)過網絡學習訓(xùn)練即(jí)可模拟出(chū)輸人(rén)輸(shū)出(chū)的具(jù)體内在聯系。溫度補償原理框圖如(rú)圖3所示。
rbf神(shén)經(jīng)網絡(luò)溫度(dù)補償模型的輸人信号由(yóu)氣(qì)體流(liú)量計輸(shū)出電壓信号(u、)和環境溫度電壓信号(u)組(zǔ)成,經過(guò)rbf神經網絡學習(xí)訓練，消除環境溫度(dù)t對測量(liàng)結(jié)果的影響,輸出(chū)補償(cháng)後的氣體(tǐ)流速值r'能較好地逼(bī)近目标值(zhí)o,進而消除環境(jìng)溫度(dù)變化影響(xiǎng),提高熱式(shì)氣體(tǐ)流量計的(de)測量(liàng)正(zhèng)确率(lǜ)和(hé)穩定(dìng)性。
2.rbf神經網絡模型
rbf神經網絡是一種3層前饋局(jú)部逼(bī)近網絡,能(néng)逼近任意連續(xù)函數,由輸(shū)人層、隐含(hán)層和輸出(chū)層組成(chéng)。 rbf神經網(wǎng)絡最(zuì)顯著的特(tè)點是隐含層采(cǎi)用高斯rbf,即(jí)表示(shì)爲
三、實驗研究(jiū)與結果(guǒ)分析
1.樣(yàng)本獲取與分析(xī)
采用标準表法(fǎ)對熱(rè)式氣體流(liú)量計進行(háng)檢定(dìng),将标準(zhǔn)氣體流量計、熱式氣體(tǐ)流量(liàng)計(jì)和(hé)溫度(dù)傳感(gǎn)器置于被(bèi)測環境中。
标準(zhǔn)氣體流量計輸(shū)出對應被測流速(sù)v，熱式氣體流(liú)量計(jì)輸出(chū)電壓(yā)u.,溫度傳感器輸(shū)出電壓ut。實驗在(zài)5組不(bú)同的環境(jìng)溫度(dù)下進(jìn)行,分(fèn)别在每種溫度(dù)下測量15組不同(tóng)氣體流量(liàng)值。圖(tú)4爲不同溫(wēn)度下熱式氣體流量(liàng)計輸出(chū)的(de)75組(zǔ)試驗數據(jù)的分布(bù)。
由圖4可知,在同(tóng)一氣體(tǐ)流(liú)量情(qíng)況(kuàng)下，熱式氣體(tǐ)流量(liàng)計(jì)的輸出(chū)随着溫度(dù)的變(biàn)化存(cún)在(zài)明顯的(de)溫度(dù)漂移。因此(cǐ),建立rbf神經網絡(luò)溫度(dù)補(bǔ)償模型(xíng),可提(tí)高流量測(cè)量正确率(lǜ)。
2.溫度補償(cháng)與效果分(fèn)析(xī)
根據rbf神經網(wǎng)絡算法原理對(duì)熱式氣(qì)體(tǐ)流量計進行(háng)溫度補(bǔ)償，将實(shí)驗(yàn)中的(de)55組數(shù)據(jù)作(zuò)爲訓(xùn)練樣本，20組數據作爲測試(shì)樣本(běn),建立(lì)rbf神經網絡(luò)。輸人層(céng)選取2個(gè)節點，分别對應(yīng)熱式(shì)氣體流量(liàng)計的輸(shū)出電壓信号u,和溫度傳(chuán)感器輸出電壓信号uτ,隐含層選(xuǎn)取10個節點，輸出(chū)層選取1個節點(diǎn)對應精度(dù)高标準氣體流(liú)量計(jì)輸出(chū)流速u。對熱(rè)式氣體流量計(jì)進行溫度補償，補償效(xiào)果如表(biǎo)1所示(shì)。
經(jīng)rbf神(shén)經網(wǎng)絡溫度補償後(hòu)熱式氣體流量(liàng)計輸出(chū)基本不(bú)随溫度改變而變化(huà),其誤差随(suí)溫(wēn)度(dù)變化(huà)曲線(xiàn).如圖(tú)5所(suǒ)示,最大(dà)相對(duì)誤差(chà)爲0.85%,有(yǒu)效提(tí)高了測量(liàng)正确率。
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