本文主要利用徑向基兩數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在溫度補(bǔ)償中的優(yōu)勢,分析不同溫度對(duì)氣體流量測量的影響，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)提高測量裝置的正確率。最終采用軟件補(bǔ)償?shù)娜f法對(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),實(shí)現(xiàn)了溫度梯度變化下熱式氣體流量計(jì)的精度高測量。
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人型。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)過加熱溫度高于流休溫度，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量流體流量，一般用于微小流速氣體流量的測量。
熱分布型熱式流最計(jì)的T.作原理如圖1所示,傳感元件由上游熱電阻、加熱器利下游熱電阻組成,加熱器位于管道中心，使得傳感元件溫度高于壞境溫度，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所示為管道中沒有流休流過時(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)流體流速過大時(shí)，上下游熱屯陰的溫度差△7趨向于0,因此熱分布型熱式流量計(jì)用于測量低流速氣休微小流量。氣體質(zhì)量流量qm可表示為
式中:Cp-一流體介質(zhì)的定壓比熱容;A一熱傳導(dǎo)系數(shù);K一一儀表系數(shù)。
浸人型熱式流最計(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,可測量中高流速流體。熱電阻通較小電流或不通電流，溫度為T;另一熱電阻經(jīng)較大電流加熱,其溫度T高于氣體溫度。管道中有氣流通過時(shí)，兩者之間的溫度差為△T=Tv-T0氣體質(zhì)量流量qm與加熱電路功率P、溫度差△T的關(guān)系式為
式中:E一系數(shù)與流體介質(zhì)物性參數(shù)有關(guān);D一與流體流動(dòng)有關(guān)的常數(shù)。
如果保持加熱電路功率P恒定，這種測量方法為恒功率法;如果保持溫度差△T恒定，這種測量方法為恒溫差法，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.合的測量，因此恒功率法應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。恒溫差法的基本原理是流體流過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。通過測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)沒有流體流過時(shí)溫度差△7最大,當(dāng)流體流過熱電阻表面時(shí)熱電阻與流體溫度差變小,通過測量△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)恒溫差法測量原理分析可知,熱式氣體流量計(jì)在測量時(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)測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。由測量電路可知,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，測速電阻變大，要保證惠斯通測量電橋平衡,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)沒有氣流變化時(shí)，流量計(jì)測量結(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)的麗數(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,通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練即可模擬出輸人輸出的具體內(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)償模型的輸人信號(hào)由氣體流量計(jì)輸出電壓信號(hào)(U、)和環(huán)境溫度電壓信號(hào)(U)組成,經(jīng)過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)測量結(jié)果的影響,輸出補(bǔ)償后的氣體流速值r'能較好地逼近目標(biāo)值o,進(jìn)而消除環(huán)境溫度變化影響,提高熱式氣體流量計(jì)的測量正確率和穩(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),由輸人層、隱含層和輸出層組成。 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最顯著的特點(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環(huán)境中。
標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)輸出對(duì)應(yīng)被測流速v，熱式氣體流量計(jì)輸出電壓U.,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。
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,可提高流量測量正確率。
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)作為測試樣本,建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸人層選取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)U,和溫度傳感器輸出電壓信號(hào)Uτ,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)精度高標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)輸出流速u。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。
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,最大相對(duì)誤差為0.85%,有效提高了測量正確率。
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