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基于超声波液位计的规范流量计量体例

名字的由来: 华东电量的使用本科大学 不间断与自动化工程施工教育 我:仝卫国,庞雪纯,李芝翔,侯 哲,王 鹏 即日起起止日期:2019-05-21

 摘 要:为了处置传统水流量规范装配存在由换向器的换入和换出行程差发生的流量丈量偏差题目。经由进程对超声波液位计的道理阐发和容积标定法的研讨,提出了一种基于超声波液位计和规范水箱的流量在线检测计量体例。操纵超声波液位计与规范水箱停止尝试,获得液位高度和液位体积的函数干系;操纵上位机和 8 路摹拟量??收罗模块收罗规范水箱液位高度和响应的时候,进而获得规范圆筒中液位体积和时候的干系,由单位时候内流体体积的变更值获得现实流量值。尝试成果标明,接纳此体例获得的流量丈量值精度可以或许或许或许或许到达 ??0.55%,可以或许或许或许或许完成流量的精准丈量。

 
弁言
      流量计量与公民经济和迷信研讨有着很是紧密亲密的接洽,它的切确丈量对进步出产效力、增进迷信手艺的成长具备很是首要的感化。经由进程计量确保流程产业在线不可装配计量仪表丈量的切确性和靠得住性是企业计量办理局部甚至国度计量院所面对的严重课题。因为流量的静态特征使得流量丈量手艺变得加倍坚苦和庞杂。是以,为了加倍切确地丈量流体流量和保障流量计量仪表的切确靠得住性,必须挑选适合的流量丈量体例。液位丈量体例有良多,首要分为间接液位丈量法和间接液位丈量法。间接液位丈量法是以直观的体例检测液位的变更环境,虽所用用具布局简略但体例原始,不能知足产业主动化的请求。是以间接液位丈量法获得了遍及的操纵。在非打仗丈量体例中超声波流量计则具备计量精度高、对管径的顺应性强、活络度好、操纵便利、易于数字化办理等上风。
 
      在现存的各类液位、流量仪表中,操纵超声手艺研制的仪表因优胜于其余液位计、流量计,并且具备较着长处(如可停止非打仗丈量、丈量精度较高档),在丈量仪表中据有很是首要的地位,获得了愈来愈遍及的操纵[5]。恰是因为超声波流量计具备的诸多上风,使得其成了现今流量计量的支流[6]。现实上,基于超声波液位计和计量槽测流量,在国际用的相称遍及,比方说农业浇灌水的流量丈量,工场排污口的流量丈量,野生渠道的流量丈量等。比拟于多普勒测流法,这类体例测出来的切确度必定不多普勒法的切确度高,但它也有它的存在代价。多普勒测流法对水深、流速和水的清亮度是有请求的。而一旦水深比拟浅,水比拟清亮,流速很慢或超快时,就须要超声波液位计停止流量计量了。
 
      因为丈量道理的差别或丈量元件的情势差别,每种流量仪表都有其很是为合用的工况和怪异的装配请求。在流量仪表的现实操纵中,要想到达良好的丈量成果,既要挑选适合的仪表范例,还要统筹流量计装配地位知足所选仪表的丈量请求。凡是操纵的流量计有节省式差压流量计、涡街流量计、超声流量计等,现有的超声波流量计的精度为 1%,设置装备摆设拔出式传感器切确度可达0.5%,为了确保流量丈量体例的精度,本文提出了一种基于超声波液位计和规范水箱的流量在线检测计量体例。操纵超声波液位计测得规范水箱的液位高度 H 和液位体积 V 的数据,由很是小二乘法获得液位高度和液位体积的函数干系 V(H);操纵 8 路摹拟量收罗模块 DAQM-4206 停止数据传输,在基于 python 的上位机中获得每一个时辰 t 对应的液位高度 H,进而获得每次尝试中体积 V 和液位回升时候 t 的函数干系 V(t),从而能完成流量的刹时丈量,则单位时候内流体体积的变更值便是现实流量值。
 
1 超声波流量标定体例道理
1.1 超声波液位计任务道理
超声波液位计是微处置器节制的数字液位仪表。由超声波换能器、旌旗灯号处置模块、输入单位 3局部构成。其任务道理图如图 1 所示。
超声波液位计任务道理图
      在丈量中超声波换能器(探头)收回高频脉冲声波,声波经液体外表被反射折回后,反射折回的反射回波被换能器领受,经由进程压电晶体或磁致伸缩器件转换成电旌旗灯号,并由声波的发射和领受之间的时候来计较传感器到被测液体外表的间隔。尝试所用超声波液位计的测距道理以下:
QQ截图20200521091738.jpg
      式中:h 为由超声波传感器究竟部的间隔;L 为传感器到液面的间隔;C 为超声波声速;H 为被测液面现实高度;T 为超声波由收回到领遭到的时候。尝试进程中,每次液位体积变更后,超声波液位计测到的液位高度都可以或许或许或许间接显现,间接读数便可。
 
      因为超声波液位计接纳的长短打仗丈量,是以被测介质几近不会遭到限定,可遍及用于各类液体和固体物料高度的丈量[8]。
 
1.2 很是小二乘法线性拟合道理
      在参数估量和曲线拟合题目中,请求肯定某些或一个未知量,使它可以或许或许或许或许对所测得的一组观察值停止表征,凡是在数据处置中接纳很是小二乘法来处置这类拟合曲线题目。很是小二乘法曲直线拟合遍及接纳的数学优化体例,可以或许或许或许婚配出数据变量的很是优函数组合,很是小二乘估量不请求观察数据供给几率统计方面的信息,估量成果有很好的统计特征。
 
      很是小二乘法经由进程计较很是小偏差的平方和来计较很是可托赖值。它岂但可以或许或许或许用于线性参数的处置,也可以或许或许或许用于非线性参数的处置。非线性参数的处置须要用级数睁开的体例把某一地区内类似的化成线性的情势。很是小二乘法可以或许或许或许或许充实的操纵偏差赔偿感化,有用地削减随机偏差带来的影响。其残差界说为:残差界说,此中φ(xi) 为拟合值,yi 为实在值,但愿 δi 尽可以或许小,罕见的体例有:
 
(1)拔取ψ(x)使偏差的一范数很是小,即QQ截图20200521091758.jpg
(2)拔取ψ(x)使偏差的无限范数很是小,即无限范数
(3)拔取ψ(x)使偏差的二范数很是小,即二范数
公式(4)被称为很是小二乘法准绳。
 
1.2.1 一元线性拟合
      假定要对一组 N 个(xi,yi)样本数据做 y=ax+b线性拟合,则拟合重点在于拟合出(a,b)的值。是以可以或许或许或许对每一个样本数据(xi,yi)做偏差乞降计较,其界说为:err=Σ[yi–(axi+b)]2,并但愿拔取适合的 a 和 b 的值使 err 值很是小,是以,对偏差做偏微分计较。故有:
微分计较公式
      进而解出:
 a 和 b 的值
1.2.2 多元线性拟合
      设变量 y 与 N 个变量 x 之间存在着必然的线性干系为:QQ截图20200521092113.jpg设变量 xj 的第 i 次丈量值为 xij,对应的函数值为 yi(i=1,2,···,m),则偏差平方和
偏 差平方和
      为使 s 取极小值,对式(7)求偏导,将尝试数据(xij,yj)代入可得出未知参数 α0, α1,···, αn。
 
2 超声波规范流量计量装配
      超声波规范流量计量装配是由规范水箱、超声波液位计、旌旗灯号收罗装配、计较机 4 局部构成。其超声波规范流量计量装配如图 2 所示。
超声波规范流量计量装配图
      装配中的水箱是两个敞口式的圆柱形规范水箱,为了防止进水时,水面动摇对超声波液位计旌旗灯号收罗发生形成影响[13],把进水口安排在水箱底部并且把其底部设想成一个高度为 0.25 m 弧状型缓冲地区,如许就可以或许或许或许使水流经由进程缓冲地区流到丈量地区时,水面类似于安稳,防止了水面动摇形成的影响。接纳的一体化 ZP-UF10M68 型超声波液位计具备装配便利,便于洁净保护的特色[14]。其测距分辩率为 1 mm;测距精度为 0.5%,合用于–20~+60 ℃的常温环境中,丈量盲区为 0.6 m。
 
      为了知足超声波液位计的丈量请求,使其丈量精度更高,把超声波液位计装配在间隔水箱顶部 0.6 m处。产业级 DAQM-4206 是一款规范摹拟量收罗产物,具备 12 位的分辩率,精度品级高达 2%,撑持 0+5 V、1+5 V、0~20 ma、4~20 ma 量程 8 通道单端输入。MODBUS 通讯更新速率到达 10 Hz,AD采样率高达1 MHz,可以或许或许或许完成8通道同步采样。把 8 路摹拟量收罗模块 DAQM-4206 的摹拟量输入端与一体化 ZP-UF10M68 型超声波液位计的4~20 ma 摹拟量输入端毗连,另外一端接 USB 转 485串口线模块完成与计较机的通讯。接纳基于python 的上位机停止数据收罗和处置。
 
3 尝试成果及阐发
3.1 尝试环境
      本尝试装配接纳 80 mm 不锈钢管道,一体化温度变送器,智能电磁流量计,一体化 ZP-UF10M68型超声波液位计,DAQM-4206 摹拟量收罗模块等装配,测得 14 组液位高度 H 和体积 V 的数据。接纳 MALTAB 软件编写法式,操纵很是小二乘法对收罗到的规范水箱内液位高度 H 和体积 V 停止拟合。
 
3.2 成立液位体积 V 和液位高度 H 的干系
      起首把两个圆筒式水箱底部半圆弧状的缓冲地区灌满水,恰好到圆筒垂直底部,把此时水位设置为超声波液位计的零点。把两个水箱别离标记为 1 号水箱和 2 号水箱,坚持 1 号水箱水位稳定,把 2 号水箱注满水。经由进程排水阀放出定量 2号水箱的水,记水的体积为 V,将这些水移到 1号水箱傍边,别离记实此时 1 号水箱和 2 号水箱的液位和对应体积的干系。按此体例别离测得 5 000 mL、7 000 mL、10 000 mL、12 000 mL、15 000 mL、17 000 mL 共 6 组液位体积变更数据。操纵很是小二乘法拟合获得6个拟合曲线如图3所示。
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      经由进程很是小二乘法获得线性拟合曲线方程式的情势为:y=ax+b,以均方根偏差 RMSE 和决议系数 R-squared 作为拟合曲线的评估目标。均方根偏差的计较公式以下:
均方根误 差的计较公式
      可决议系数的计较公式以下:
可决议系数的计较公式
      可决议系数的规模在 0~1 之间,其值越靠近于 1 申明线性拟合水平越好,均方根偏差越小申明线性拟合水平越好,获得很是小二乘法拟合曲线评估目标数据如表 1 所示。
很是小二乘法拟合曲线评估目标
      从表 1 中阐发得出第三组数据的很是小二乘法拟合曲线得均方根偏差 RMSE 值 1 653.709 35 很是小,可决议系数 R-squared 值 0.999 891 48 很是靠近于 1,是以很是后获得规范桶内液位高度 H 和体积 V的拟合曲线以下式所示。
V=739 405.7H-4395.59(10)
 
3.3 流量丈量体例与偏差阐发
       对尝试数据停止很是小二乘法拟合获得液位高度H和体积V的拟合曲线V(H);由一体化ZP-UF10M68型超声波液位计对液位高度停止收罗,经由进程 8 路摹拟量收罗模块 DAQM-4206 把数据传输到上位机,在基于 python 的上位机中可以或许或许或许获得每一个时辰t 对应的液位高度 H,进而可以或许或许或许获得每次尝试中体积 V 和液位回升时候 t 的函数干系 V(t)。获得函数干系图如图 4 所示。
体积 V 和液位回升时候 t 的函数干系图
      按照函数干系图可以或许或许或许得悉流量 Q 的计较公式以下:
流量 Q 的计较公式
      式中:Q 为流量,mL/s。
 
      按照 JJG 2263-2007 液体流量计量用具判定体系表规程,在丈量进程中,任务量器许可的偏差不应跨越 0.05%,在尝试进程中所操纵的计量仪器的精度合适上述检定例程,很是大丈量体积为5 000 mL,很是大许可偏差为 15 mL,所操纵的超声波液位计量程为 0.45~10 m,精度为 0.5%,很是大许可偏差 A 为 0.047 75 m,因为丈量成果首要受这两方面偏差影响,它们之间的干系为:
偏差干系
      式中:S 为水箱的横截面积,因为水箱中液位的体积 V=SH,以是体系很是后分解的总偏差为 0.55%,因为超声波液位计声速的传布速率与氛围压力及环境的温度有关,普通前提下因为大气压力变更很小是以其传布速率首要斟酌温度的影响,在氛围中传布速率为:
      C=331.5+0.6t (13)
 
      已知在尝试进程中温度为 15 ℃,高低浮动很是大为 0.4 ℃,由此而发生的偏差为 0.07%,经上述弥补公式获得的超声波速率计较流速,对温度形成的声速变更停止弥补,可有用进步丈量精度,这类偏差是可以或许或许或许停止弥补的。
 
      因为超声波液位计要经收罗模块与计较机停止通讯,硬件电路延时等会发生体系偏差[15],因为体系偏差都是因为硬件电路自身引发的,而在尝试进程中,尝试环境和硬件举措办法的设置装备摆设都是不异的,是以,对差别高度的液位停止丈量时都存在时候提早的环境,假定 S1、S2 为两个待测的差别的液位高度,t1、t2 别离为对应于这两个牢固间隔收罗的反响值(内含 Δt 身分),则超声波在 S1、S2 间隔内传布所用的时候现实上别离为t1–Δt 和 t2–Δt。以是在计较时候的进程中 Δt 的影响可以或许或许或许对消,也便是说时候的偏差的影响可以或许或许或许疏忽不计。
 
4 论断
      (1)针对水面动摇对超声波液位计丈量的影响题目,设想了一个从底部进水并且具备半球状缓冲地区的规范水箱,有用减小了水面的动摇。
      (2)提出了一种基于超声波液位计和规范圆筒的流量在线检测计量体例。成立了决议系数和均方根偏差为 0.999 891 48 和 1 653.709 35 mL 的液位体积和高度的拟合曲线,操纵 8 路摹拟量收罗模块 DAQM-4206 和基于 python 的上位机完成了流量的在线检测。
      (3)对尝试成果停止偏差处置,获得很是后的精度为 0.55%,停止温度弥补今后,精度可以或许或许或许到达 0.5%,合适现有超声波液位计的丈量精度,可以或许或许或许或许完成流量的切确丈量。
 
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