热式气体流量计的温度补偿,热式气体流量计工作

  本文主要利用径向基函数（RBF)神经网络算法 在温度补偿中的优势，分析不同温度对气体流量测量 的影响，设计一种基于RBF神经网络的温度补偿方 法，有效避免硬件电路补偿方法的单一性和不稳定 性，在降低成本的同时提高测量装置的准确性。***终 采用软件补偿的方法对热式气体流量计的温度补偿 进行了大量实验研究，实现了温度梯度变化下热式气 体流量计的高精度测量。

一、热式流量计的工作原理及分类

  热式流量计按结构可以分为热分布型和浸入型。 热分布型热式流量计将传感元件放置于管道壁，传感 元件经过加热温度高于流体温度，流体流经传感元件 表面导致上下游温度发生变化，利用上下游温度差测 量流体流量，一般用于微小流速气体流量的测量。

  热分布型热式流量计的工作原理如图1所示，传 感元件由上游热电阻、加热器和下游热电阻组成，力卩 热器位于管道中心，使得传感元件温度高于环境温 度，上游热电阻和下游热电阻对称分布于加热器的两 侧。图1中曲线1所示为管道中没有流体流过时传感元 件的温度分布线，相对于加热器的上下游热电阻温度 是对称的。当有流体经过热式传感元件时，温度分布 为曲线2，显然流体将上游部分的热量带给下游，导致 上游温度比下游温度低，上下游热电阻的温度差A T 反映了流体的流量，即。当流体流速过大时， 上下游热电阻的温度差A r趋向于o，因此热分布型热 式流量计用于测量低流速气体微小流量。气体质量流量qm可表示为

 浸入型热式流量计的工作原理如图2所示，一般 将两个热电阻置于中大管道中心，可测量中高流速流 体。一热电阻通较小电流或不通电流，温度为71;另一 热电阻经较大电流加热，其温度7；高于气体温度。管道 中有气流通过时，两者之间的温度差为A7VTv-：T。气体 质量流量9m与加热电路功率P、温度差A71的关系式为

  式中:E——系数与流体介质物性参数有关； D——与流体流动有关的常数。

  如果保持加热电路功率P恒定，这种测量方法为 恒功率法；如果保持温度差A71恒定，这种测量方法为 恒温差法，两种方法有各自的优缺点，使用时据具体 环境和需要而定。目前较普遍的是采用恒温差法，由 于需要不同的应用领域，恒温差法已不适用于某些场 合的测量，因此恒功率法应用领域越来越广泛。恒温 差法的基本原理是流体流过加热的热电阻表面使得 热电阻表面的温度降低，热电阻的阻值变小。反馈电 路自动进行处理，通过热电阻的加热电流变大从而使 得热电阻温度升高，即可使得热电阻与流体温度差恒 定。通过测量传感电路的输出电流或输出电压便可获 得流量值。恒功率法的基本原理是加热功率为恒定 值，管道内没有流体流过时温度差A71***大，当流体流 过热电阻表面时热电阻与流体温度差变小，通过测量 A71 便可得到流体流量。

二、基于RBF神经网络的温度补偿

  由热式气体流量计恒温差法测量原理分析可知， 热式气体流量计在测量时，传感器灵敏系数与流体 的热传导、密度、黏性等有关，而热传导、密度、黏性与 环境温度有关，在温度变化较大的情况下会导致流量 计测量结果产生较大误差。由测量电路可知，当环境 温度升高时，测速电阻变大，要保证惠斯通测量电桥 平衡，其加热电流将随着温度的升高而变大，流量计 的输出电压也将增大。由此可得，当没有气流变化 时，流量计测量结果会随着环境温度的变化而改变， 其输出结果会产生较大误差或者错误结果。所以，在 热式气体流量计测量气体流量时，其温度偏移现象普 遍存在。

1.RBF神经网络温度补偿原理 神经网络温度补偿就是利用神经网络的函数逼 近能力、泛化能力和自学习能力等特性，在不必建立

  传感器输出随温度变化的具体模型情况下，通过网络 学习训练即可模拟出输入输出的具体内在联系。温度 补偿原理框图如图3所示。

  RBF神经网络温度补偿模型的输入信号由气体 流量计输出电压信号（和环境温度电压信号（仏) 组成，经过RBF神经网络学习训练，消除环境温度r对 测量结果的影响，输出补偿后的气体流速值v/能较好 地逼近目标值'进而消除环境温度变化影响，提高热 式气体流量计的测量准确性和稳定性。

2.RBF神经网络模型

  RBF神经网络是一种3层前馈局部逼近网络，能 逼近任意连续函数，由输入层、隐含层和输出层组成。

  RBF神经网络***显著的特点是隐含层采用高斯 RBF，即表示为

三、实验研究与结果分析

1.样本获取与分析

  采用标准表法对热式气体流量计进行检定，将标 准气体流量计、热式气体流量计和温度传感器置于被 测环境中。

  标准气体流量计输出对应被测流速V；，热式气体 流量计输出电压Uv，温度传感器输出电压UT。实验在5 组不同的环境温度下进行，分别在每种温度下测量15 组不同气体流量值。图4为不同温度下热式气体流量 计输出的75组试验数据的分布.

图4不同温度下流量计的输出电压与流速关系图

  由图4可知，在同一气体流量情况下，热式气体流 量计的输出随着温度的变化存在明显的温度漂移。因 此，建立RBF神经网络温度补偿模型，可提高流量测 量准确度。

温度补偿与效果分析

  根据RBF神经网络算法原理对热式气体流量计 进行温度补偿，将实验中的55组数据作为训练样本， 20组数据作为测试样本，建立RBF神经网络。输入层 选取2个节点，分别对应热式气体流量计的输出电压 信号和温度传感器输出电压信号R，隐含层选取10 个节点，输出层选取1个节点对应高精度标准气体流 量计输出流速v。对热式气体流量计进行温度补偿，补 偿效果如表1所示.

  图5补偿后温度相对误差图 经RBF神经网络温度补偿后热式气体流量计输 出基本不随温度改变而变化，其误差随温度变化曲线 如图5所示，***大相对误差为0.85%，有效提高了测量 准确度.