本文主要講解熱式氣體流量計廠家如何對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，利用徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在溫度補(bǔ)償中的優(yōu)勢，分析不同溫度對氣體流量測量的影響， 設(shè)計一種基于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，在降低成本的同時提高測量裝置的準(zhǔn)確性。 ***終采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽崾綒怏w流量計的溫度補(bǔ)償進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了溫度梯度變化下熱式氣體流量計的高精度測量。
 
一、熱式流量計的工作原理及分類：
   熱式流量計按結(jié)構(gòu)可以分為熱分布型和浸入型。熱分布型熱式流量計將傳感元件放置于管道壁，傳感元件經(jīng)過加熱溫度高于流體溫度，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。
   熱分布型熱式流量計的工作原理如圖1所示，傳感元件由上游熱電阻、 加熱器和下游熱電阻組成，加熱器位于管道中心， 使得傳感元件溫度高于環(huán)境溫度，上游熱電阻和下游熱電阻對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體流過時傳感元件的溫度分布線，相對于加熱器的上下游熱電阻溫度是對稱的。 當(dāng)有流體經(jīng)過熱式傳感元件時，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，上下游熱電阻的溫度差 T趨向于0，因此熱分布型熱式流量計用于測量低流速氣體微小流量。 氣體質(zhì)量流式中：C_p—流體介質(zhì)的定壓比熱容；A—熱傳導(dǎo)系數(shù)；K—儀表系數(shù)。
 

圖2 浸入型熱式流量計的工作原理
式中：E—系數(shù)與流體介質(zhì)物性參數(shù)有關(guān)；D—與流體流動有關(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)沒有流體流過時溫度差 T***大，當(dāng)流體流過熱電阻表面時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：
  由熱式氣體流量計恒溫差法測量原理分析可知，熱式氣體流量計在測量時， 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導(dǎo)致流量計測量結(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， 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，流量計的輸出電壓也將增大。 由此可得， 當(dāng)沒有氣流變化時， 流量計測量結(jié)果會隨著環(huán)境溫度的變化而改變，其輸出結(jié)果會產(chǎn)生較大誤差或者錯誤結(jié)果。 所以，在熱式氣體流量計測量氣體流量時，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)的函數(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

圖3 熱式氣體流量計溫度補(bǔ)償原理框圖

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)練即可模擬出輸入輸出的具體內(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)償模型的輸入信號由氣體流量計輸出電壓信號（U_v）和環(huán)境溫度電壓信號（U_T）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對測量結(jié)果的影響，輸出補(bǔ)償后的氣體流速值v′能較好地逼近目標(biāo)值v，進(jìn)而消除環(huán)境溫度變化影響，提高熱式氣體流量計的測量準(zhǔn)確性和穩(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)，由輸入層、隱含層和輸出層組成。
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)***顯著的特點(diǎn)是隱含層采用高斯
 

 
式中：Φ_i—第i個隱節(jié)點(diǎn)的輸出；σ_i—標(biāo)準(zhǔn)偏差；c_i—高斯函數(shù)的中心值；q—隱含層節(jié)點(diǎn)個數(shù)。
 
輸出層節(jié)點(diǎn)采用線性激活函數(shù)
 
m
y_j=∑w_ijΦ_i（x）-b_j，j=1，2，……，n （4）
i=1
 
式中：y_j—第j個輸出層節(jié)點(diǎn)的輸出；w_ij —第i個隱含層到第j個輸出層的權(quán)值；b_j—第j個輸出層節(jié)點(diǎn)的閾值；n——輸出層節(jié)點(diǎn)個數(shù)。 定義誤差函數(shù)為
 

 
式中：k——網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本總數(shù)；t_i、y_i—在樣本i的期望輸出和實(shí)際輸出。
 
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)表法對熱式氣體流量計進(jìn)行檢定，將標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計、熱式氣體流量計和溫度傳感器置于被測環(huán)境中。標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計輸出對應(yīng)被測流速v， 熱式氣體流量計輸出電壓U_v，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輸出的75組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布。

圖4 不同溫度下流量計的輸出電壓與流速關(guān)系圖
由圖4可知，在同一氣體流量情況下，熱式氣體流量計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，可提高流量測量準(zhǔn)確度。
 
2.溫度補(bǔ)償與效果分析
   根據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法原理對熱式氣體流量計進(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)。 輸入層選取2個節(jié)點(diǎn)， 分別對應(yīng)熱式氣體流量計的輸出電壓信號U_v和溫度傳感器輸出電壓信號U_T，隱含層選取10個節(jié)點(diǎn)， 輸出層選取1個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)高精度標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計輸出流速v。 對熱式氣體流量計進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償效果如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)的補(bǔ)償結(jié)果

圖5 補(bǔ)償后溫度相對誤差圖

 

  經(jīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償后熱式氣體流量計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，***大相對誤差為0.85%，有效提高了測量準(zhǔn)確度。