基于虛擬儀器的熱工儀器儀表計量檢定方法

王其興

（蕪湖市計量測試研究所，安徽蕪湖 241000）

熱工儀器儀表廣泛應(yīng)用于溫度、壓力、流量和能量等參數(shù)的測量與控制，對于提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和能源效率至關(guān)重要[1,2]。因此，研究與發(fā)展熱工儀器儀表計量檢定方法能夠確保儀器儀表的準確性，為實際應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持，提高工業(yè)過程的控制精度和能源利用效率，并促進工業(yè)自動化和節(jié)能減排的發(fā)展[3]。

目前，相關(guān)學(xué)者已對熱工儀器儀表計量檢定進行了大量研究，其中，比較法、標準器法和校正曲線法是較為常用的檢定方法[4-6]。比較法使用標準溫度計與被測溫度傳感器進行比較，同時對溫度傳感器和標準溫度計進行升溫，在每個溫度點記錄兩者的示值差。最后對數(shù)據(jù)進行分析，得出標準溫度計與被測溫度傳感器的誤差曲線。該方法的不足之處是對標準儀表的準確度要求較高，且儀器之間可能存在不確定度的傳遞。標準器法使用精密電熱爐作為標準器，將溫度傳感器插入電熱爐的測量口，通過控制電熱爐的溫度，在每個溫度點記錄被測溫度傳感器的示值，并與標準器的示值進行比較。最后對數(shù)據(jù)進行分析，得出被測溫度傳感器與標準器的誤差曲線，該方法的不足之處是檢定結(jié)果誤差較大。校正曲線法通過測定待檢測儀表在多個已知條件下的測量結(jié)果，建立校正曲線，據(jù)此對待檢測儀表進行準確度評定。該方法的不足之處是需要大量的校準點和可靠的標準樣品，且曲線擬合和插值過程中可能引入不確定度[7]。

為了解決上述方法存在的不足，本文提出一種基于虛擬儀器的熱工儀器儀表計量檢定方法，并展開了對比測試，分析驗證了該方法的應(yīng)用價值。

1 熱工儀器儀表計量檢定方法設(shè)計

1.1 熱工儀器儀表虛擬儀器模型構(gòu)建

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對熱工儀器儀表計量的精準檢定，本文首先構(gòu)建了熱工儀器儀表虛擬模型[8]，其主要由傳感器、變送器、控制器和執(zhí)行器四個主要構(gòu)件組成。在實際的熱工儀器儀表運行過程中，這些構(gòu)件通過互相連接，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、液位等熱工參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制。在此基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建的虛擬儀器模型如圖1 所示。

圖1 熱工儀器儀表虛擬儀器模型

結(jié)合圖1 所示的熱工儀器儀表虛擬儀器模型，傳感器是最重要的組成部分之一，其主要負責直接感受被測熱工參數(shù)的變化。當待檢定的熱工儀器儀表裝置為溫度傳感器時，能夠感受生產(chǎn)過程中溫度的變化；當待檢定的熱工儀器儀表裝置為壓力傳感器時，其能夠感受壓力的變化；當待檢定的熱工儀器儀表裝置為液位傳感器時，其用于測量液位高度等。在虛擬模型中，傳感器輸出信號，將其發(fā)送給變送器。就變送器而言，其是連接傳感器和控制器的重要部件，其將傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換為標準的電信號或氣信號，再發(fā)送給控制器?？刂破魇菬峁x器儀表的核心部分，負責接收變送器傳來的信號，與設(shè)定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出控制信號給執(zhí)行器，以調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的熱工參數(shù)。最后就是執(zhí)行器，作為熱工儀器儀表的最終操作部件，它根據(jù)控制器輸出的控制信號調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的熱工參數(shù)。當待檢定的熱工儀器儀表裝置為溫度傳感器時，執(zhí)行器的具體控制方式是調(diào)節(jié)加熱器的功率，從而改變生產(chǎn)過程中的溫度；當待檢定的熱工儀器儀表裝置為壓力傳感器時，執(zhí)行器的具體控制方式是調(diào)節(jié)閥門的開度，改變生產(chǎn)過程中的壓力。

按照上述方式，實現(xiàn)對熱工儀器儀表虛擬模型的構(gòu)建，為后續(xù)的計量檢定提供可靠的基礎(chǔ)和保障。

1.2 熱工儀器儀表計量檢定

結(jié)合1.1 節(jié)構(gòu)建的熱工儀器儀表虛擬模型，本文在對具體的設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對其的計量檢定。

首先，就傳感器與變送器之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系而言，傳感器感受熱工參數(shù)的變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號或氣信號輸出；變送器接收這些信號，并將其轉(zhuǎn)換為標準信號輸出給控制器。二者之間的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)在信號的傳輸上。因此，對其的分析結(jié)果可以表示為：

式（1）中，Z(f)表示傳感器與變送器之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系函數(shù)；U和I分別表示變送器接收到的，來自傳感器的熱工參數(shù)；j表示阻抗系數(shù)；表示信號的相位差。

其次，就控制器與執(zhí)行器之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系而言，控制器根據(jù)接收到的信號和控制算法計算出控制信號，將控制信號輸出給執(zhí)行器和調(diào)節(jié)算法對熱工參數(shù)進行調(diào)節(jié)。二者之間的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)在控制信號的傳遞和調(diào)節(jié)上。因此，對其的分析結(jié)果可以表示為：

式（2）中，fout表示控制器與執(zhí)行器之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)；fclock表示執(zhí)行器接收到的控制信號；kdec表示熱工參數(shù)的調(diào)節(jié)系數(shù)；n表示控制信號的傳遞階數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，本文借助PID（比例-積分-微分）控制算法對關(guān)聯(lián)參數(shù)設(shè)定值與實際值之間的誤差進行評定，具體的實現(xiàn)方式可以表示為：

式（3）中，g0和g1表示模糊-PID 控制器的輸出變量；k1和k2表示熱工儀器儀表的偏差參量模糊規(guī)則系數(shù)和偏差變化率模糊規(guī)則系數(shù)；表示熱工儀器儀表計量誤差檢定結(jié)果。

按照上述方式，實現(xiàn)對基于虛擬儀器的熱工儀器儀表計量檢定方法的設(shè)計，最大限度保障檢定結(jié)果的可靠性。

2 應(yīng)用測試

2.1 測試方案設(shè)計

在具體的測試過程中，本案例選擇的是一種常見的熱工儀表——溫度傳感器，對其計量檢定方法進行性能對比測試。對測試溫度傳感器裝置的具體配置及參數(shù)進行統(tǒng)計，其為一支K型熱電偶溫度傳感器，精度等級為1級。其測量不確定度為1 ℃。在具體的測試過程中，使用了一臺精密電熱爐作為標準設(shè)備，爐膛溫度穩(wěn)定性為±0.1 ℃。

為了能夠更加直觀地對本文設(shè)計計量檢定方法的性能作出客觀評價，本文設(shè)計的測試為計量檢定方法性能對比測試，測試采用了兩種檢定方法進行對比，分別為比較法和標準器法。其中，比較法和標準器法的具體操作方法如下：

（1）比較法：使用標準溫度計與被測溫度傳感器進行比較。同時對溫度傳感器和標準溫度計進行升溫，在每個溫度點記錄兩者的示值差。最后對數(shù)據(jù)進行分析，得出標準溫度計與被測溫度傳感器的誤差曲線。

（2）標準器法：使用精密電熱爐作為標準器，將溫度傳感器插入電熱爐的測量口，通過控制電熱爐的溫度，在每個溫度點記錄被測溫度傳感器的示值，并與標準器的示值進行比較。最后對數(shù)據(jù)進行分析，得出被測溫度傳感器與標準器的誤差曲線。

在上述基礎(chǔ)上，分別測試三種不同方法下對應(yīng)的測試結(jié)果誤差。

2.2 測試結(jié)果與分析

在對不同熱工儀器儀表計量檢定方法的性能進行分析時，本文設(shè)置了精密電熱爐處于不同的溫度狀態(tài)，利用K 型熱電偶溫度傳感器進行溫度測量，將具體的檢測結(jié)果誤差與三種方法對K 型熱電偶溫度傳感器誤差檢定結(jié)果之間的關(guān)系作為評價指標，對具體熱工儀器儀表計量檢定方法的精準性加以分析。其中，具體的K 型熱電偶溫度傳感器誤差與檢定誤差之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 K 型熱電偶溫度傳感器誤差與檢定誤差關(guān)系

結(jié)合圖2 所示的測試結(jié)果可以看出，在上述三種不同方法下，對于K 型熱電偶溫度傳感器的計量檢定結(jié)果表現(xiàn)出了不同的特征。其中，在比較法的測試結(jié)果中，對于K 型熱電偶溫度傳感器的計量檢定誤差結(jié)果為-0.14 ℃～0.14 ℃，而K 型熱電偶溫度傳感器的實測溫度誤差曲線的波動范圍為-0.22 ℃～0.09 ℃。在標準器法的測試結(jié)果中，對K 型熱電偶溫度傳感器的計量檢定誤差結(jié)果為-0.19 ℃～0.11 ℃，也未能實現(xiàn)對K 型熱電偶溫度傳感器的實測溫度誤差曲線的全覆蓋。相比之下，在本文設(shè)計方法的測試結(jié)果中，對于K 型熱電偶溫度傳感器的計量檢定誤差結(jié)果為-0.22 ℃～0.10 ℃，從K型熱電偶溫度傳感器的計量檢定誤差曲線的分布情況進行分析可以看出，其始終穩(wěn)定在本文設(shè)計方法檢定結(jié)果區(qū)間范圍內(nèi)。

綜合上述測試結(jié)果可以得出結(jié)論，本文設(shè)計的基于虛擬儀器的熱工儀器儀表計量檢定方法可以實現(xiàn)對熱工儀器儀表計量狀態(tài)的精準檢定，具有良好的實際應(yīng)用效果。

3 結(jié)束語

本文提出基于虛擬儀器的熱工儀器儀表計量檢定方法研究，借助虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)對熱工儀器儀表狀態(tài)的有效檢定。未來的研究中，還可以通過引入自動化技術(shù)、縮短檢定周期、開發(fā)全面的檢定方法以及對環(huán)境因素進行嚴格控制等手段對現(xiàn)有的檢定方法進行改進和優(yōu)化。這將有助于提高熱工儀器儀表的測量準確性和穩(wěn)定性，從而更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)過程。