提高測量數(shù)據(jù)準確率方法探討

【摘 要】測量儀器在工業(yè)中起著把關(guān)者的作用，它從生產(chǎn)現(xiàn)場獲取各種參數(shù)，綜合有效地利用各種先進技術(shù)，通過檢測的手段使每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都得到優(yōu)化，進而保證生產(chǎn)規(guī)范化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，滿足需要，保證安全生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】流量測量 誤差 解決方案 診斷技術(shù)

流量測量作為工業(yè)測量的一個重要領(lǐng)域與溫度、壓力、物位的測量并稱為檢測中的四大參數(shù)，凡是需要掌握流體流動就會涉及到流體測量的問題。由于現(xiàn)代社會提倡從粗放型生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榧s型生產(chǎn)，使得對流量測量更為關(guān)注。目前流量計量主要應(yīng)用于能源領(lǐng)域和生產(chǎn)領(lǐng)域，流量測量儀器也是企業(yè)能源管理系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。常用流量計類型包括：電磁流量計、渦街流量計、孔板流量計、阿牛巴流量計、超聲波流量計，以及能直接測量流體質(zhì)量的科式力質(zhì)量流量計、熱式質(zhì)量流量計等。但測量儀器在工業(yè)應(yīng)用中存在著諸多問題，影響了工業(yè)過程測量數(shù)據(jù)準確性，造成測量上的顯著誤差，現(xiàn)分析如下：

一、流量測量數(shù)據(jù)引入誤差分析

（一）設(shè)計選型與安裝引入的誤差

設(shè)計沒有充分考慮工況條件（溫度、壓力、流量的范圍）、管網(wǎng)條件（管徑、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、走向、位置等因素）形成的誤差；儀表安裝不標準規(guī)范（安裝位置、安裝方式、法蘭焊接等）導(dǎo)致的誤差。例：對于傳統(tǒng)的渦街或孔板流量計，其前后安裝直管段要求分別約為21D和14D。如果上下游直管段不足，則會導(dǎo)致流體未充分發(fā)展，存在旋渦和流速分布剖面畸變。流速剖面畸變通常由管道局部阻礙或彎管所造成，而旋渦普遍是由兩個或兩個以上空間（立體）彎管所引起的。

（二）工藝和流體環(huán)境引入的誤差

流體作為流量測量的對象其構(gòu)成十分復(fù)雜，有單相流體、多相流體、牛頓流體、非牛頓流體。它們對測量都有著特殊要求（壓力、溫度、流量的范圍對測量的精度也有很大的影響）。因此流量測量對象的復(fù)雜性決定了流量測量技術(shù)的發(fā)展是個長期的過程。

通常，計量檢測儀表出廠時作為產(chǎn)品都標有一個標稱精度，這是儀表出廠前在參比條件下確定的。對工藝和流體環(huán)境要求一般如下：

1.環(huán)境條件，15～35℃，大氣壓 86～108 kPa，相對濕度 45%～75% ，無電場、磁場干擾，無振動。

2.電源條件，AC220V±10%或110V/50Hz±1Hz ，DC2.4V

3.流體條件，充滿圓管的單相牛頓流體，無旋渦、無擾動的定常流。

由于工藝和流體環(huán)境的差異化現(xiàn)象存在的干擾，實際生產(chǎn)操作條件和運行環(huán)境變化產(chǎn)生的擾動，會帶來測量誤差，不同測量原理的儀表，影響并不相同。例如：電磁流量計易受電磁場干擾，渦街流量計易受到振動及變頻干擾影響，超聲波流量計易受到介質(zhì)密度變化干擾。

（三）儀表失靈引入的誤差

在儀表使用過程中各種故障不斷出現(xiàn)，如：儀表生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制不嚴造成精度不滿足要求；安裝標定時的零點標定、變送器校準時出現(xiàn)的誤差；長時間使用造成的儀表失靈、零點飄移，如：企業(yè)在生產(chǎn)過程中存在頻繁的操作，像用電設(shè)備的頻繁開關(guān)、電動閥門的頻繁開啟等。頻繁操作對于儀表測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖擊使測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生大的波動。所有的這些都是儀表使用過程中不可預(yù)測的誤差。

（四）綜合自動化中數(shù)據(jù)集成引入的誤差

計量點欠缺誤差：由于企業(yè)的計量體系規(guī)劃設(shè)計不是基于工藝與完整的能流來規(guī)劃設(shè)計計量體系和配置計量器具。因此，必然存在消耗、損耗等環(huán)節(jié)或工序的計量檢測點不全而導(dǎo)致的誤差。

采樣周期不統(tǒng)一造成的誤差：在企業(yè)綜合自動化數(shù)據(jù)采集過程中由于采樣周期的不統(tǒng)一，造成數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集成過程中產(chǎn)生誤差。

二、針對引入誤差的解決方案

（一）硬件解決方案

1.完善計量考核功能，結(jié)合企業(yè)的實際情況，按照計量數(shù)據(jù)的功能要求，針對結(jié)算型計量數(shù)據(jù)、管理型計量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計型計量數(shù)據(jù)等對數(shù)據(jù)的準確度要求，選擇滿足計量精度要求的計量器具，減小因計量器具本身誤差帶來的計量數(shù)據(jù)誤差。

2.優(yōu)化儀器儀表選型、安裝與維護工作 充分考慮工況條件（溫度、壓力、流量的范圍）、管網(wǎng)條件（管徑、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、走向、位置等因素）優(yōu)化儀器儀表選型；參考各儀表廠商技術(shù)資料中的前后直管段數(shù)據(jù)，認真考慮工藝管路的布局情況及周圍環(huán)境的影響等因素（前直管段前管網(wǎng)上彎通、三通、閥、泵和機電設(shè)備的布局和數(shù)量，管網(wǎng)水平、垂直、上下流走向等，實現(xiàn)最佳的儀表安裝。

（二）軟件解決方案

1.儀表故障診斷技術(shù)

儀表故障診斷領(lǐng)域的方法劃分為3類：基于解析模型的方法；基于定性經(jīng)驗知識的方法；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法。算法如下圖所示：

圖1 儀表故障診斷技術(shù)

（1）基于解析模型的方法。基于解析模型的方法適用于能建模、有足夠傳感器的“信息充足”的系統(tǒng)，利用系統(tǒng)辨識的方法辨識其參數(shù)。參數(shù)估計法、狀態(tài)估計法、分析冗余法等都是典型的基于解析模型的方法，理想狀態(tài)是能夠獲得精確的模型。

（2）基于定性經(jīng)驗知識的方法?；诙ㄐ越?jīng)驗知識的方法適用于不能或不能建立解析模型、傳感器數(shù)不充分的“信息缺乏”的系統(tǒng)。主要利用包括因果分析、專家系統(tǒng)、有向圖等方法，構(gòu)造某些系統(tǒng)功能以模仿和實現(xiàn)人類（熟練操作人員，技術(shù)人員、專家）在監(jiān)控過程中的某些思想和行為。自動完成整個檢測和診斷過程。

（3）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷方法?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷方法采用的數(shù)據(jù)源于當前采樣在線和系統(tǒng)存儲的大量歷史離線數(shù)據(jù)。診斷方法主要有基于統(tǒng)計分析的方法、基于信號分析的方法以及基于定量知識的數(shù)據(jù)分析方法。

①基于統(tǒng)計分析的方法。主要依靠分析過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計量，從其中的變化提取特征。應(yīng)用統(tǒng)計理論進行故障診斷的前提是系統(tǒng)中必須出現(xiàn)故障，否則過程數(shù)據(jù)的特征統(tǒng)計量只能在一定的、可以接受的范圍內(nèi)波動。雖然某個變量每次觀測的具體數(shù)值不能準確預(yù)測，但其平均值和方差值等特征統(tǒng)計量會保持不變。利用可重復(fù)性可以針對特定的變量設(shè)定特定的門限值，從而有效地檢測出異常狀態(tài)?；诮y(tǒng)計分析的方法可以分為單變量統(tǒng)計方法和多變量統(tǒng)計方法。例如：基于PCA法的故障檢測方法利用正常運行條件下的歷史數(shù)據(jù)建模，通過少數(shù)幾個主成分，提取絕大部分數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，將原始數(shù)據(jù)空間分為主成分子空間（principal component subspace，PCS）和殘差子空間（residual subspace，RS），通過監(jiān)測實際測量數(shù)據(jù)在殘差子空間的投影大小是否超過閥值，來判斷是否發(fā)生故障。

②基于信號分析的方法。利用過程中某變量不同時刻采樣值組成的信號中蘊含過程運行特征的信息。基于信號分析的故障診斷方法是利用各種信號分析技術(shù)提取信號時域和頻域的特征，例如：小波變換、s變換及HHT變換，利用幅值變化、相位漂移等方法確定過程的狀態(tài)。

③基于人工智能的故障診方法。不需要定量數(shù)學(xué)模型，利用人工智能技術(shù)，即通過指示計算機如何學(xué)習(xí)、推理和決策等實現(xiàn)故障診斷。運用的知識涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知識、經(jīng)驗規(guī)則知識、工作狀態(tài)知識、環(huán)境知識等。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行故障診，其原理是先利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)（通常是大量的已知屬性的樣本）建立起故障識別和分類的映射，然后將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)用于觀測的數(shù)據(jù)進行異常情況的判斷。

三、結(jié)束語

根據(jù)對現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)過程之中計量檢測儀器進行綜合性的分析，在充分全面的探討了各種計量儀器的功能基礎(chǔ)之上，對計量儀器進行了誤差分析及解決方案研究，旨在提高數(shù)據(jù)測量的準確率，促進計量工作的不斷向前發(fā)展，減少企業(yè)因計量失誤而帶來的成本開支。

參考文獻：

[1]陳映江.自適應(yīng)均衡技術(shù)在通信中的作用及計量檢測管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建探討[J]. 軟件導(dǎo)刊. 2011（03）

[2]周華平，林浩偉.基于分布式數(shù)據(jù)庫的ERP系統(tǒng)[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊）. 2009（09）

[3]韓穎，朱衛(wèi)軍.機務(wù)計量測試管理系統(tǒng)的設(shè)計與實施[J].內(nèi)燃機車.2008（11）

[4]張志，梁敏.企業(yè)計量標準管理信息系統(tǒng)設(shè)計[J].中國計量.2005（04）