多参数融合论文（精选9篇）
多参数融合论文 篇1
摘要：对于带有未知模型参数和未知相关噪声统计的多传感器随机系统, 基于ARMA新息模型, 利用相关方法, 用平均局部的模型参数和噪声统计估值器的方法, 提出了模型参数和噪声统计信息的在线信息融合估计器, 它们可以被解释为最小二乘融合估计, 并证明了相应的辨识器具有强一致性, 即以概率1收敛于相应的真实值。一个2传感器系统的仿真例子说明其有效性。
关键词：信息融合估计,未知模型参数,相关方法,强一致性,辨识器
在Kalman滤波的应用中, 系统的模型参数与噪声方差阵要求事先假设已知, 但在许多实际系统中, 此条件难于满足, 比如在GPS导航系统中, 可以作为导航环境函数的矩阵往往包括大气时滞、多路位置误差、时钟漂移等, 难于做出先验预测[1]。为了克服此缺点, 自校正估值器应运而生。
对于带未知噪声统计信息的系统, 利用Kalman滤波理论设计自校正估值器, 需要在线辨识系统的噪声方差和互协方差。文献[2—4]提出了利用相关方法求系统噪声方差的在线估值器的新方法, 避免了辨识ARMA新息模型, 并且基于观测过程采样相关函数的遍历性保证了噪声方差估值器的强一致性 (即以概率1收敛于真实值) 。在此基础上, 利用动态误差系统分析方法, 文献[3,4]分别得到了以概率1或按实现收敛的自校正解耦信息融合Wiener状态分量滤波器和自校正加权观测融合Kalman滤波器, 但它们都没有解决系统带有未知相关噪声时的自校正融合器的设计问题。
文献[5]将文献[2—4]的方法加以推广, 对于带未知相关噪声的多传感器系统, 用相关方法, 提出了系统噪声方差阵和互协方差的在线辨识方法, 并证明了辨识器的强一致性。该辨识器的获得是通过解一个任意选择的部分相关函数方程组得到的, 是未知参数的一种局部估计。在辨识结果精度未知的情况下, 无法保证辨识结果的收敛速度和精度。将其利用于自校正估计, 可能会导致滤波性能变坏, 甚至发散, 且尚未解决模型参数和噪声统计信息均未知的系统的在线辨识问题。
为了解决这些问题, 本文在文献[5]的基础上, 对多传感器随机系统, 基于ARMA新息模型, 利用相关方法, 提出了多传感器系统模型参数和噪声统计的信息融合两段辨识方法, 并证明了相应的辨识器的强一致性。该方法是利用解不同的线性无关的部分相关函数方程组得到若干不同的局部估值器, 并将局部估值器进行算数平均加权得到的, 可证明它能被解释为最小二乘融合器。故该信息融合两段辨识方法具有一定的保守性, 它在每时刻精度上既不是最高的, 又不是最低的, 而是介于最高、最低之间的, 这就使得该辨识方法具有避免风险的特性———不会因为利用到了一个最差的辨识结果导致滤波估值变坏或发散。
1问题阐述
考虑多传感器随机系统
其中t为离散时刻, q-1为单位滞后因子, q-1x (t) =x (t-1) , yi (t) ∈Rm为系统第i个传感器的输出 (观测过程) , w (t) ∈Rr和vi (t) ∈Rm分别是第i个传感器的输入和观测白噪声, A (q-1) 和B (q-1) 为多项式矩阵, 形如:
且A0=Im, 其中Im为m×m的单位阵, B0=0或B0=Ir。
假设1 w (t) ∈Rr和vi (t) ∈Rm是零均值、方差各为Qw和Rii, 互协方差各为Si和Rij的相关白噪声:
其中E为均值号, T为转置号, δtt=1, δtk=0 (t≠k) 。
假设2 (A (q-1) , B (q-1) ) 左素。
假设3 B (q-1) 已知, A (q-1) , Qw, Si, Rij中有部分参数未知。
问题是基于观测yi (t) (i=1, …, L) , 在B (q-1) 已知情况下, 在线估计A (q-1) , Qw, Si, Rij。
2模型参数与噪声统计信息的两段在线辨识方法
将系统未知模型参数和噪声统计信息的在线辨识分成两个阶段完成, 第一段估计模型参数A (q-1) , 第二段估计噪声统计信息Qw, Si, Rij。
第一段:由式 (1) 有
假设将A (q-1) 分解成为
其中A0 (q-1) 已知, Λ (q-1) 未知, 即A (q-1) 的所有未知参数全部包含在Λ (q-1) 中。令
则式 (4) 化为
而式 (7) 可以写成ARMA新息模型
应用辨识算法 (如:多维递推增广最小二乘法 (RELS) [6]或递推极大似然参数估计算法 (RML) [7]) , 对式 (8) 进行辨识, 可得估值Λi (q-1) , D i (q-1) 和Qεi, 进而利用式 (5) 即可得估值Ai (q-1)
采用算术平均加权算法可以得到系统的信息融合模型参数估计
第二段:引入观测过程
则由式 (4) 有
可见, 式 (12) 右边为两个MA过程之和, 则zi (t) 为一个平稳的随机序列, 记它的相关函数为
由式 (12) 计算相关函数有
其中n0=max (na, nb) , i, j=1, 2, …, L;k=0, 1, …, n0, 且Rij (k) =0, k>n0。
基于到时刻t处的观测过程信号zi (t) , zi (t-1) , …, 将相关函数Rij (k) (k=0, 1, …, n0) 在时刻t处的采样估值定义为
则得到相关函数的递推公式形式
且带初值Rij1 (k) =zi (1) zjT (1-k) 。
将信息融合估值Af (q-1) 引入新的观测过程中有
将zi (t) 代入式 (16) 得到相关函数的采样估计Rtij (k)
再将其代入式 (14) 中可得到方程组
从中选择适当的方程, 利用相关方法和文献[5]提出的估计步骤, 可得到估值Qwi, Si和Rij。
由式 (19) 和文献[5]可知, 可以从中选择不同的ni个线性无关的线性方程组, 利用不同的线性方程组就得到了不同的估值iθk, k=1, …, ni0, 其中iθk为包含所有未知噪声方差的向量的θi估值, ni0为从方程组式 (19) 中选择出的不同的线性无关的部分方程组的个数。iθk可以被称为未知参数的局部估计, 因而, 噪声方差的信息融合估计可以定义为这些局部估计的算术平均
则由相同采样估计Rtij (k) 得到的Qw的融合估计为
而Qw的最终信息融合估计为
类似地, Si和Rij的信息融合估计Sif和Rijf也可被得到。
由上面的两段辨识方法, 可以总结出如下定理。
定理1线性离散定常随机系统式 (1) 在假设1—3下, 由式 (10) 可得到系统模型参数的信息融合估值Af (q-1) , 进而通过解方程组 (19) 可得到噪声统计信息的信息融合估值Qwf, Sif和Rijf。
定理2θi的估值iθk (k=1, …, nif) 可以被视为θi的观测。当估值精度的统计信息完全未知时, θi的一个合理的估值是它的最小二乘融合估计iθf, 即
证明可以选择iθf最小化性能指标
置J/iθf=0有
这直接引出式 (23) 。证毕。
3估值器的强一致性
定理3线性离散定常随机系统式 (1) 在假设1—3下, 由定理1确定的信息融合估值Af (q-1) , Qwf, Sif和Rijf是一致的, 即Af (q-1) ※A (q-1) , Q wf※Qw, Sif※Si, Rijf※Rij, w.p.1。
证明利用多维RELS或RML辨识算法得到的辨识结果均是一致的[6,7], 即
由式 (9) 可知
则由式 (10) 有
进而由文献[5]的强一致性定理可得
由式 (20) 则有
证毕。
显而易见, 模型参数和噪声统计信息的信息融合估值是介于最高和最低精度之间的融合估值结果。
4仿真例子
考虑动态随机系统模型
其中w (t) 和vi (t) 是零均值、方差各为Qw和Ri的不相关白噪声, A (q-1) 和B (q-1) 为多项式矩阵, 且B (q-1) 是已知的, A (q-1) 中部分参数未知
其中A0 (q-1) 为参数已知部分, Λ (q-1) 为参数未知部分, 且噪声方差Qw和Ri均未知, 仿真中取
问题是基于观测yi (t) , 在B (q-1) 已知情况下, 如何在线辨识A (q-1) 、Qw和Ri。
对系统式 (31) 应用RML算法可以得到模型参数Λ (q-1) 、Di (q-1) 和噪声方差σ2εi的在线估值, 仿真结果如图1至图4所示, 其中直线表示真实值, 曲线表示估值。
利用式 (9) 可得到局部估值Ai (q-1) , 进而可以得到其信息融合估值Af (q-1) , 仿真结果如图5和图6, 其中直线为真实值, 曲线为估值, 可见融合估计有较好的收敛性。
通过引入新的观测过程z i (t) =Af (q-1) yi (t) , 由式 (18) 计算其相关函数的在线采样估值R tij (k) , 联立方程组式 (19) 可以得到噪声方差的信息融合在线估值Qwf和Rif, 仿真结果如图7和图8所示, 其中直线表示真实值, 曲线表示估值。
5结论
对多传感器动态随机系统, 基于ARMA新息模型, 利用相关方法, 提出了带部分未知模型参数和噪声统计信息的多传感器系统的信息融合两阶段辨识方法, 并证明了相应的辨识器的强一致性, 即它们以概率1收敛于相应的真实值。该信息融合两段辨识方法具有一定的保守性, 它在收敛精度上既不是最高的, 又不是最低的, 而是介于最高、最低之间的, 这就使得该辨识方法具有避免任意选择一个坏的模型参数或噪声方差估值器的风险的特性。该模型参数和噪声统计估值器可用于设计带未知模型参数和噪声统计信息的相关系统的自校正状态估值器。
参考文献
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[7]方崇智, 萧德云.过程辨识.北京:清华大学出版社, 1988
多参数融合论文 篇2
成果承担单位：河北省自动化研究所 项目负责人：连翠玲 联系人：刘祥乔
联系电话：0311-83018762
一、成果简介
“多参数铁路轨道检测仪”是一种检测铁路轨道轨距、水平、轨向、高低、正矢、行走距离和三角坑、轨距变化率等轨道长波不平顺参数的自动化仪器。它以右轨为基准轨，利用激光准直技术、高精度传感器和内置的数学模型，得出以上参数,并将结果作为指导铁路维护的重要依据。
检测仪由激光发射装置和检测接收车两部分组成。检测时，将激光发射装置与检测接收车间隔一定距离锁紧固定在钢轨上（直线轨最远检测距离200米，半径900米轨最远检测距离50米），系统工作时，通过瞄准镜将激光光斑打在检测接收车的激光接收器上，接收器的接收范围360mm×270mm。以一定速度连续推动检测接收车行进，激光接收器实时接收激光信号，根据陀螺仪、位移传感器、编码器以及系统内置的数学模型测得轨道轨距、水平、轨向、高低、正矢、行走距离和三角坑、轨距变化率等轨道长波不平顺参数，并将结果按查询条件进行显示。
该项目已研制完成“多参数铁路轨道检测仪”样机一台，并通过河北省科技厅组织的验收。
二、技术指标
项目 轨距 水平轨向 高低
检测范围
检测精度
1415～1480mm
±0.5mm
±100mm
±100mm
±0.5mm
±0.5mm
±75mm
±0.5mm 正矢
200mm
±0.5mm 行走距离
0～1000km
1‰
三、应用说明
1．应用实例与效果
“多参数铁路轨道检测仪”在北京铁路局石家庄工务段上行线路车间试用，上线测量了线路的轨距、水平、里程等参数。在试用过程中，该系统运行稳定，推行方便，并能够根据线路情况调整参数的设置，达到了铁路养护操作指导规范所要求的内容，降低了我们对于线路的养护劳动强度，在一定程度上节约了人力，提高了劳动效率。
“多参数铁路轨道检测仪”在石家庄铁路工务工程队试用，使用情况如下：该检测仪的操作性和测量参数的可靠性都达到了预期的要求，在操作上较为简便，测量时无需太多步骤，可方便的上线测量；其人机界面友好，能够做到各项功能一目了然；上线测量的铁路轨道的轨距和水平等参数，与经验数据对比，精度能够达到预期；但该检测仪对光稍显繁琐，主要是对光时所用的望远镜功能不足，需要频繁的调整焦距，可能会降低测量效率。
总体来说，该检测仪的使用情况良好，达到了预期的目标。
四、成果推广简介
1．应用范围：该检测仪可应用于全国铁路系统。
2．成果转化方式：我们采用自行转化方式进行成果转化。
多参数融合论文 篇3
1 管道布置
根据设计要求, 蒸汽管道系统要为9台机组提供蒸汽, 并要满足6台机组 (两个电站) 同时试验的条件 (电站所用蒸汽参数不全一致) , 因此本项目采用双母管、多分支设计方案, 并且在母管固定点附近设置蒸汽管道分支, 以减小各分支间的影响。
蒸汽管道布置中, 为了提高管道柔性, 减小各汽轮机进口受力, 采用了L形、Z形、Π形等管线形状, 同时设置了合适的支吊架, 并尽可能使管道的热位移方向与设备管口的附加位移方向一致。管道具体布置示意图详见图1。
2 管径和壁厚的计算
汽轮发电机组不同运行工况的蒸汽参数分别为:5.6 MPa、470℃、9.5 t/h和3.7MPa、370℃、10 t/h, 因此需要分别计算不同蒸汽参数下的管径和壁厚, 取较高值。
根据《火力发电厂汽水管道设计技术规定》, 管道材质采用12Cr1Mo V, 管道内径按下列公式计算:
其中:Di-管子的内径, mm;G-介质的质量流量, t/h;v-质比容, m3/kg;w-介质的流速, m/s;
管道壁厚按下列公式计算:
其中:Sm-直管的最小壁厚, mm;D0-管子外径, 取用公称直径, mm;Y-为温度对计算管子壁厚公式的修正系数;η-为许用应力的修正系数;[σ]t-为t℃时管子的许用应力;a-考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度, mm;根据计算结果, 蒸汽母管及分管分别取相应的厚度。
3 管道应力分析安全评定
管道应力分析分为静力分析和动力分析两部分。对于热力管道, 若没有特殊要求, 一般只进行静力分析。管道应力分析通常采用专门的管道应力分析软件, 如GLIF V、AUTOPSA、CAESAR II等, 也可采用通用的大型结构有限元分析软件, 如SAP5、ANSYS等。应力分析评定主要从以下两个方面考虑:
(1) 应力方面判定
在管道应力校核中, 根据产生应力的荷载不同, 管道应力分为一次应力、二次应力和三次应力。
管道一次应力是指由于外加荷载, 如管内压力、重力或其它持续荷载的作用而产生的应力。
管道二次应力是指由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力, 它不直接与外力平衡, 而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求而产生的应力。
管道三次应力为一次应力和二次应力的叠加, 也就是由内压、重力等持续外载和热胀冷缩而产生的最大合成应力。
管道应力合格的判别标准是:一次应力和三次应力必须合格, 二次应力可以不一定合格。管道的一、二、三次应力分别用以下三个不等式来判别。
式中, σ1, σ2, σ3—分别为管道的一、二、三次应力, MPa;
[σ]20, [σ]t—管材在20℃及设计温度下的许用应力, MPa;
f—应力范围减小系数, 它与预期寿命内管道全温度周期性交变次数N有关, 当N≤2500时可取f=1。
1) 管端推力方面判定
蒸汽管道与设备相连接, 管道对设备端口的推力是不可避免的, 尽量减小蒸汽管道对设备端口的推力使之小于设备端口所能承受的最大推力是减小蒸汽管道对设备影响的关键。
4 管道应力计算结果
由于同一管道通过不同蒸汽参数时管道的应力以及变形是不同的, 因此对于本次的多参数、多分支蒸汽管路系统的设计根据蒸汽参数的不同分别进行了计算, 并对计算结果进行了比较。
4.1 统一蒸汽参数
管道设计参数为:5.6 MPa、470℃和3.7 MPa、370℃。计算结果表明:管道变形均匀, 管道应力及管端推力均满足要求。下面列出管道高参数运行状态下的应力分析结果。
计算中假定母管及9个支管内通过的蒸汽参数均为5.6 MPa、470℃。管道最大应力见表1, 管端推力见表2, 管道热态变形见图2。
4.2 多蒸汽参数
上面的设计方案虽然满足了管系不同支管统一蒸汽参数时的应力分析, 但为了保证管道和机组的运行安全, 将管系的高低参数组合的不同运行情况均进行了计算, 计算结果表明:管道变形均衡, 管道应力及管道对设备接口的推力满足要求, 管道和机组运行安全。下面列出多参数组合中的一种运行情况时的管系应力分析结果。
假定机组1、2、3蒸汽管道内通过的蒸汽参数为高参数 (5.6 MPa、470℃) , 机组7、8、9的蒸汽管道内通过的蒸汽参数为低参数 (3.7 MPa、370℃) 。管道最大应力见表3, 管端推力见表4, 管道热态变形见图3。
结语
多参数、多分支蒸汽管道系统已安全投入运行, 表明此蒸汽系统的设计是正确、可靠的。通过此次设计工作得到如下启示:
(1) 管系中支吊架的合理布置及正确选型可以增加管系的柔性, 减小管道热应力及管端推力。
(2) 合理的利用冷紧虽然不能减小管道热应力但可以减小管端推力。
(3) 管道壁厚的合理选择可以增加管系的柔性, 减小管道热应力。
(4) 对于多参数、多分支的蒸汽管道系统应尽量在固定点附近分支, 减小母管对支管的影响
摘要：本文以某汽轮发电机组联调试验的多参数、多分支蒸汽管路系统设计为例, 介绍了热力管道设计即是管道布置、管径和壁厚的计算、应力分析的过程, 并给出了该设计管道应力、热态变形及管道对设备推力等计算结果, 计算结果表明:该管道变形均衡, 管道应力及设备端口受力小于许用值, 满足设计要求。
关键词：多参数、多分支,蒸汽管道,应力分析
参考文献
[1]DL/T 5054-1996.火力发电厂汽水管道设计技术规定 (code for design of thermal power plant steam/water piping) [S].
[2]DL/T5366-2006.火力发电厂汽水管道应力计算技术规定 (Technical code for stress calculating of steam/water piping in fossil fuel power plant) [S].
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[5]唐永进.压力管道应力分析 (stress analysis of pressure piping) [M].北京, 中国石化出版社, 2003.
多参数融合论文 篇4
简要介绍了概念性降水-径流模型的多目标参数优选方法,以新安江模型为例,从Pareto 支配法(Pareto Domination Approach)原理出发讨论了四目标函数情形下Pareto最优参数空间(Pareto Optimal Set)的Pareto优先排序(Pareto Preference Ordering)求解策略.通过对汉江上游江口流域降水-径流的新安江模型的.模拟检验,证明该方法能够为模型提供全局最优参数,好于传统的单目标参数优选结果.
作 者：陈垌烽 张万昌 CHEN Jiong-feng ZHANG Wan-chang 作者单位：陈垌烽,CHEN Jiong-feng(南京大学,国际地球系统科学研究所,江苏,南京,210093;南京大学,地理与海洋科学学院,江苏,南京,210093)
张万昌,ZHANG Wan-chang(南京大学,国际地球系统科学研究所,江苏,南京,210093;中国科学院,大气物理所东亚区域气候-环境重点实验室,全球变化东亚区域研究中心,北京,100029)
多参数桥梁振动监测系统设计 篇5
1 系统设计
如图1所示为多参数桥梁预警系统的设计框图。被监测的桥梁上挂接着多种不同类型的监测传感器节点,主要有温湿度检测节点、风速风向检测节点和XY双轴振动监测节点。不同类型的监测节点,采用统一地址编码的方式,将采样到的传感器信息通过高速CAN总线[2]发送到本地计算机上。系统采用了ATOM凌动处理器的便携式低功耗移动平台计算机,其体积小巧,功耗低,在关闭液晶显示器时,最低功耗不到1 W,而总体积比一个公文包小,且采用直流电压供电,因此本系统将该计算机平台放置在监测本地,与桥梁的距离通常在300 m以内,在此距离内CAN总线的最高数据传输速率可达125 kb/s,可连接足够数量的监测节点。本地计算机将每分钟采集到的所有传感器节点的参数信息压缩打包后通过GPRS模块发送到远程服务器端,并在服务器端完成数据解释、存盘等工作。由于本地监测系统是一个独立系统,因此采用了大容量的铅酸蓄电池作为供电能源,当天气良好时,太阳能电池板工作,并经由太阳能调压充电器对铅酸蓄电池充电,保证系统长时间的工作。
2 XY双轴振动监测节点设计
2.1 传感器选择与前端调理电路设计
振动传感器[3]是用于检测冲击力或者加速度的传感器,通常使用的是加上应力就会产生电荷的压电器件。目前应用于桥梁振动监测的加速度传感器大多采用动圈式机械传感器,通过磁铁切割磁力线得到感生电动势从而反映加速度的变化,其体积较大,高频特性不好,频带内的增益平坦度差,因此本系统采用了ADI公司的双轴加速度计。ADXL203[4]典型测量范围在±1.7 g,该加速计既可测量静态的也可测量动态的加速度,可承受3 500 g极限加速度。其下拉电流小于700μA,灵敏度达到1 000 m V/g。该加速计在-40℃~125℃温度范围内,具有±0.3%的温度灵敏性;±25 mg的零点偏移精度;在小于60 Hz的带宽下具有解决小于1 mg的解决方案(0.06°倾斜)以及优于0.1 mg/℃的稳定性。加速计ADXL203的内部电阻RFILT的标称值为32 kΩ,而其实际阻值可在14 kΩ~40 kΩ间选择,通过选择合适的XO、YO引脚的输出电容值,可降低传感器输出噪声,本文所设计的传感器信号频率上限为100 Hz,因此选择0.01μF的电容,该电容与ADXL203的内部电阻RFILT构成低通滤波器。由于ADXL203XL在加速度为0 g时,输出电压为2.5 V,实际的传感器是竖直安装,因此Y轴方向上就存在一个固有的1 g的加速度,则YO引脚输出电压为3.5 V。由于本系统只关心桥梁的振动情况,即加速度的变化情况,故设计了如图2所示的交流放大偏置电路。ADXL203输出的加速度信号,经过输出电容滤波后,再由电容C7与C21耦合后得到交流加速度信号,该信号经过精密双运放OPA2277UA组成的加法放大电路得到直流偏移电压为2.5 V的共模信号。经过上述电路就消除了传感器安装时导致的X、Y两轴的信号直流电压差异,得到两路共模电压为2.5V的信号,并送入后级ADC电路。图2中的VREF为来自高稳定度精密基准源REF192GS的基准信号,其典型温度系数为3 ppm/℃。
2.2 双24位ADC同步采样设计
为了保证X、Y双轴信号的严格同步采样,以及采样周期的准确性,采用模拟开关切换的方式显然不可行。本文采用了两片高精度24位分辨率的模数转换器AD7714,使用其同步功能,同时采样X轴与Y轴的加速度信号。AD7714[5]是美国ADI公司推出的一种高分辨率24位模数转换器件。由于AD7714采用了Σ-△转换技术,使其拥有小于150 n Vrms的低噪声,适用于宽动态范围、低频信号的模拟前端测量。器件可以被配置为3个完整的差分输入或者5个准差分输入,采用3 V或5 V供电可以很容易地实现多达5个通道的信号调理和转换,其最高数据输出速率为1 k Hz。
AD7714是一个完整的用于低频测量应用场合的模拟前端。它的3线串行接口与SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通过软件可对增益设定、信号极性和通道选择作出配置。AD7714的主要特点如下:
(1)最高可实现24 bit无误码输出,同时保证0.001 5%的非线性度;
(2)具有前端增益可编程放大器,增益值为1~128,内含可编程低通滤波器和可读写系统校准系数;
(3)有5通道输入,可根据需要采用3路差分输入或5路准差分输入;
(4)低噪声(<150 n V rms);
(5)低功耗,典型电流值为226μA(省电模式仅为4μA);
(6)采用单5 V供电(AD7714-5)或单3 V供电(AD7714-3)方式。
在图3中,U2、U4的同步信号引脚相连,U2的MCKOUT引脚连接到U4的MCKIN。当两片AD7714上电并被成功初始化后,控制器施加给两片AD7714共同的同步信号;当两片AD7714接收到同步信号后,将复位片内的数字滤波器、寄存器、模拟调制器等处于复位状态;一旦同步信号结束则立即开始正常工作。由于两片AD7714共用一个晶体振荡器信号,因此两片AD7714的片内工作时序是完全相同的,也就保证了数据准备就绪中断引脚DRDY的状态是完全一致的,两片AD7714严格同步。
2.3 CAN通信接口设计
本文采用STM32系列的Cortex-M3内核控制器,其片内自带了满足CAN2.0A与CAN2.0B协议的硬件通信接口,并使用CTM8251AT隔离型CAN收发模块完成了CAN总线的高速数据通信功能。以下为CAN波特率的计算:
由于CAN是挂接在APB1总线上,因此采用时钟PCLK1,当PCLK1=72 MHz时,波特率为=72/9/16=0.5 MHz,CAN_Prescaler的预分频值为1~1024。
在进行CAN组网布线时,需要注意的是,在中远距离应采用120Ω特征阻抗双绞线,通信距离大于600 m以上,选用线径大于0.75 mm2的电缆,超远距离线径应大于1.5 mm2。而且CAN总线的通信速率是随着通信距离的增大而降低的,通常在1 km时,最高波特率为35 kb/s,2 km时为18 kb/s,当距离大于5 km则必须增加CAN中继器,否则无法正常通信。
3 实测数据
如图4为桥梁振动系统实测得到的纵向垂直振动加速度信号。本系统中还采用了DHT22型号的温湿度检测模块与PH100SX型风速风向传感器,这两类传感器和输出都是数字信号,接口设计简单,限于篇幅不再赘述。本系统的实际指标如下:
在线调节传感器采样率范围为1~100 Hz;
在线调节传感器放大倍数为1,2,4,8,16,32,64,128;
加速度测量范围为0~±1.7g,最大灵敏度为1 mg;
加速度数据非线性度小于0.5%;
严格同步双轴振动数据测量;
单路CAN最大节点数为60,CAN组网可达600个节点以上。
本文所研制的多参数桥梁振动监测系统能够实现长时间无人值守的实时双轴振动信号采集、温湿度采集以及风速风向测量等功能。监控中心通过GPRS网络获取各监控桥梁的状态信息,并自动根据桥梁状态信号实时报警。该系统还可以应用于大型建筑体,拦河大坝等大型结构体的远程健康状态监控。
摘要：针对远程桥梁振动监测的要求,采用交流偏置电路与双路AD7714模数转换器实现ADXL203的双轴高精度同步振动加速度测量,并实现了温湿度与风速风向测量。使用低功耗便携式计算平台构建CAN总线监测网络,通过GPRS网络将桥梁状态信息发送到监控中心,实现远程多桥梁多参数监测系统。
关键词：桥梁监测,振动加速度测量,CAN总线,同步ADC采样
参考文献
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多参数监护仪常见故障排除 篇6
1 心电故障
1.1 故障一
1.1.1 故障现象
心电波形干扰大，数值不准。
1.1.2 分析与检修
(1)检查仪器是否接地线，接地端子必须接专用地线并把此线真正接地。有时用户把地线接在病床或湿棉球上，这是不对的，应该把接地线一端接到监护仪的接地端子上，另一端接至大地。如果接在暖气片或水龙头上也可临时使用，但必须把表面的漆刮掉再夹上夹子。
(2)查看患者皮肤是否清洁，要用电极砂片轻擦除去皮肤屑和油脂体汗等。清洁皮肤时不可用纯酒精，因为会增加阻抗。
(3)电极质量不好或贴的位置不准。
(4)调整滤波方式，特别是在手术室中使用时最好调整到“手术”方式。在诊断方式下显示的是经过滤波的ECG波;监护方式会将可能导致报警的伪差滤掉;在手术室中手术方式能减少来自外设备的伪差与干扰。
(5)如果患者有严重的房颤时，数值波动比较快，应以波形和患者的实际情况为准。
1.2 故障二
1.2.1故障现象
心电波形不出，显示导联脱落。
1.2.2 分析与检修
(1)切换到其他导联查看是否出波形。
(2)电极质量不好或和皮肤接触不好。注意一定不能使用过期的电极片。
(3)如用3根导线时(RA、LA、LL)，只能监护标Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个导联，其他导联不出波形。
(4)心电导联线有断线或连线，内接线有断线或氧化。
(5)心电模块故障。
1.3 故障三
1.3.1故障现象
心电波形不出，不显示导联脱落。
1.3.2分析与检修
(1)是否将导联选在GND上。
(2)心电模块或多功能卡出现故障。
2 呼吸波形故障
2.1 故障现象
仪器未接地。
2.2 分析与检修
(1)电极质量不好，与皮肤接触不好或贴的位置不准(呼吸波形不好应调整导联线的位置)。
(2)患者呼吸太微弱、太胖、太瘦等都有可能影响波形。
(3)当波形很小时，应适当调节增益以提高呼吸率的准确度。
3 血氧故障
3.1 故障一
3.1.1故障现象
监护画面显示“探头脱落”字样。
3.1.2 分析与检修
(1)发射管闪应是接收管坏或连线断，多在线管连接处。
(2)发射管不闪应是发射管坏或连线断，多在线管连接处。
(3)若能测出血氧波形但测不出数值，多为线管连接处氧化或一只管老化。
3.2 故障二
3.2.1 故障现象
仪器接血氧探头的情况下，测不出血氧波形及数值时，画面不显示“探头脱落”字样。
3.2.2 故障分析
出现上述现象主要是主机内部连线或模块有问题。
3.3 故障三
3.3.1故障现象
血氧值不准确或不出值。
3.3.2 故障分析
指甲不能过长，不能有染色物、污垢或是灰指甲，受试部位循环不良等都会造成血氧值不准确或不出值(如：冻疮等)。
4 血压故障
4.1 故障一
4.1.1故障现象
不充气。
4.1.2 分析与检修
(1)可能是使用者按测压键时间过长，造成连续开始/关闭，从而造成不测压现象发生(因血压测压及停止键是在同一按键上)[3]。
(2)可用“恢复出厂设置操作”恢复或重新开机(若有此功能)。
(3)血压模块故障。
4.2 故障二
4.2.1 故障现象
充气不足，即仪器进行测压时，监护画面压力值充不到所需要的压力值。
4.2.2分析与检修
(1)测压模式是否设定正确。
(2)检查外围附件是否完好，导气管、袖套及接口处是否漏气。
(3)如能排除上述原因，应为内部导气管或血压模块故障。
5 故障维修实例
5.1故障一
5.1.1故障现象
心电波形不出并显示导联脱落。
5.1.2故障分析与处理
根据故障现象初步判断为心电导联线故障，于是就用万用表测量心电导联线有无断线问题。经过反复仔细测量发现每根线都是通的，导联线没有问题。怀疑心电模块出现故障[4]。拆开仪器并把内部清理干净，加电测量仪器主电源，发现主电源12、5 V都正常。测量心电模块直流电源的输入和输出，发现心电模块有12 V输入，但是输出±12 V供电电压不稳定，经过认真分析，判断心电模块上的DC电源可能损坏。找来同样型号无故障的仪器，拆下12 VDC更换后输出电压正常，接上心电导联线测试心电波形也正常，向厂家购买一个DC电源更换后，故障排除。
5.2 故障二
5.2.1 故障现象
按测血压键，发现血压充气泵长时间打充气，但是数值只停留在6 mmHg (1 mmHg=133.322 Pa)左右。
5.2.2 故障分析与处理
根据上述故障现象，初步判断为袖带充气不足，可能是血压袖带或血压延长线漏气的缘故。经过检测血压袖带及延长管并不漏气，把这套配件放在同样型号无故障的另一台仪器上测压正常。拆开仪器，仔细查看内部管路也无漏气处，加电测量血压气泵充放电路，检查气泵电压(12 V)正常，6通管上的相关皮管都不漏气，按测压按键反复充气测试，听到电磁阀处有细微的漏气声并且发现气阀有锈的痕迹，故可判断是电磁阀吸合密封故障。向厂家购买了一个电磁阀更换后，设备恢复正常，故障排除。
参考文献
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[2]姚新琴.医用多参数监护仪的原理及故障检修[J].医疗卫生装备, 2007, 28 (4) :81.
[3]陈三旗, 杨俊.多参数心电监护仪SpO 2测量常见故障分析与排除[J].医疗卫生装备, 2007, 28 (10) :87.
浅谈多参数监护仪故障维修 篇7
故障一:监护仪显示屏故障。
一种情况, 开机显示屏显示正常, 但亮度太暗。遇到这种情况可以判定液晶显示屏的背光管故障老化或损坏。用电烙铁焊下后换上同种型号、长度的背光管, 故障解决;另一种情况显示器白屏说明显示屏有供电, 但无主控板的显示信号输入。可在机器后面的VGA输出口外接显示器, 若输出正常, 可能是屏坏或屏到主控板连线接触不良;若VGA无输出, 则是主控板故障。
故障二:无创血压故障。
充气无法达到设定的压力值或者压力值无法维持, 并报“袖带太松或者袖带漏气”首先排除外置血压管和血压袖带漏气。启动血压, 在血压充气过程中, 取下血压管并用手指堵住血压的出气口, 发现血压气泵还是继续工作。怀疑血压泵和电磁阀或者内部管路存在漏气。首先排除气泵, 取下气泵, 直接给气泵直流, 接上血压袖带, 发现袖带的压力正常, 排除了气泵漏气。内部是使用的透明硅胶软管, 如果有异常通常用肉眼就可以观察到。维修重点放在电磁阀上面了, 整个NIBP模块包括有一个快放阀和一个慢放阀。首先用万用表测得给电磁阀的电压值, 供电正常, 并且能听到啪啪声, 电磁阀已经工作了。测量电磁阀的电阻, 两个电阻差不多。我们发现电磁阀内部的弹片上面的泄气气是由一个阀门个一块软硅胶片组成, 发现硅胶片上有脏东西。怀疑是脏物导致阀门不能完全闭合而漏气, 用棉签沾酒精小心擦拭干净后装机使用, 机器血压完全正常。监护仪中的无创血压是各个参数中间使用频率最高的, 因为是机械和电子的结合, 很多情况可以使模块中间的机械部分工作产生变化。
故障三:显示“导联脱落”故障。
首先检查患者身上心电的电极粘贴是否粘贴牢固, 检查心电导联线的钮扣电极, 是否与病人接触良好。然后在确认心电极片贴放位置及质量无问题的情况下, 将此心电导联线与其它机器上的互换, 以确定是否心电导联线故障;如果心电导联线故障, 则用万用表测出开路的电极, 一般开路点多在导联线的连接部分, 用焊铁焊接牢固, 一般即可解决。排除心电导联线和病人心电极故障后, 用心电模拟信号发生器代替病人, 看此时屏幕上是否有心电模拟信号, 如果没有, 可能是参数插座板上的“心电信号线”接触不好, 或心电板、心电板与主控板连接线故障, 最后的原因是主控板故障, 只能维修或更换主控板。
故障四:血氧饱和度显示“探头脱落”。
将手指放入传感器后, 监护仪屏幕上“探头脱落”提示不消失, 初步判断是血氧探头故障, 采用替代法用一完好氧探头接到主机上后测量正常。说明主机工作正常。该探头传感器是由发射和接收组成, 发射器件用波长分别为660nm的红光和960nm的红外光反极性并联, 接收用PIN型光敏二极管。发射端电阻正向电阻应为1.5kΩ, 反向应为1.1kΩ, 接收端正向应为560Ω, 反向应为无穷大。打开探头接口处测量发现接收端电阻的正反向电阻都为无穷大。说明接收端的连线有问题, 在接头处发现断点, 重新连接后, 探头恢复正常。
故障五:呼吸率故障。
显示呼吸率数值有误, 常是零。呼吸率检测方法较多, 最常用的是阻抗呼吸描记法, 该方法通过两个心电图的电极为检测点, 让恒定的低电流高频信号通过胸壁两壁上的检测点, 肺部的阻抗随着呼吸频率而变化, 阻抗的变化使得输出信号电压变化, 这样就检测得到呼吸的波形和数字。另一种较常见的是热敏电阻检测法, 该方法将热敏电阻放在鼻或嘴附近以检测吸气和呼气的温度变化。温度的改变使热敏电阻阻抗改变, 得到一个随呼吸变化而改变的电信号辅出。其它方法有, 感应体积描记术, 采用连接在胸壁上的脉冲转发器产生和检测电磁场中的变化;压力检测法, 将压力敏感胶囊放在腹部以检测由呼吸引起的体表活动。使用阻抗呼吸描记法时, 最重要的是选择好检测点, 使在呼吸过程中二检测点之间的阻抗变化率达到最大值。若二电极相近, 呼吸量小, 阻抗变化很小, 电压值的变化小, 显示呼吸波形近似呼吸, 若鼻夹不紧产生漏气, 呼出的气体未从热敏电阻通过, 测的呼吸有误。长期监护病人不舒服。排除方法:按正确操作方法执行, 选择检测点或放置好热敏电阻以免外界空气干扰。
以上所述只是临床上最常有的监护参数和最常见的故障现象分析, 另外其它不经常使用的监护参数或电路故障末做分析。仅供大家参考。
参考文献
[1]吕文标, 等.多参数监护仪测量原理及使用[J].医疗设备信息, 2001 (5) :21.
[2]姜远海, 等.临床医学工程技术[M].北京:科学出版社, 2002.
多参数监护仪的质量检测 篇8
1 监护仪的质量检测
多参数监护仪的检测主要有性能检测和电气安全检测。
1.1 检测设备
我院购进美国Fluke公司生产的Pro Sim8型生命体征模拟器和ESA612型电气安全分析仪,可以分别对多参数监护仪性能和电气安全进行检测。
1.2 监护仪的性能检测
监护仪技术参数众多,标准6参数为心电图、呼吸、无创血压、血氧饱和度、脉搏、体温,此外可选的参数为有创血压、呼吸末二氧化碳、麻醉气体、心输出量(有创和无创)、脑电双频指数(BIS)等。在实际工作中如对其全部参数进行检测,常常是不实际的。决定多参数监护仪性能的核心参数及其在临床中使用的常规参数是心电图、呼吸、无创血压及血氧饱和度这4类参数,因此可以认为对这4类参数进行测试,就可以判断监护仪的性能状况。另外还要对监护仪进行声光报警检测、上下限报警检测、静音功能检测等性能检测。
1.2.1 监护仪的外观检查
首先查看监护仪的铭牌信息,应标有:仪器名称、制造厂家、型号、出厂编号、生产日期等信息,然后查看外壳是否破损,最后查看开关、按键、旋钮触摸屏等是否可以正常对监护仪相关参数进行设置。
1.2.2 心电检测
连接好模拟仪与监护仪,设置监护仪上的心率来源为心电,依次检测临床常用心率信号30,60,100,120,180次/min等的示值,观察监护仪上显示的波形是否与模拟器显示的波形一致,记录下实测心率数值并计算误差。
误差=(实测值-标准值)/标准值×100%
另外可以通过设置模拟器产生心动过速、室颤等心律失常信号,查看监护仪有无心律失常显示及声光报警来检测监护仪的心律失常功能。
1.2.3 呼吸频率检测
连接好模拟仪与监护仪,设置模拟仪产生的呼吸频率15,20,40,60,80等示值并记录下实测呼吸频率值并计算误差。
误差=(实测值-标准值)/标准值×100%
注意:如果监护仪上没有呼吸频率示值,则按“SPECIAL FUNC”键选择呼吸选项,设置呼吸频率检测的导联(“LA/LL”),即可正常显示。
1.2.4 无创血压检测
连接好模拟仪与监护仪的血压管路(不同型号的监护仪需要选择相应连接管接头),依次设置60/30(40)mm Hg、80/50(60)mm Hg、100/65(76)mm Hg、120/80(93)mm Hg、150/100(116)mm Hg等不同的压力值,然后进行检测,并记录下实测无创血压值并计算误差。误差=(实测值-标准值)/标准值×100%。
1.2.5 血氧饱和度检测
将Pro Sim SPOT血氧饱和度检测仪连接在Pro Sim8型生命体征模拟器上,把监护仪血氧饱和度探头夹在血氧饱和度检测仪上,不同品牌厂家使用的血氧探头参数不一样,需要选择恰当的探头类型(Nellor、Masimo、Philips、Mindray等),再设置血氧饱和度数值,分别为85%、88%、90%、98%、100%,并记录下实测血氧饱和度值并计算误差。误差=(实测值-标准值)/标准值×100%。
1.3 监护仪的电气安全检测
根据GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分:安全通用要求》,监护仪的电气安全级别最高,其应用部分CF型(预期直接作用于心脏),血压、呼吸部分为B型应用部分。监护仪的电气安全非常重要,直接关系到患者和医护人员的生命安全,因此定期对监护仪进行电气安全检测可有效地防止安全事故的发生。
1.3.1 电源电压
监护仪电源电压正常应为交流220 V,对于使用稳压电源或UPS供电的监护仪,可以直接对稳压电源或UPS输出的电压进行测量,如果发现电源电压不在正常范围、火线零线接反、地线断开等要及时维修电源[2]。
1.3.2 保护接地阻抗
用电气安全分析仪测试表笔连接被检测监护仪保护接地,检测前先按“Zero Leads”键进行电阻清零后进行保护接地阻抗测量,其测量结果应不大于200 mΩ。
1.3.3 绝缘阻抗(电源一地、应用部分一地)
绝缘阻抗检测是对被测监护仪施加最高500 V电压,检测绝缘部分之间的漏电流,来测试在规定时间内监护仪的绝缘性能。
用电气安全分析仪测试表笔连接被测试监护仪表面的金属部分或用监护仪的导联线连接到电气安全分析仪的ECG接头上,按“MΩ”键,进行绝缘阻抗(电源-地)或者绝缘阻抗(应用部分-地)的测试。
1.3.4 对地漏电流
对地漏电流是指由网电源部分穿过或跨过绝缘流入保护接地导线的电流(保护接地是把仪器的外壳进行接地以防止电击的一种保护方法),如果对地漏电流过大,表明设备内部绝缘部分破损,存在安全隐患。
连接好电气安全分析仪和监护仪的电源线,按“μA”键,选择“Earth”进行测量,对地漏电流检测。这项检测需要测试“电源正常状态、正常状态电源反向、断开一根电源线、断开一根电源线电源反向”这4种情况的数据。
1.3.5 外壳漏电流
外壳漏电流是指正常使用时医护人员或患者可能触及的外壳或外壳部件(应用部分除外),经外部导电连接而不是保护接地导线流入大地或外壳其他部分的电流。外壳漏电流中测量的是监护仪外壳经由人体导出的电流。若外壳漏电流过大,当医护人员或患者接触到监护仪外壳时,就会有过多的电流通过人体,引起电击事故。
用电气安全分析仪测试表笔连接被测试监护仪表面的裸露金属部分,按“μA”键,选择“Enclousure”进行测量,这项检测需要测试“电源正常状态、正常状态电源反向、断开一根电源线、断开一根电源线电源反向、断开一根地线、断开一根地线电源反向”这6种情况的数据。
1.3.6 患者漏电流
患者漏电流是指从应用部分经患者流入地的电流。或是由于在患者身上意外出现一个来自外部电源的电压而从患者经F型应用部分流入地的电流。由于患者经应用部分与设备直接相连,如果漏电流超标,极易对患者造成伤害。
用监护仪的应用部分(心电导联线)连接到电气安全分析仪的ECG接头上,按“μA”键,选择“Patient Auxiliany”,通过按方向键选择导联,进行测试。这项检测需要测试“电源正常状态、正常状态电源反向、断开一根电源线、断开一根电源线电源反向、断开一根地线、断开一根地线电源反向”这六种情况的数据。
1.3.7 患者辅助漏电流
患者辅助漏电流是指正常使用时,流入处于应用部分之间的患者的电流,此电流预期不产生生理效应。
用监护仪的应用部分(心电导联线)连接到电气安全分析仪的ECG接头上,按“μA”键,按“MORE”再按“Select”进入患者辅助漏电流检测,选择“Patient”,通过按方向键选择导联组合或单个导联,进行测试。这项检测需要测试“电源正常状态,正常状态电源反向,断开一根电源线,断开一根电源线电源反向,断开一根地线,断开一根地线电源反向”这6种情况的数据。
2 检测后的处理
通过对监护仪的质量检测,发现影响质量检测主要是心电导联线破损或者断裂、血氧探头老化损坏、血压袖带破损漏气或者袖带黏度不够捆绑不紧等附件问题,通过更换附件后一般都可以通过检测。
影响电气安全检测情况主要有:对地漏电流超标,检查发现是电源线地线断开,更换电源线后可以通过检测;外壳漏电流超标,检查发现是电源板地线虚焊,对虚焊点进行补焊后可以通过检测;接地阻抗大,检查发现是监护仪使用年限较长接地端子表面氧化,更换接地端子或者去除表面氧化后可以通过检测[3]。
3 小结
我院于2012年和2015年先后两次通过的JCI认证,按照JCI要求我院对多参数监护仪做了风险评估,得出多参数监护仪属于中风险设备,每年至少检测1次。我们采用PDCA的方法对新购入监护仪进行验收检测、修后检测与定期检测相结合的方式对全院的多参数监护仪进行检测。在对多参数监护仪检测后由质控检测工程师填写检测报告,对检测合格的多参数监护仪粘贴测试通过标签,只有通过检测的多参数监护仪才可以投入临床使用。
参考文献
[1]美国福禄克公司著,卫生部医院管理研究所组织翻译.临床工程指引:医疗仪器设备临床应用分析评估[M].北京:中国计量出版,2009.
[2]刘晓雯.多参数监护仪的质量控制对应用安全的影响[J].中国医疗设备,2010,25(8):103-104.
矿用多参数气体流量传感器设计 篇9
关键词：瓦斯抽放,气体流量传感器,多参数,流量,温度,压力
0 引言
在煤矿瓦斯抽放监测系统中, 经常需要同时监测同一个管道位置的多个运行参数[1], 然而, 目前煤矿井下瓦斯抽放监测系统中一种传感器一般只能测量一个参数, 连接一根电缆到传输分站上, 在瓦斯管道上取一安装孔。这样现场监测多个参数就要铺设很多电缆, 取很多安装孔, 导致安装和维护很不方便。市场上现有的V锥、涡街等流量计需要根据管道管径、管道内气体流速、测量量程比等参数进行定制[2], 存在需要增加前期调研投入、发货周期长等问题。鉴此, 笔者设计了一种矿用多参数气体流量传感器, 该传感器可同时测量瓦斯管道内温度和压力, 并可测量管径为80~1 000 mm的管道内流速为0.3~30m/s的气体流量。
1 多参数气体流量传感器硬件设计
多参数气体流量传感器以ARM Cortex-M0LPC1227为核心, 由流量温度测量电路、压力测量电路、LCD显示电路、红外遥控电路以及RS485通信电路、频率输出电路等组成, 如图1所示。
1.1 流量温度信号处理
流量温度探头流速检测范围为0.3~30 m/s, 温度范围为0~100 ℃, 功耗约为10V/50mA。该流量温度探头由测温探头、测速探头和固定基座组成, 其中一只特制pt200和一只pt1000固定在测速探头里, 一只pt1000固定在测温探头里, 如图2所示。将流量温度探头通电后插入瓦斯抽放管道内, pt200加热升高到一定温度。 随着瓦斯流量的变化, 测速探头输出与pt200温度对应的阻值, 测温探头输出与环境温度对应的阻值。将测速探头和测温探头输出的2个阻值分别转换为电压信号, 直接接入AD7705的2个AD转换通道, 然后将转换结果通过SPI总线送入LPC1227。
1.2 压力信号处理
压力测量器件由国外的MEMS器件封装而成, 具有1.0mA直流输入, 0~50mV电压信号输出, 压力测量范围为0~200kPa。分别以TL431三段稳流可调基准源和MCP6002运算放大器为核心器件, 设计直流输出和信号放大电路, 最后信号输入MCU进行AD转换。直流输出电路如图3所示, 其中VS5 和EXC_P-分别接压力传感器的电源正负端。
1.3 抗干扰处理
多参数气体流量传感器主要安装于煤矿井下瓦斯抽放管路上, 周围可能会有动力电缆的感应干扰、电动机及电气设备辐射干扰、电力变频器的干扰、井下接地网干扰、漏泄通信系统干扰等[3]。因此, 进行如下抗干扰处理:① 使用DC/DC模块隔离传感器电源;② 流量和温度信号经过片外AD转换后, 输出SPI信号, 经过磁耦隔离进入LPC1227 MCU芯片;③ 流量温度信号处理部分、压力测量信号处理部分在供电和PCB布板上都充分隔离;④ RS485信号和200~1 000 Hz频率输出信号均通过磁耦隔离。
2 多参数气体流量传感器软件设计
多参数气体流量传感器的软件采用C语言及模块化设计, 主要实现基于SPI通信的流量和温度信号采集, 流量、压力和温度信号运算处理, 基于I2C通信的LCD段码液晶显示, 遥控器参数设置, 基于Modbus-RTU协议的RS485 通信, 200~1 000Hz频率输出等功能。
为提高传感器测量精度, 在流量温度处理部分采取以下措施:① 在数据采集部分采用平均值滤波法, 连续采集10组数据, 去掉最小值和最大值, 再计算其余8个数的平均值, 以消除偶然脉冲引起的采样偏差;② 硬件电路采用实时温度补偿设计[4], 用实时采集到的流量数据补偿环境温度数据, 消除了管道内气体温度突变引起的测量误差;③ 引入瓦斯和空气组分补偿算法, 在仪表设置中可以打开该功能项进行现场标校, 从而减小管道内不同组分气体引起的测量误差[5,6]。
为提高传感器实用性, 在软件上采取以下措施:① 考虑到多参数气体流量传感器安装于瓦斯管道上, 而该类管道一般都悬挂高处安装, 因此, 采用红外遥控按键方式设置参数;② 根据现场不同分站通信格式的要求, 设计了基于标准Modbus-RTU协议的RS485和200~1 000 Hz频率输出2 种通信方式;③ 根据现场瓦斯管径的不同, 可以设置流量最大限输出, 避免了以前不同传感器需要定制的弊端。
多参数气体流量传感器软件流程如图4所示。
3 多参数气体流量传感器测试及分析
传感器测试标定选用的设备是经过计量合格的DHS-500×500/700×700-1 型环形低速风洞, 该风洞提供的风速精确, 稳定性好。传感器经风洞标定后, 将算法写入程序内部, 传感器显示流速值和风洞提供的流速值误差在±2% (FS) 以内, 满足煤矿实际精度要求。图5为传感器样机标定后的曲线拟合图。从3次不同时间的标定曲线可见, 随着风速值S的增大, 传感器采样值变化基本一致, 该结果验证了所设计的多参数气体流量传感器的可行性。
4 结语
矿用多参数气体流量传感器可以同时测量管道内气体流量、温度和压力, 集成度高, 造价低, 且减少了现场通信电缆铺设数量, 降低了工程安装难度, 减少了日常维护工作量;MCU采用包含丰富的外设资源的LPC1227, 节约了很多昂贵的外围器件 (如AD转换芯片) , 并且功耗低;该传感器完全满足Ia等级对插入瓦斯管道内传感器电流小于100mA的要求。目前该传感器已经完成工业性试验, 试验结果表明, 该传感器在瓦斯管道环境中运行稳定, 量程比大, 精度高。
参考文献
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