间接测量论文（精选5篇）
间接测量论文 篇1
1 概述
发电机转子是旋转部件,直接测量转子的温度比较困难,即在转子线圈和槽内埋入测温电阻,再安装很多小碳刷,将阻值信号引出(每个测点对应一个碳刷),这样给发电机运行带来隐患,而且工艺上实现很困难。所以,对于高速运转的发电机,用间接法测量发电机转子温度是一种比较理想的方法。
2 间接法测温原理
发电机转子线圈是由铜线绕制而成的,在不同温度下的铜线电阻是不同,当发电机正常运行时,发电机转子有较大的励磁电流,使转子线圈的温度升高,导致铜线圈电阻增大。测量转子绕组的电流、电压,并进行分析和计算,可算出转子绕组的电阻值。
发电机转子温度计算是基于计算发电机转子线圈的电阻实现的。计算公式如下:
式中,Uf为磁场电压;If为磁场电流;Lf为转子线圈绕组电抗;UB为集电环碳刷压降的直流分量;RB为碳刷的电阻;Rl为磁场电压测点至集电环碳刷间的直流母排的电阻。
基于磁场绕组电阻值的计算结果,绕组的温度可按照式(1)计算:
式中,Tf为发电机转子绕组的温度;Rfo为0℃时发电机转子绕组电阻。因此,采集发电机转子电压、电流值,能够计算出发电机的转子温度值。
3 检测装置的构成
3.1 装置的硬件构成
检测装置由三部分组成:
a.电压变送器、电流变送器。转子电流转换是通过转子回路中的2 000A/75mV分流器和(0～75mV)/(0～20mA)电流变送器完成的。转子电压是由电压变送器直接测得,变比为(0～1 000V)/(0～20mA)。
b.温度检测仪本体。检测仪控制箱装置的核心部分。
为保证装置可靠,检测仪选用日本松下公司的FP0型PLC。这种控制器体积小(截面积只有名片大小)、重量轻、易安装。它可以进行32位浮点运算,运算速度快(0.9μS/步),能够提高滤波和计算精度。
此部分由稳压电源A(供控制器用)、稳压电源B(供触摸屏用)、CPU模块、模/数和数/模转换模块组成。检测仪接受从电压、电流变送器测得的信号,经计算后,发出4～20mA转子温度信号或超温报警开关量信号,同时通过RS232串口COM 2传送给人机界面,如图1所示。
c.人机界面—触摸屏。人机界面采用触摸屏,选用HITECH公司的工业级人机界面。它能取代传统的控制面板功能,可节省PLC的I/O模组、按钮开关、数字设定、指示灯等,随时显示重要的信息。根据需要编辑各种界面,通过页面转换可以显示实时检测温度,绘制温度历史记录曲线,显示历史温度数据,并可通过设定界面对装置进行系统参数整定。
3.2 装置的软件构成
信号滤波、计算及逻辑关系由PLC完成,在NAIS的FPGR软件环境下编程;I/O选择、历史数据储存、曲线绘制等由HITECH人机界面完成,在SADP3软件环境下编程。
3.2.1 信号滤波
发电机的磁场电压由可控硅直流侧输出,因此含有高次谐波及换弧电压等干扰信号。如不进行滤波,则可导致测温输出5～20℃波动。应该采用惯性滤波和去极值平均滤波法的复合滤波。
惯性滤波:低通滤波传递函数
将上式离散化
式中,Yk为第k次滤波的输出值;Xk为第k次采样值;m为滤波系数;Td为对应于软件的运算周期。
惯性滤波用于消除电压信号中的高次谐波。
去极值平均滤波法:连续采样N次,同时找出其最大值和最小值,然后对N-2个采样值求平均值。此方法用于消除换弧电压尖峰的干扰。
3.2.2 数值计算
为保证计算精度,采用32位浮点计算。由于PLC的输入和输出量都是0～4 000的整数量,应在输入和输出处进行转换。另外,应合理安排计算顺序,防止数值溢出。
数值溢出可导致PLC死机,因此,编程时应对一些特殊工况进行考虑。
3.2.3 HITECH人机界面设计分为用户界面和调试界面并设不同级别的密码如图所示。
用户界面主要用于显示数据、历史温度记录及超温事件记录,如图3、图4所示,调试界面则用于设定发电机参数、PLC的I/O、A/D及D/A的校验和模拟试验。
4 程序的调试与装置的试验
4.1 HITECH人机界面
首先将编译后的程序在PC机上进行仿真操作,检验各界面的功能块、汉字显示及各界面切换,避免界面切换出现死循环。以上功能调整正常后,按照HITECH的说明书设定触屏后侧的DIP开关,然后将PC机与触屏用RS232通讯线连接,将程序下载。如在下载过程中出现故障,必须重新下载,否则人机界面以后运行会出现故障。
4.2 人机界面与PLC通讯
人机界面与PLC通过RS232口进行通讯。在HITECH的SADP3中设定通讯对象为NAIS的FP0,然后在PLC的FPwinGR软件中设定PLC的comport设定如下:No.412.portselection=computer link;Char.bit=8Bits;Paritycheck=Odd;Stopbit=1,Terminator=CR;Header=STX notexist。
4.3 PLC的软件调试
a.信号滤波。选择1台励磁装置,使其可控硅输出与大阻值的模拟转子负载连接,通过变送器将电压信号输入PLC。利用FpwinGR软件中的time chartmonitor观察经软件滤波后的波型,不断调整Td和m的值,如式(2)、式(3),选出最佳的设定值。
b.PLC的计算功能的校验。模拟不同工况时的发电机转子电压和电流值,计算出理论转子温度,与实际的显示的温度进行比较,通过调整有关参数使偏差最小。
c.仿真模拟试验。用发电机转子相同材质的铜线(线径较细)绕制高阻线圈(R=344Ψ),在线圈中通入恒定电流,将线圈置入恒温箱中。逐渐升高恒温箱的温度,比较恒温箱温度与实际显示的温度,调整软件中α值,如式(1),使显示温度与实际温度接近。经调整后,测量结果如表1所示。
℃
5 结束语
经72h模拟试验和现场运行表明,用NAIS的PLC和HITECH人机界面设计的装置完全能够满足现场要求,具有显示界面友好、可靠性高等优点。此装置所有硬件都采用成熟产品,不需要自制PCB板,对不同的应用只需更改软件即可。
通过试验结果可以看出,分析计算后的温度值与实际值之间有一定的误差。
造成这种误差的原因是多方面的,如硬件方面-集电环碳刷压降具有分散性、母排电阻值在温度变化后有影响、变送器测量精度的影响等。软件方面主要是滤波环节。
分析试验数据可知,在转子温升较低时,误差较大,最大可达到%;转子温升较高、接近发电机的额定工作点时,误差较小,为1.75%～2.60%。
总之,在不改变发电机转子结构的情况下,这个装置提供了具有一定精度的发电机转子温度值,可以给发电机安全运行提供一个相对可靠的参考数据,对机组的安全运行有所帮助。
参考文献
[1]汪晓光.可编程控制原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1995.
[2]许大中.电机控制[M].杭州:浙江大学出版社,1994.
[3]黄俊.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,2001.
水下冲击大电流间接测量方法研究 篇2
关键词：水下脉冲放电,冲击大电流,罗科夫斯基线圈
水下脉冲放电,可在瞬间产生高能的由内部高压向外膨胀的等离子体通道,借助水介质的弱压缩性,实现电能到机械能的高速转化。它自从20世纪50年代由前苏联开始系统研究以来,已广泛应用于工业领域,如医学上的体外碎石、机械加工中的液电成形、水下声学和地震勘探中的等离子体声源、环境工程中的水处理以及岩土工程中的岩石破碎[1]。脉冲放电特性研究是其中一个重要的研究领域,主要体现为脉冲波形特性,即剖析水中放电电压、放电电流、瞬时功率等因素与不同电源参数、反应器参数间的相互关系[2,3]。在所有脉冲放电特性参数中,最重要的分析参数是冲击大电流波形,而在水下放电条件下,获得准确的冲击大电流波形很困难。
冲击大电流测量有接入测量和非接入测量两种[4],接入测量采用通常采用同轴分流器法,该方法需要将同轴分流器接入放电回路,影响了脉冲功率装置的结构;非接入测量则通常采用罗科夫斯基线圈,虽然不需要接入测量回路,但是需要套在放电回路上,同样影响了脉冲功率装置的结构。有些水下脉冲放电装置对结构和体积要求很高,脉冲放电回路对于电感非常敏感,结构的改变会极大地影响电流周期、电流前沿和峰值电流,因此采用上述两种方法获得的电流波形并不是真实结构条件下的数据,获得真实结构条件下的电流波形对某些水下放电装置的设计非常重要。
本文在参考文献基础上,分析了水下冲击大电流放电等效回路的微分方程,根据其中的电压方程,采用信赖域算法对测得的储能电容器放电电压波形数据进行数值计算,获得冲击电流的衰减系数,进而通过电流方程间接获得电流波形。该方法不影响脉冲功率装置的结构和工作状态,避免了在水下放电电极之间接入罗科夫斯基线圈而带来的电感额外增加问题,也避免了罗科夫斯基线圈的防水密封问题,获得的电流波形数据反映了脉冲功率装置在水下的真实放电状态,可作为水中等离子物理研究的间接测量手段。
1 间接测量原理
图1为水下脉冲放电等效图,图1中R为回路总电阻,L为回路总电感,C为电容器的电容,K为触发开关。电容器两端电压为U(t),触发开关K被导通后,电路中的脉冲电流为I(t)。
根据经典电路理论,水下脉冲放电微分方程为
当时,电容器两端电压与放电电流可表示为[4]
回路总电感可表示为
式(4)中,δ为衰减系数,反映了电流振幅逐渐衰减的快慢;为角频率;T为电压周期。
鉴于放电电压波形可以通过高压探头在示波器中获得,通过识别和确定衰减系数δ并带入电流方程,即可获得电流波形。
2 算法
文献[5]中采用的算法处理电压波形前四分之一周期的准确性较高,但是处理后面3/4周期的准确性较低,因此本文采用信赖域算法重新进行衰减系数识别。电容器放电电压U(t)与待识别的衰减系数δ之间存在着非线性关系。可以利用无约束非线性最优化方法来识别衰减系数δ。
作放电电压的偏差平方和函数
式(6)中,(ti,Ui)为实验测得的时间-电压波形数据,i=1,2,…,m。
令fi(δ)=U(δ,ti)-Ui,则因此识别衰减系数δ转化为一个非线性最小二乘问题:min[Q(δ)]=‖f(δ)‖2,其中δ∈Rn,f(δ)=[f1(δ),f2(δ),…,fm(δ)]T,fi(δ)不全是线性函数。
假设目标函数f具有二阶连续的偏导数,第k个迭代点为δk,进行二阶泰勒展开,得
牛顿法中,如果正定,则可以求φk(y)的极小点来修正δk;而一旦φk(y)没有极小点,则迭代将无法继续,所以需要采取信赖域方法来保证算法的进行。可以用φk(y)在{y|‖y‖≤hk,hk>0}上的极小点dk来修正δk,其中dk的选取范围称为信赖域,hk是给定的正数,称为信赖域半径[6]。信赖域子问题表示如下
信赖域算法就是要考察φk(y)在δk的邻域上与f(δ)的近似程度,近似程度较高则扩大邻域,反之则缩小邻域并以此领域上φk(y)的最小解代替δk。
令
式(9)中f(δk)=φk(0)。可以利用二者的比值
来作为近似程度高低的指标[7]。当rk接近1时,近似程度越高,取δk+1=δk+dk,让hk增大;当rk接近或者小于0时,近似程度越低,取δk+1=δk并减小hk的值。
求解信赖域子问题的过程中利用了最小二乘LM法,对于矩阵可能不正定的漏洞,构造正定矩阵来解决,其中μk>0。迭代步长求解公式为
可以证明设为正定矩阵,则
是μk的单调减小函数,所以通过调整μk即可调整hk:增大μk即减小hk,减小μk即增大hk。
综上所述,得到信赖域算法的完整步骤如下。
(1)选取初始点δ0,选取μ0>0,0<β<γ<1,ρ>1,允许误差ε>0。
(2)考查是否满足终止条件。计算若终止迭代,此时的δk即为最优解。
(3)构造矩阵若正定则进行下一步,否则令μk=ρμk,直到正定为止。
(4)求解方程组
(5)计算出f(δk+dk)与rk的值。
(6)若rk<β,则令μk+1=ρμk;若rk>γ,则令若β<rk<γ,则μk+1=μk。
(7)若rk≤0,令δk+1=δk;否则令δk+1=δk+dk。
(8)令k=k+1,返回第(2)步。
3 水下放电实验
实验中利用高压放电装置进行水中放电,电容器两端电压波形由高压探头记录并显示在示波器上。利用示波器将数据存入EXCEL文件中。根据算法在计算机中编制MATLAB程序,首先读取EX-CEL文件中的Ui,ti值,用信赖域方法计算出衰减系数δ,然后将δ代入电流计算公式中,模拟出电流波形。
由于高压脉冲水中放电的瞬时性和不稳定性,使得对它的具体理论研究颇为困难,至今尚未形成一套完整成熟的理论体系。通常认为高压脉冲水中放电的物理过程可以大致分为三个阶段[8]。第一个阶段是预放电阶段(也称击穿阶段),在这个阶段内,放电电极间水介质发生碰撞电离过程并形成通道,即击穿。第二个阶段是电容器能量向放电通道倾输的阶段,即主放电阶段,或简称放电阶段。第三个阶段是放电后的气泡脉动阶段。
根据实验测得的电压波形,可以看出明显地分为平缓下降和急剧下降两个阶段,符合预放电阶段(也称击穿阶段),和即主放电阶段特征[9]。针对这两个阶段分别处理,可以获得这两个阶段的电流波形。
将高压放电装置置于水中进行放电实验,采用泰克P6015A(变比1 000∶1)接在储能电容器两端,储能电容C=2.16μF,充电电压U0=7 000 V,根据示波器电压波形测量出周期T=36.4μs,利用MATLAB程序识别衰减系数δ,程序进行的迭代过程如表1与表2所示。得到击穿前的衰减系数δ1*=1.966 8×105,击穿后衰减系数δ2*=3.368 5×104。
将衰减系数δ1*和δ2*分别代入放电电流表达式中,获得电流波形如图2与图3所示。其中绿色为电压波形,红色为电流波形。可以明显看出由于等离子体通道的形成,两极间的水介质电阻由过阻尼状态变为欠阻尼状态。
4 结论
本文的研究结果表明,利用信赖域算法可以有效地识别出水中放电冲击电流的衰减系数。利用这一方法可以仅通过测量电压波形数据而间接获得准确的电流波形,可作为水中等离子物理研究的间接测量手段。
参考文献
[1]金明剑,孙鹞鸿.不同参数条件下水中脉冲放电的电学特性研究.高电压技术,2014;(7):46—49Jin Mingjian,Sun Yaohong.The electrical characteristics of underwater pulsed discharge under different experiment parameters.High Voltage Engineering,2014;(7):46—49
[2] Zhao P F,Roy S.A modified resistance equation for modeling underwater spark discharge with salinity and high pressure conditions.Journal of Applied Physics,2014;(115):115—123
[3] Goh B H T,Oh Y D A,Klaseboer E,et al.A low-voltage spark-discharge method for generation of consistent oscillating bubbles.Rev Sci Instrum,2013;(84):84—88
[4] 陈景亮,姚学玲,孙伟.脉冲电流技术.西安:西安交通大学出版社,2008Chen Jingliang,Yao Xueling,Sun Wei.Pulse current technology.Xi'an:Xi'an Jiaotong University Press,2008
[5] 陈祎,袁士伟,吴昊,等.小型高压引爆装置冲击电流简易测量方法.爆炸与冲击,2015;35(1):65—69Chen Yi,Yuan Shiwei,Wu Hao,et al.A simple method of measuring impulse current of small high-voltage exploding device.Explosion and Shock Waves,2015;35(1):65—69
[6] 谢政,李建平,陈挚.非线性最优化理论与方法.北京:高等教育出版社,2010Xie Zheng,Li Jianping,Chen Zhi.Nonlinear optimization theory and method.Beijing:Higher Education Press,2010
[7] 赖炎连,贺国平.最优化方法.北京:清华大学出版社,2008Lai Yanlian,He Guoping.Optimization methods.Beijing:Tsinghua University Press,2008
[8] 孙冰.液相放电等离子体及其应用.北京:科学出版社,2013Sun Bing.Discharge plasma in liquid and its applications.Beijing:Science Press,2013
间接测量论文 篇3
本项目采用新方法利用电流互感器的理论误差数学模型, 用小电流 (小电压) 下测试出电流互感器误差, 并通过测量二次导纳和二次绕组内阻抗, 得出负荷误差和空载励磁误差增量, 从而外推得出没有非线性补偿的电流互感器在大电流下的误差。其检定结果与传统比较法相符, 综合测量误差不大于被检互感器允许误差限值的1/4, 满足现场0.2级电流互感器误差测试要求。
2 用低电流外推法检定现场大电流互感器
本文介绍采用一种简便易行的现场检定大电流互感器的新方法--低电流外推法, 新方法采用低电流比例标准, 用比较法测出被检互感器在低电流下的空载误差;并通过测量二次导纳和二次绕组内阻抗, 得出负荷误差和空载励磁误差增量, 从而外推得出没有非线性补偿的电流互感器在大电流下的误差。其检定结果与传统比较法相符, 综合测量误差不大于被检互感器允许误差限值的1/4。下面介绍新方法的测量原理、测量方法、测量步骤及综合测量误差的计算。
传统的电流互感器检定方法是比较法, 即通过和标准电流互感器比较测量, 得出被检互感器的误差值。这种检定方法, 需要大电流电源设备和额定电流比相同的标准电流互感器。随着额定一次电流的不断增大, 试验电源设备的容量随电流的平方和一次回路电抗的一次方增大。当一次电流大于2000A时, 电源设备容量大达几十k VA。
早期澳大利亚红相公司采用测量互感器参数 (励磁导纳、二次绕组电阻、以及互感器匝比) 的间接测量法来检定大电流互感器, 即采用从二次侧通低电压测量二次导纳, 采用测量二次与一次电压比的方法来测量匝数补偿量Δεω, 用直流法测量二次电阻, 用计算公式得出互感器误差。优点:无需大电流标准互感器、升流器和电流负荷箱。缺点:
(1) 采用测量电压比值U2/U1的方法来测量匝比N2/N1, 其测量误差大, 限制了仪器准确度的提高和电流比适用范围的扩大。特别是随着电流比的增大, 电压U1减小, 测量误差增大, 因而电流比适用范围有限。
(2) 略去了被检互感器二次绕组的漏抗X2和寄生电容引起的容性误差, 由此将引入测量误差。
采用等安匝法, 即在增多的一次匝数和降低的等值一次电流下检定大电流互感器。优点:
(1) 调压和升流设备的容量和重量大为减小。
(2) 试验电源所需容量大为减小。
(3) 采用额定电流比小的标准互感器为标准, 其尺寸及重量大为减小。缺点:此方法只能适用于可穿心的电流互感器试验, 且需在被检互感器上均匀布绕试验绕组, 往往由于没有所需空间, 而难以实施。
低压外推法 (互易法) 检定大电流互感器, 其工作原理是依据互易原理, 将空载状况下的电流互感器互易为等变比和等误差的空载电压互感器, 通过校验仪内附电压比例标准, 用比较测差法在提高的电压下测出互感器在外推起点的空载误差;并通过测量相应点的二次导纳和二次绕组内阻抗, 得出负荷误差和空载励磁误差增量, 从而外推得出互感器在各电流百分点的误差。优点:
(1) 所需电源容量不超过10VA。
(2) 采用小型电压比例标准, 小容量隔离变压器和调压器, 取代大电流标准互感器、大容量升流器和调压器, 且不需电流负荷箱, 检定设备的重量体积大为减小, 便于集成化。
(3) 对寄生电容所引起的容性误差, 亦能相应测出。
(4) 内附电压比例标准与校验仪均可溯源。
(5) 便于实现电源的自动程控。
缺点: (1) 大电流互感器一次只有1匝, 其空载感应电势低, 只有0.0222S (V) , S为铁心净截面 (cm2) , 测量准确度受到一定限制, 一般只能用于检定0.2级 (包括0.2S级) 以下互感器。
(2) 在电压互感器二次 (即电流互感器一次) 低电压下测量空载误差, 容易受到外界电磁场干扰影响。
用负荷误差法外推电流互感器误差曲线, 工作原理是依据励磁导纳仿真原理, 在小电流百分点, 用增大二次回路总阻抗的方法, 来仿真大电流百分点的二次感应电势和励磁导纳, 用传统的比较法测出被检电流互感器在小电流百分点和负荷Z以及增大的负荷KZ+ (K-1) Z2 (K为大电流与小电流的比值) 下的误差, 从而外推得出大电流下的误差。优点:
(1) 当电流升不上去时, 加大二次负荷就可以继续测量, 不需要改变测量线路。
(2) 对寄生电容引起的容性误差, 亦能相应测出。
(3) 采用传统比较法测小电流下互感器误差, 便于溯源。
(4) 亦可用于2000A以下电流互感器的直接比较法检定, 二者设备可以兼容。 (5) 抗干扰能力强。
缺点: (1) 需要电流负荷箱、可调电抗箱、可调电阻箱, 测定实际运行负荷下误差时, 还需特殊有源仿真电流负荷箱。
(2) 在现场很广的温度范围内, 电流负荷箱在小电流20%点及以下, 其相对误差限值大达9%, 由此将给互感器带来较大的测量误差。
本项目所用低电流外推法检定没有非线性补偿的大电流互感器, 工作原理是采用低电流比例标准, 用传统比较法测出被检电流互感器在低电流下的空载误差;并通过测量二次导纳和二次绕组内阻抗, 得出负荷误差和空载励磁误差增量, 从而外推得出大电流下误差。优点:
(1) 适用范围广, 可用外推法检定额定电流为40000A以下, 准确等级为0.1级以下各种大电流互感器;还可用直接比较法检定额定电流为600A以下, 准确等级为0.01级以下电流互感器。
(2) 在低电流下检定, 可按电流的平方关系减小试验电源和升流设备所需容量。
(3) 采用低电流比例标准, 小容量升流器和调压器, 取代大电流标准互感器、大容量升流器和调压器, 且不需电流负荷箱, 使检定设备的重量和体积大为减小。
(4) 采用传统比较法测低电流下互感器空载误差, 便于溯源。
(5) 抗干扰能力强。
(6) 对寄生电容引起的容性误差, 亦能相应测出。缺点:测量二次绕组漏抗X2需要逐次逼近。
3 大电流互感器误差测量原理
受电源及设备限制, 一次电流不能升到额定值, 且被检互感器一次返回导体磁场对误差的影响不大于被检互感器基本误差限值的1/6时, 电流互感器没有非线性补偿, 只有匝数补偿, 可以采用低电流外推法检定大电流互感器。
4 结束语
在电能计量技术中减小电能计量装置的综合误差是十分重要的。电能计量装置包括电压电流互感器、二次回路和电能表, 按照电能计量技术管理规程规定, 计量装置中的各部件应该定期进行现场测试, 以确定整套装置的总误差, 保证电量计量的准确。而现场安装了很多大电流互感器, 检测比较困难, 所以本文介绍的对没有非线性补偿的大电流互感器误差检测技术是十分必要的, 将为电力计量领域提供新的技术工艺与手段。
摘要：随着电力系统体制改革的深化, 厂网分家的模式已形成。发电厂上网电量及电网间电量交换的精确计量直接关系到结算双方的经济利益, 本文主要针对就是对没有非线性补偿的大电流互感器误差检测技术进行研究。
间接测量论文 篇4
关键词：蒙特卡罗,动力总成,质心加速度,误差分析
动力总成的质心加速度道路载荷谱是整车开发中的一项重要基础数据, 但在实际的载荷谱采集过程中, 虽然动力总成的质心位置已知, 但由于位置的可达性问题, 目前的技术条件下质心加速度无法直接测量, 只能通过在动力总成外部便于安装加速度传感器的部位布点测量, 再使用加速度转换方法, 将测点加速度变换为动力总成的质心加速度。以下将对动力总成质心加速度变换方法、误差分析以及测点选取原则进行详细探讨。
动力总成模型如图1, P1, P2, P3为布置在动力总成上的三个加速度测点, M为动力总成的质量, I为动力总成的转动惯量, O为动力总成的质心, Ac为质心的加速度矢量{acx, acy, acz, βcx, βcy, βcz}T, Api (1≤i≤N) 为测点加速度矢量, (xi, yi, zi) 为测点质心为原点的相对坐标, ρi (1≤i≤N) 为测点相对质心的坐标矢量。
1 动力总成质心加速度间接测量的SAE简化方法
对于动力总成质心加速度的间接测量方法, SAE论文[1]提出了一种简单有效的方法, 其基本原理如下:
测得动力总成上三个点的加速度信号 (某动力总成测点一个加速度通道信号如图2所示) , 据刚体运动合成定理, 可以列出关于加速度分量的合成方程, 如式 (1) , 式中Ac为6×1向量, Api为测点加速度矢量, B为与动力总成上测点位置相关的加速度转换矩阵。式 (1) 中未知量为6个, 理论上说只需要六个测量信号通道, 即两个测点的加速度信号, 形成6个方程, 就可以求得质心加速度Ac。
实际执行过程中, 只有六个通道的信号, 当其中一两个通道的信号出现问题造成误差较大或不能使用时, 就无法获得准确的质心加速度了。因此一般布置三个测点进行9个通道的信号测量, 这样, Api为9×1向量{A1x, A1y, A1z, A2x, A2y, A2z, A3x, A3y, A3z}T, B矩阵的表达形式如式 (2) 。
此时, 式 (1) 为一个超定方程组, 对其求解需使用最小二乘法, 解的形式如式 (3) 所示, 可获得式 (4) 定义的误差取得最小值的最小二乘解。
采集到的加速度信号在进行转换处理之前, 需要先进行低通滤波, 滤波截止频率为考虑悬置刚度和质量、转动惯量的动力总成刚体模态的最高第六阶频率。
此方法计算量较小, 一百万个采样点的时域载荷谱在个人电脑 (奔腾D双核3.2GHZ, 2G内存) 上转换完成时间约8分钟。误差在动力总成角速度较小的情况下尚可接受。当得到动力总成质心加速度后, 即可以反向计算出测点的加速度。Xiaobo Yang[1]计算了测点测量加速度与反向计算出的加速度之间的误差, 小于0.1g。
2 考虑动力总成角速度分量的质心加速度间接测量方法
2.1 理论力学模型
根据刚体系统运动转换关系。刚体内任意一点的加速度合成公式如式 (5) ,
在Xiaobo Yang[1]的方法中, 忽略了由刚体旋转角速度产生的向心加速度分量ar, 这种处理使得质心加速度的求解方程变为了线性方程组, 易于求解。而Ac作为悬置载荷计算的输入信号, 其误差将在悬置载荷的计算过程中放大, 进而使得悬置载荷精度降低。故加速度合成过程考虑ar部分, 引入动力总成角速度变量ωc, 由式 (5) 可推导出质心加速度的求解方程为:
由于动力总成角速度无法测得, 故上式中未知量为九个{Acx, Acy, Acz, βcx, βcy, βcz, ωcx, ωcy, ωcz}T。
2) 方程组求解
此时质心加速度的求解转化为一个9元2次方程组的求解。采用迭代法进行, 使用Matlab优化工具箱中的非线性方程组求解函数fsolve进行求解, 求解命令为[x, fval]=fsolve ('gctr_acc_cal', x0, options) , 求解参数为options=optimset ('Display', 'iter', 'Large Scale', 'on', 'Max Iter', 10000, 'Tol Fun', 1e-10, 'Max Fun E-vals', 100000) 。
此求解方法计算量较大, 并不适合实车测试的大数据量转换, 仅限于精度分析与研究。
使用实际信号分析证明, SAE方法的质心加速度求解误差与动力总成角速度正相关, 如图3所示。图3a中, delta_ax_a_sae为使用SAE方法求得的质心加速度反求测点加速度与测量值的误差, delta_ax_a_self为使用本节讨论的考虑动力总成角速度方法求得的质心加速度反求测点加速度与测量值的误差, delta_ax_a_nonl为相应测点的科氏加速度分量ωc× (ωc×ρi) 。
可以看出测点科氏加速度分量即动力总成角速度信号与质心加速度求解误差需要进一步研究如何将科氏加速度分量予以考虑, 进而提高动力总成质心加速度谱求解精度的方法。
3 基于蒙特卡罗方法的测点位置敏感度分析
为了获得测量布点位置对质心加速度反求精度的影响, 探索试验布点的合理方法, 下文将对质心加速度反求精度对测点的布置位置的敏感度进行分析。
3.1 测点位置表达方法
关于三个测点的布置对质心加速度求解精度的影响, 为了描述XY平面内三个测点P1, P2, P3与质心相对位置的拓扑关系, 引入了d, ζshape, doc三个变量。d为三个测点的外接圆直径, ζshape为描述三个测点形成的三角形的形状系数, ζshape= (P1P2+P2P3+P1P3) / (d/2) , doc为三个测点外接圆的圆心到质心的距离。
3.2 误差扰动分析
对质心加速度求解方程组 (3) 进行线性代数方程组扰动分析【4】, 加速度误差的相对大小与此线性方程的条件数Cond (BT*B) 有关, 条件数小, 相对误差一定小。采用蒙特卡罗方法将每种测点位置组合下对应的求解方程组系数的条件数大小绘制成如图4的测点误差敏感度图 (X轴为测点形状系数) 。形状系数越接近正三角形, 条件数越小。
4 结语
本文研究了使用动力总成外部测点加速度信号推导难以测量的质心加速度谱的方法, 得到以下结论:
4.1通过三个测点的9个加速度测试通道信号, 求解动力总成质心六个方向加速度谱的方法可行且效率高。
4.2 SAE方法的误差主要由于没有考虑角速度产生的科氏加速度项造成, 但实际测试数据求得的科氏加速度与质心加速度存在相位差, 消除此科氏加速度误差项需进行进一步的研究。
4.3测点的布置形式越趋近于等边三角形, 形心与动力总成质心的距离越小, 质心加速度的求解精度越高。
4.4在目前奇瑞使用的测点加速度传感器的测量误差为1%的条件下, 条件数小于5的测点布置方式可以使质心加速度求解精度达到<5%的水平。
参考文献
[1]Xiaobo Yang, Powertrain Mount Loads Predictionand Sensitivity Analyses, SAE paper 2004-01-1691, 2004.
[2]范钦珊, 工程力学教程Ⅲ, 高等教育出版社, 1998, 45-52.
间接测量论文 篇5
1 对象与方法
1. 1 研究对象
纳入对象: 新收进入ICU 24 h内需要测量IAP的, 并且留置导尿管的患者。
排除对象: 膀胱手术或者任何禁忌通过膀胱测量IAP者, 妊娠、影响膀胱的神经系统疾病、术中并发症 ( 出血和内脏损伤) 以及16 岁以下的患者。
2012年2月至2013年4月选取广东省中医院ICU收治的符合纳入对象与排除对象的患者47例, 其中男性31例, 女性16例, 年龄20~95岁, 平均70.53±15.30) 岁;身高152~175 cm, 平均 (165.36±7.99) cm;体重41~83 kg, 平均 (65.49±12.28) kg;体重指数17.07~28.37 kg·m-2, 平均 (23.78±3.28) kg·m-2。
1. 2 方法
以国际腹腔间隔室综合征协会 (World Society of the Abdominal Compartment Syndrome, WSACS) 推荐的通过测量膀胱内压力的间接间歇IAP测压法进行IAP的测量。新进入ICU的对象由同一个护士分别测量2个调零点的IAP, 间隔3 min后再分别重复测量1次, 分别对2次不同调零点测量所得IAP值进行平均, 并在数据库中输入结果。
具体方法: 患者处于平卧位, 在无菌操作下经尿道插入Forley导尿管, 排空膀胱后将25 ml的无菌生理盐水注入膀胱内口, 等30 s待膀胱逼尿肌松弛后接压力管测定, 以腋中线髂嵴水平为调零点测量得到第1次的腋中线IAP; 对第1 次测量的系统进行校正后再以耻骨联合处为调零点, 测量得到第1 次的耻骨联合处IAP。间隔3 min后, 同一个护士再以同样的方法分别测得第2 次腋中线IAP与耻骨联合处IAP。
在测量过程中没有使用镇静剂, 但必要时使用镇痛药物。IAP测得值为厘米水柱 ( cm H2O) , 转换为以毫米汞柱 ( mm Hg) 表示, 转换系数为 ( 1 cm H2O =0. 74 mm Hg = 0. 098 k Pa) 。
1. 3 统计学处理
采用SPSS 17. 0 统计软件对数据进行录入、分析、处理, 腋中线IAP与耻骨联合处IAP的集中趋势以 ( 平均数 ± 标准差) 表示, 腋中线IAP与耻骨联合处IAP差值的置信度取95% 的置信区间 ( CI) 表示, 两者的假设检验比较采用配对设计资料的t检验, 检验水平a = 0. 05。体重指数与腋中线IAP的关系采用Pearson相关分析。
2 结果
以体重指数为因变量, 腋中线IAP为自变量作线性方程相关分析, 相关系数r = 0. 616。分别以腋中线与耻骨联合处为调零点测得的IAP的比较, 结果见表1。
mmHg
3 讨论
WSACS通常将IAP持续或反复的病理性升高≥12 mm Hg作为腹内高压的诊断指标。如IAP持续>20 mm Hg时, 病人可能会出现少尿、气道压升高、低氧血症、心输出量减少、酸中毒甚至低血压休克等为临床表现的腹腔间隔室综合征, 不加以控制会导致重症患者死亡[1]。测量IAP的方法有直接法与间接法。直接法是通过一个插到腹腔内导管连接到一个压力换能器来测量腹内压, 测量结果虽然直接准确, 然而由于是有创性检查, 难以成为常规检查方法。间接法是根据膀胱本身的生理伸缩性, 能反映腹腔内成分对膀胱的压力变化情况, 因此间接测定膀胱压可代替直接测定腹压。这种方法简单实用, 测量数值能够真实反映人体腹腔压力值[2]。
由于腹内高压的诊断与治疗需要依赖于IAP, 所以IAP测量的准确性和可重复性显得尤为重要。在本研究中, 以腋中线为调零点测得的IAP比以耻骨联合处为调零点测得的IAP要高 ( 2. 08 ~ 2. 86) mm Hg, 差异有统计学意义 ( P < 0. 05) 。这与有的临床试验组探讨3 种不同的参考传感器IAP测量位置上的效果的报告相符[3]。同一个体在间隔3 min后测得的IAP也有所变化, 同一方法测得的高值与低值相差 ( 0. 5 ~1. 0) mm Hg。这可能是由于IAP的测量不仅受不同调零点的影响外, 还会受到患者的病情、腹壁张力、血管容量以及液体摄入量等多种其他因素的影响[4]。
将研究对象按照体重指数的不同分组比较两调零点测得的IAP, 发现体重指数在15 ~ 19 kg·m- 2之间, 两调零点的IAP差异无统计学意义; 体重指数在20 ~30 kg·m- 2之间, 以腋中线为调零点测得的IAP均高于以耻骨联合处为调零点者。此外, 以腋中线为调零点测得的IAP随着体重指数的增加呈加大的趋势, 而以耻骨联合处为调零点测得的IAP随体重指数却变化不大。体重指数与以腋中线为调零点测得的IAP的相关系数为0. 616, 说明体重指数可能是影响IAP测量的因素之一。
有的作者认为, 理想的调零点位置应该放置在Foley导尿管的尖端, 也有人认为将调零点设置在腹部的中点更符合逻辑, 但这会导致一定的测量误差[5]。由于危重病人的躺卧位、体重指数、矢状线腹部直径等因素并不能很容易地改变, 因此, 最好的调零点可能需要取决于人体的因素[6]。关于确认测量IAP零基准位置的多中心临床实验认为, IAP的测量应该始终在相同的参考水平。测量探头的位置应放置在腋中线水平。刘田等研究显示, 间接法测得的膀胱压与直接法差异无统计学意义, 能较好地反映IAP, 耻骨联合和右心房对应点不能代替腋中线与髂嵴交点作为IAP监测的参照点。与趾骨联合处作为调零点相比, 以腋中线为调零点变量少、容易识别, 在任何危重病人, 不论肥胖与否均可反映腹部的中点[7-9]。
调零点的位置依然是一个有争议的话题, 这有待于人体测量学的进一步研究。护理学教材较少提及IAP测量方面的内容, 我们有必要在IAP的测量方面加以重视。因此, 没有更好的调零点之前, 腋中线髂嵴水平应建议作为调零点的参考位置。
摘要：目的:探讨间接膀胱测压法的不同调零点对测量腹腔内压力的影响, 寻求能较好反映腹腔内压的最佳调零点, 以指导腹腔内压的准确测量。方法:47例ICU需进行腹腔内压力测量的患者, 运用间接膀胱测压法分别以腋中线与趾骨联合处为调零点进行测量, 比较两者测得的腹内压力。结果:以腋中线调零点测得的腹内压均数为 (18.55±1.91) mmHg, 以耻骨联合处调零点测得的腹内压均数为 (16.08±0.98) mmHg, 两者之间差值95%置信区间为 (2.082.86) mmHg, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。结论:选择不同的调零点会对腹内压的测量造成影响, 推荐以腋中线作为腹腔内压测量的调零点。
关键词：腹腔内压,测量,膀胱压,耻骨联合,腋中线,调零点
参考文献
[1]GARYAN M D, MICHAEL A, WEST M D, et al.Abdominal compartment syndrome:aconcise clinical review[J].Crit Care Med, 2008, 36 (4) :1304-1310.
[2]许红阳, 梁锋鸣, 郭涛, 等.膀胱压、上腔静脉压、下腔静脉压与腹腔内压的关系研究[J].东南大学学报:医学版, 2009, 28 (1) :54-56.
[3]CHEATHAM M L, MALBRAIN M L, KIRKPATRICK A, et al.Results from the international conference of experts on intraabdominal hypertension and abdominal compartment syndrome[J].Intensive Care Med, 2007, 33 (6) :951-962.
[4]徐伟, MICHELET P.ICU患者腹内压和腹腔灌注压影响因素分析[J].中国医药, 2007, 2 (10) :605-607.
[5]江方正, 孙加奎, 叶向红, 等.腹腔压力测量方法及护理进展[J].解放军护理杂志, 2012, 29 (4A) :39-42.
[6]林玫瑞, 袁琳, 黄雪琴.腹内压监测在综合ICU的临床观察和应用[J].中国实用医药, 2012, 7 (9) :30-31.
[7]CHEATHAM M L, DEWAELE J J, DELAET I, et al.The impact of body position on intra-abdom inal pressure measurement:a multicenter analysis[J].Crit Care Med, 2009, 37 (7) :2187-2190.
[8]刘田, 刘松桥, 刘玲, 等.参照点的选择对重症患者腹内压测定的影响[J].中华外科杂志, 2011, 49 (1) :49-52.