在线测量

在线测量（精选10篇）

在线测量 篇1

0 引言

我国华北、华东等区域电网都已步入装机、负荷双过亿的特大电网时代。尊重电网的物理规律，从系统全局角度对电力系统进行监测、控制和规划是特大电网发展的必然趋势。广域测量系统WAMS(Wide Area Measurement System)正是顺应这一趋势而诞生的电网动态过程监测分析系统。

我国自90年代中期开始进行WAMS的研究，目前WAMS的应用和研究已达到世界先进水平。以华北电网为例，到2008年6月份，接入华北网调WAMS主站的PMU子站达71个，覆盖了500 kV主网架大部分厂站和部分220 kV发电厂，上传遥测量达到16 000多个，大大提高了电力系统动态过程的可观测性。

作为互联电力系统动态过程监测分析的重要手段，WAMS在规模不断扩大的同时，其高级应用功能也日益得到重视[1,2,3,4,5,6,7]。WAMS系统的分析控制等高级应用功能高度依赖于相量测量装置PMU(phasor measurement unit)的动态数据质量。关于PMU的动态性能测试可分为实验室测试[8]和现场测试。迄今为止，各厂家的PMU产品只是在实验室内进行过离线检验，而在实际运行环境中的精度并没有严格地经过检验。而PMU的动态测量性能是其区别于传统SCADA的最重要特征之一，因为许多现场环境中的实际信号难以在实验室中复现，因此有必要在WAMS主站开发相量测量算法，对PMU自身记录的采样数据(暂态录波数据)进行分析计算，计算结果与同时段该PMU上传的动态数据进行比较，从而判断PMU动态数据质量的好坏。

本文以华北电网WAMS系统的实测数据为例，论证了PMU动态性能在线监测的必要性与可行性。

1 PMU动态性能监测指标

在线PMU测试中主要应找出PMU在以下方面存在的动态特性问题：

(1）滤波延迟差异引起的计时不一致

PMU的相量计算实际上是包含平均处理过程，该过程包含或等值于一个滤波器。该滤波器带宽过大导致引入过多的不感兴趣频段的信号，带宽过窄将导致信号延迟并使曲线被不合理平滑，丧失快速变化信息。

(2）频率的非正常突变

电力系统作为一个惯性系统，其频率是不能突变的。现有采用电气量测量频率的方法往往在暂态过程中测量结果会出现突变，从而影响动态过程监测分析的可信性。

(3）频率偏移引起的栅栏效应和泄漏误差

非同步采样时，离散傅立叶变换结果存在栅栏效应(grid effect)和泄漏(leakage)误差，这部分误差会造成相量计算结果存在固定偏差和虚假振荡。

(4）采样定理得不到满足而引起的混叠误差

目前我国PMU厂家所生产的PMU产品采样频率基本分为4 800 Hz和10 000 Hz两种。实际电力系统信号中往往包含高于采样频率一半的分量，例如HVDC控制系统引起的高频分量等，这些高频分量会对离散傅立叶变换的计算结果产生混叠效应(aliasing effect)。一般情况下，电力系统中高频分量的含量很小，混叠效应引起的误差不会太大。

(5）数据延迟比较

带有正确时标的PMU相量可能由于子站或通信系统的延迟，在不同的时刻到达主站，这将影响后续的分析计算，并进一步影响控制效果，因此有必要比较子站PMU在结果输出上的延迟。

(6)GPS同步错误

GPS同步错误来自于GPS故障，时标与量测时间匹配错误等原因。

2 PMU动态性能监测分析方法

目前，我国几大PMU生产厂家生产的PMU均具有暂态数据录波功能。暂态录波数据是子站装置按照其采样间隔记录采集的通道瞬时值，录波数据采样频率分4 800 Hz(即每周波96点)和10 000 Hz(即每周波200点)两种。录波数据本身的精度取决于A/D转换的精度，目前接入华北电网WAMS的相量测量装置的A/D转换分辨率一般为16位，完全可以满足重现现场真实信号和相量计算的要求。

在调度中心WAMS主站对PMU的暂态录波数据进行计算分析，分析结果与同时段PMU上传的相量测量结果进行比较，可以找出PMU测量结果不合理的地方。

由于各PMU厂家的具体相量测量算法属于商业机密，同时为了避免投资浪费，一个厂站只能安装一套PMU装置，因此，不可能对不同PMU实现同信号(现场信号)的比较测试。在线PMU测试主要应通过比较不同的PMU量测结果与主站计算结果的差异，寻找数据中的矛盾或异常，在此基础上，对出现的矛盾或异常加以解释，从而达到评价各PMU动态性能的目的。

3 实际算例分析

本部分算例均基于华北电网广域测量系统所记录的实际电压数据。

在华北电网调度中心WAMS主站对A电厂和B电厂的PMU子站进行扰动触发后，将同一时段的暂态录波数据和动态数据召唤到主站。在主站对电压录波数据进行计算分析后与子站上传的电压相量动态数据进行对比分析。

为避免滤波延迟，主站对录波数据没有进行滤波，对录波数据的分析处理直接采用文献[7,8,9]的算法。

3.1 频率测量对比

图1给出了A电厂的频率分析结果。图中两条曲线分别为基于2008年3月26日17:27:39的录波数据在主站的频率计算结果和子站PMU上传的同时段频率动态数据。图2给出了这两条曲线之间的差别。图1和图2中纵坐标为Hz。

由图1和图2可以看出，在WAMS主站基于A电厂的录波数据计算得到的A电厂频率与同一时间段该厂PMU装置上传到主站的频率有一定差别，二者的差别在0.004 Hz左右。

图3给出了B电厂的频率分析结果。图中两条曲线分别为基于2008年3月26日17:27:28的录波数据在主站的计算结果和子站PMU上传的同时段结果。图4给出了这两条曲线之间的差别。

由图3和图4可以看出，在WAMS主站基于B电厂的录波数据计算得到的B电厂频率与同一时间段该厂PMU装置上传到主站的频率基本一致，二者的差别在0.002 Hz以内。

为比较A厂PMU装置和B厂PMU装置的动态性能，图5给出了同一时间段内，B电厂和A电厂的频率分析结果。由于本时段电网基本处于稳态运行，因此电网各节点频率应基本一致。由图5可以看出，B电厂的主站计算频率和子站上传频率以及A电厂的主站计算频率基本一致，而A电厂的PMU上传频率与其他三条曲线差异较明显。

3.2 幅值测量对比

图6给出了基于A厂PMU录波数据的主站幅值计算结果和子站上传的A电厂幅值结果。图中纵坐标为500 kV线路相电压的有效值，单位为伏特。

图7给出了这两条曲线之间的相对差别(以线电压500 k V为基准，对应的基准相电压为500/1.732=288.675 kV)。

由图6和图7可以看出，基于A厂PMU真实录波数据的幅值计算结果与A厂PMU子站上传的同时段幅值结果基本一致，二者的误差在1‰以内。

图8给出了基于B电厂PMU录波数据的主站幅值计算结果和子站上传的B电厂幅值结果之间的相对差别。由图8可以看出，基于B厂PMU真实录波数据的幅值计算结果与B厂PMU子站上传的同时段幅值结果存在固定差别，其相对差别在5‰以上。

3.3 角度测量对比

图9给出了主站基于A厂PMU录波数据的电压角度计算结果和该厂PMU装置上传的A电厂电压角度。图中纵坐标为弧度。

由图9可以看出，基于真实录波数据的幅值计算结果与子站上传的同时段角度结果之间的差别在0.011弧度(对应角度为0.7˚)左右。

图10给出了主站基于B电厂PMU录波数据的电压角度计算结果和B电厂PMU装置上传的同时段电压角度之间的差别(弧度)。

由图10可以看出，基于B电厂PMU真实录波数据的角度计算结果与子站上传的同时段角度结果之间差别较大，达到了0.0255弧度(对应角度为1.4˚)左右。

3.4 算例分析

当原始信号频率偏离额定频率(50 Hz)的数值在0.1 Hz以内时，A厂和B厂PMU静态测量误差指标都为：电压(电流)幅值<0.1%;频率误差<0.001 Hz;角度误差<0.1°。

主站算法的测量精度[9]：原始信号频率偏离额定值(50 Hz)小于0.5 Hz的情况下，频率测量误差小于0.000 02 Hz，幅值测量误差小于0.01%，角度测量误差小于0.000 3°。在0.5%的白噪声干扰下，主站算法的测量精度为：频率测量误差小于0.001 Hz，幅值测量误差小于0.015%，角度测量误差小于0.015°。

由以上算例可以看出，PMU子站的相量计算结果与主站根据同时段PMU录波数据的计算结果之间存在一定差别：A厂PMU装置的频率测量精度略差于B厂PMU装置，但其幅值和角度测量精度要略好于B厂PMU装置。

根据分析结果可知，由于现场存在干扰，无论是A厂还是B厂的PMU装置的测量性能都达不到其出厂精度。以上仅为根据不同PMU装置量测结果之间的差异进行的定性分析，但已充分说明有必要制订相关标准和分析手段对各厂站的PMU在线测量精度进行分析比较。

本算例只针对PMU的相量测量精度进行了分析，对滤波延迟、GPS故障等没有进行分析，这部分工作有待于进一步开发新的算法进行综合考虑。

4 结语

基础数据是调度自动化专业最重要的资源。自动化系统的数据处理、信息共享和高级应用功能的实现在很大程度上依赖于基础数据的准确性与可靠性。随着调度决策对自动化系统的依赖程度不断加深，基础数据的好坏直接影响电网的安全稳定运行。

相量测量装置(PMU)及其基础之上的广域测量系统为电力系统各领域中的新应用功能的研究提供了技术上的新思路和新手段,随着其应用理论体系的成熟完善以及在电力系统中的推广应用,将会把现有电力系统动态分析与监控技术全面提升到一个新的水平。在开发基于PMU动态数据的高级应用功能的同时，应高度重视PMU基础数据的质量问题，制订相关标准，实现PMU量测性能在线评估，为高级应用功能的开发完善打好基础。

参考文献

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[2]郑相华,米增强,赵洪山,等.基于PMU的状态估计的研究[J].继电器,2004,32(17):16-19.ZHENG Xiang-hua,MI Zeng-qiang,ZHAO Hong-shan,et al.Research on State Estimation Based on PMU[J].Relay,2004,32(17):16-19.

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[4]丁军策,蔡泽祥,王克英.基于广域测量系统的状态估计研究综述[J].电力系统自动化,2006,30(7):98-103.DING Jun-ce,CAI Ze-xiang,WANG Ke-ying.An Overview of State Estimation Based on Wide-area Measurement System[J].Automation of Electric Power Systems,2006,30(7):98-103.

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[7]马进,盛文进,贺仁睦,等.基于广域测量系统的电力系统动态仿真验证策略[J].电力系统自动化,2007,31(18):11-15,20.MA Jin,SHENG Wen-jin,HE Ren-mu,et al.A Simulation Validation Strategy Based on Wide Area Measurement[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(18):11-15,20.

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[11]王茂海,谢开,徐正山,等.一种实用的幅值和功率测量新算法[J].电力系统自动化,2007,31(16):66-69.WANG Mao-hai,XIE Kai,XU Zheng-shan,et al.A Practical Method for Amplitude and Power Measurement[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(16):66-69.

在线测量 篇2

1.测量工作的基准面是（）。(5.0 分)A 地球表面 B海平面 C铅垂面 D大地水准面 用户解答： 大地水准面

2.斜坡上丈量距离要加倾斜改正，其改正数符号（）

A根据高差符号来决定 B上坡为正，下坡为负 C恒为正 D恒为负

用户解答： 恒为负

3.水准测量如用双面水准尺，观测程序采用“后-前-前-后”，其目的主要是为了消除（）

A水准尺刻划误差的影响 B仪器下沉误差的影响 C视准轴不平行于水准管轴误差的影响 D水准尺下沉误差的影响

用户解答： 仪器下沉误差的影响 4.经纬仪十字丝环检校的目的是（）

A使纵丝垂直于视准轴 B使纵丝铅垂 C使横丝水平D使纵丝垂直于横轴

用户解答： 使纵丝垂直于横轴

5.测回法测量水平角，计算角度总是用右目标读数减左目标读数，其原因是（）

A倒过来减可能得负数 B因为水平度盘刻度是顺时针增加的 C因为右目标读数大，左目标读数小 D 因为水平度盘刻度是反时针增加的

用户解答： 因为水平度盘刻度是顺时针增加的

6.在水平角观测中，一测回角值中误差为±10秒，若需平均角值中误差达到±5.0秒，则应测的测回数是（）

A4 B5 C2 D3 用户解答： 4 7.在水准测量中，高差h=a-b，若ma、mb、mh分别表示a、b、h之中误差，则（）

A mh= B mh=

C mh=

D mh=ma-mb 用户解答： mh=

8.某直线的坐标方位角为121º23′36″，则反方位角为（）

A 58º36′24″ B238º36′24″ C–58º36′24″ D301º23′36″ 用户解答： 301º23′36″ 9.视距测量的精度通常是（）

A1/2000 B高于钢尺 C低于钢尺 D1/4000 用户解答： 低于钢尺

10.从自动安平水准仪的结构可知，当圆水准器气泡居中时，便可达到（）

A望远镜视准轴水平B获取望远镜视准轴水平时的读数 C通过补偿器使望远镜视准轴水平D望远镜消除了视差

用户解答： 获取望远镜视准轴水平时的读数 11.经纬仪望远镜、竖盘和竖盘指标之间的关系是（）。

A望远镜转动，指标也跟着动，竖盘不动 B望远镜转动，竖盘跟着动，指标不动 C 望远镜转动，竖盘与指标都跟着动 D 望远镜转动，竖盘与指标都不动

用户解答： 望远镜转动，竖盘跟着动，指标不动

12.在（）为半径的圆面积之内进行平面坐标测量时，可以用过测区中心点的切平面代替大地水准面，而不必考虑地球曲率对距离的投影。

A10km B25km C50km D 100km 用户解答： 10km 13.在普通水准测量中，应在水准尺上读取（）位数。

A2 B4 C5 D3 用户解答： 4 14.水准测量中，设后尺A的读数a=2.713m，前尺B的读数为b=1.401m，已知A点高程为15.000m，则视线高程为（）m。

A17.713 B 16.401 C 16.312 D 13.688 用户解答： 16.312 15.竖直角（）。

A不能为零 B可为正，也可为负 C只能为负 D只能为正 用户解答： 可为正，也可为负

16.普通水准尺的最小分划为1cm，估读水准尺mm位的误差属于（）。A可能是偶然误差也可能是系统误差 B 既不是偶然误差也不是系统误差 C系统误差 D偶然误差

用户解答： 偶然误差

17.某段距离丈量的平均值为100m，其往返较差为+4mm，其相对误差为（）。

A1/25 B1/250 C 1/25000 D1/2500 用户解答： 1/2500 18.水准仪精平是在怎样的前提下进行的（）。

A读数 B 粗平C水准管气泡居中 D照准目标 用户解答： 照准目标

19.GPS定位技术是一种（）的方法。

A摄影测量 B 常规测量 C 不能用于控制测量 D 卫星测量 用户解答： 卫星测量

20.闭合水准路线高差闭合值的理论值等于（）。

A起点的高程 B零 C起点与终点的已知高差 D无法确定 用户解答： 零

12.在（）为半径的圆面积之内进行平面坐标测量时，可以用过测区中心点的切平面代替大地水准面，而不必考虑地球曲率对距离的投影。

A10km B25km C 50km D 100km 用户解答： 10km 13.在普通水准测量中，应在水准尺上读取（）位数。

A2 B4 C5 D 3 用户解答： 4 14.水准测量中，设后尺A的读数a=2.713m，前尺B的读数为b=1.401m，已知A点高程为15.000m，则视线高程为（）m。

A17.713 B16.401 C 16.312 D13.688 用户解答： 16.312 15.竖直角（）。

A不能为零 B 可为正，也可为负 C只能为负 D只能为正 用户解答： 可为正，也可为负

16.普通水准尺的最小分划为1cm，估读水准尺mm位的误差属于（）。A可能是偶然误差也可能是系统误差 B既不是偶然误差也不是系统误差

C系统误差 D 偶然误差 用户解答： 偶然误差

17.某段距离丈量的平均值为100m，其往返较差为+4mm，其相对误差为（）。

A1/25 B1/250 C 1/25000 D1/2500 用户解答： 1/2500 18.水准仪精平是在怎样的前提下进行的（）。

A读数 B 粗平C水准管气泡居中 D照准目标 用户解答： 照准目标

19.GPS定位技术是一种（）的方法。

A 摄影测量 B常规测量 C不能用于控制测量 D 卫星测量 用户解答： 卫星测量

20.闭合水准路线高差闭合值的理论值等于（）。

A起点的高程 B零 C起点与终点的已知高差 D无法确定 用户解答： 零

中国农大 水利工程测量-在线作业_B 最终成绩：100.0 一 单项选择题

1.水准仪安置在与前后水准尺大约等距之处观测，其目的是（）。

A视准轴与水准管轴不平行的误差 B 消除望远镜调焦引起误差 C包含A与B两项的内容 D 地球曲率和折光差的影响

用户解答： 包含

2.双面水准尺的黑面是从零开始注记，而红面起始刻划（）。

A一根从4677开始，另一根从4787开始 B两根都是从4687开始

C一根从4687开始，另一根从4787开始

D两根都是从4787开始

用户解答： 一根从4687开始，另一根从4787开始 3.观测值的中误差，其概念是（）。

A代表一组观测值取平均后的误差 B每个观测值平均水平的误差 C代表一组观测值中各观测值的误差 D代表一组观测值的平均误差

用户解答： 代表一组观测值中各观测值的误差 4.所谓等精度观测，一般是指（）。

A观测值的结果是一样的一系列观测

B 相同技术水平的人，使用同精度的仪器，采用相同的方法，在大致相同外界条件下的观测

C根据观测数据，计算观测结果的精度是相同时

D相同技术水平的人，使用同一种仪器、采用相同的方法，在大致相同外界条件下所作的观测

用户解答： 相同技术水平的人，使用同精度的仪器，采用相同的方法，在大致相同外界条件下的观测

5.在水准测量中，A点和B点的高差hAB与hBA之间的关系是（）。

A符号与数值都相同 B符号相同，但数值不同 C符号不同，但数值都相同 D符号与数值都不相同

用户解答： 符号不同，但数值都相同

6.使经纬仪竖轴中心（水平度盘的刻划中心）与地面点（角顶点）位置处在同一铅垂线的操作是（）。

A精密整平B概略整平C 对中 D 瞄准目标 用户解答： 对中

7.水准测量时，校核条件最好的是（）。

A往返路线 B 闭合路线 C 支水准路线 D 附和路线 用户解答： 附和路线

8.平面控制网的形式较多，不是平面控制网的是（）。

A导线网 B中点多边形 C三角网 D闭合水准路线 用户解答： 闭合水准路线

9.三角网计算前，应对各内角编号，已知边所对的角编号为（）。

A c B a C b D 三者都可 用户解答： b 10.在1∶2000的地形图上，量得某地的面积为120mm2，则地面的实际面积为（）。

A480m2 B240m2 C144m2 D120m2 用户解答： 480m2 11.水准器的分划值越大，说明（）。

A内圆弧的半径大 B整平精度高 C气泡整平困难 D 其灵敏度低 用户解答： 其灵敏度低 12.自动安平水准仪，（）。

既没有圆水准器也没有管水准器

没有圆水准器

既有圆水准器也有管水准器 没有管水准器

用户解答： 没有管水准器 13.水准测量中，仪器视线高应为（）。

前视读数+后视点高程

后视读数+后视点高程

后视读数+前视点高程

前视读数+前视点高程

用户解答： 后视读数+后视点高程 14.竖直角绝对值的最大值为（）。

A270° B90° C180° D 360° 用户解答： 90°

15.坐标方位角的取值范围为（）。

A-180°~180° B 0°~360° C 0°~270° D-90°~90°

用户解答： 0°~360°

16.对某边观测4测回，观测中误差为±2cm，则算术平均值的中误差为（）。

A±0.5cm B ±1cm C±4cm D ±2cm 用户解答： ±1cm 17.三角高程测量中，采用对向观测可以消除（）的影响。

A水平度盘分划误差 B地球曲率差和大气折光差 C视差 D 视准轴误差

用户解答： 地球曲率差和大气折光差 18.展绘控制点时，应在图上标明控制点的（）

A点号与高程 B高程与方向 C点号与坐标 D坐标与高程 用户解答： 点号与高程

19.小平板配合经纬仪联合测图是按（）交会法测定碎部点的。

A一个距离和一个方向 B一个角度和一个高程 C 两个角度 D 两个距离 用户解答： 一个距离和一个方向

20.地面两点A、B的坐标分别为A（1256.234，362.473），（1246.124，B352.233），则A、B间的水平距离为（）m。

A207.070 B 103.535 C14.390 D 4.511 用户解答： 14.390

中国农大 水利工程测量-在线作业_C 最终成绩：95.0 一 单项选择题 1.水准面可定义为（）。

处处与重力方向相垂直的平面

处处与地心引力方向相垂直的曲面

处处与重力方向相垂直的曲面

处处与地球椭球法线方向相垂直的曲面 用户解答： 处处与地心引力方向相垂直的曲面

2.计算中误差时，一般要采用最或是误差（改正数）ｖ来计算，其原因在于（）。

观测值的真值一般是不知道的

最或是误差的总和等于零，可作校核计算

每个观测值的改正数是一样的为了使中误差计算得更正确

用户解答： 观测值的真值一般是不知道的

3.水准测量记录表中，如果∑h=∑a-∑b, 则正确的是（）。

A记录 B计算 C 三者都对 D 观测 用户解答： 计算

4.用大平板测图时，测绘1:1000比例尺地形图时，平板仪对中误差不得大于（）。

A5mm B 10mm C50mm D 20mm 用户解答： 50mm 5.渠道中线测量时，每隔一定距离(20m或50m)打一木桩为里程桩，加桩应打在（）。

A遇到与其他渠道或道路相交之处 B 线路纵向或横向有显著变化之处 C 要同时考虑A与B的情况

D 线路纵向有显著变化之处而不考虑横向变化 用户解答： 要同时考虑

6.用高程为24.397m的水准点，测设出高程为25.000m的室内地坪±0.000，在水准点上水准尺的读数为1.445m，室内地坪处水准尺的读数应为（）。

A1.042m B 2.048m C 0.642m D0.842m 用户解答： 0.842m 7.我国境内某点A的高斯坐标为X=112223m，Y=19343800m，则A点属于6º带的带号及中央子午线的经度为（）。

A11带、63º B11带、66º C 19带、117º D 19带、111º 用户解答： 19带、111º

8.坡度是两点间高差与其实际水平距离的（）。

A和 B 积 C 差 D比 用户解答： 比

9.某路线转折点的里程为0+380.89，通过计算，圆曲线的切线长T=41.30m，曲线长为L=81.45m，则曲线中点的里程为（）。

A0+422.19 B 0+421.04 C 0+339.59 D 0+380.32 用户解答： 0+380.32 10.水准测量中，调节脚螺旋使圆水准气泡居中的目的是使（）。

A十字丝横丝水平B 视准轴水平C 竖轴铅垂 D A,B,C都不是

用户解答： 竖轴铅垂

11.转动目镜对光螺旋的目的是（）。

A看清十字丝 B看清读数 C 消除视差 D 看清物像 用户解答： 看清十字丝

12.水平角观测时，照准不同方向的目标，应如何旋转照准部？（）

总是顺时针方向

总是逆时针方向

盘左逆时针、盘右顺时针方向

盘左顺时针、盘右逆时针方向

用户解答： 盘左顺时针、盘右逆时针方向 13.接图表的作用是（）。

表示本图幅与相邻图幅的位置关系

表示本图的边界线或范围

表示本图的图名

表示相邻图幅的经纬度

用户解答： 表示本图幅与相邻图幅的位置关系

14.某导线的 =-0.08m，=+0.06m，导线全长 =506.704m，该导线的全长相对闭和差为（）。

A1/4000 B 1/1354 C 1/9576 D 1/5067 用户解答： 1/5067 15.直线方位角与该直线的反方位角相差（）。

A180° B 90° C 270° D360° 用户解答： 180°

16.下列几种方法中，哪种方法不能测设点的平面位置（）。

A距离交会法 B仪器高法 C 直角坐标法 D 极坐标法 用户解答： 仪器高法 17.用罗盘仪测出的是（）。

A真方位角 B 坐标方位角 C三北方向 D 磁方位角 用户解答： 磁方位角

18.经纬仪在测站上要对中、整平，通过对中达到（）。

水平度盘中心与测站在同一铅垂线上

仪器中心螺旋的中心与测站在同一铅垂线上

仪器基座中心线与测站在同一铅垂线上

仪器的水平度盘中心与中心螺旋的在同一铅垂 用户解答： 水平度盘中心与测站在同一铅垂线上 19.水准仪的（）应平行于仪器竖轴。

A管水准器轴 B十字丝横丝 C 视准轴 D 圆水准器轴 用户解答： 圆水准器轴

20.相对高程是由（）起算的地面点高度。

A任意水准面 B 竖直面 C 水平面 D 大地水准面 用户解答： 任意水准面

中国农大 水利工程测量-在线作业_D 最终成绩：一 单项选择题

1.高斯投影，其平面直角坐标系（）。

X轴是投影带中央经线的投影，Y轴是赤道 X轴是投影带中央经线，Y轴是赤道的投影 X轴是测区的中央经线，Y轴是垂直于X轴 X轴是赤道的投影，Y轴是投影带的中央经线

用户解答： X轴是投影带中央经线，Y轴是赤道的投影

100.0

2.大地体指的是（）。

A地球椭球体 B由大地水准面所包围的形体 C实际的地球表面 D由水准面所包围的形体 用户解答： 由大地水准面所包围的形体

3.在渠道纵断面测量时，已知某测站水准仪的视线高是77.850m，前视中间点的读数为1.56m，转点的读数为1.958m，则转点的高程为（）。

A79.808 B 75.892 C 77.452 D 78.248 用户解答： 75.892 4.在1∶2000的地形图上，量得两点间的距离为12mm，则地面的实际距离为（）。

A24m B 12m C144m D 48m 用户解答： 24m 5.坐标反算是根据直线的起、终点平面坐标，计算直线的（）。

A水平距离与水平角 B 水平距离与方位角 C 斜距与方位角 D 斜距与水平角 用户解答： 水平距离与方位角

6.某直线的坐标方位角为163°50′36″，则其反坐标方位角为（）。

A343°50′36″ B 253°50′36″ C196°09′24″ D-16°09′24″ 用户解答： 343°50′36″

7.在地形图上，量得A点高程为21.17m，B点高程为16.84m，AB的平距为279.50m，则直线AB的坡度为（）。

A6.8% B 1.5% C-6.8% D-1.5% 用户解答：-1.5% 8.用角度交会法测设点位时，测设数据是（）。

A两个距离 B 一个距离和一个角度 C一个距离和一个高程 D 两个角度 用户解答： 两个角度

9.导线外业的测量工作不包括（）。

A导线转折角的测量 B导线边长丈量 C导线角度闭合差的计算 D选定并埋设导线点

用户解答： 导线角度闭合差的计算 10.测设点的平面位置的基本方法不包括（）。

A距离交会法 B 直角坐标法 C 仪高法 D 极坐标法 用户解答： 仪高法 11.高斯投影属于（）。

A等面积投影 B 等角投影 C 等长度投影 D 等距离投影 用户解答： 等角投影

12.在地形图上，长度和宽度都不依比例尺表示的地物符号是（）。

A半依比例符号 B非比例符号 C 地物注记 D 比例符号 用户解答： 非比例符号

13.下列各种地形图比例尺中，比例尺最大的是（）。

A1：500 B1：2000 C1：5000 D 1：1000 用户解答： 1：500 14.测定点平面坐标的主要工作是（）。

A测量水平距离和水平角 B 测量水平角 C 测量水平距离 D 测量竖直角 用户解答： 测量水平距离和水平角

15.设AB距离为200.23m，方位角为121°23′36″，则AB的x坐标增量为（）m。

A-104.302 B 170.919 C-170.919 D 104.302 用户解答：-104.302 16.附合导线与闭合导线坐标计算的主要差异是（）的计算。

A坐标方位角与坐标增量 B坐标增量与坐标增量闭合差 C 坐标方位角与角度闭合差 D 角度闭合差与坐标增量闭合差 用户解答： 角度闭合差与坐标增量闭合差

17.地形图的比例尺用分子为1的分数形式表示时，（）。

分母大，比例尺大，表示地形详细

分母小，比例尺大，表示地形详细

分母小，比例尺小，表示地形概略

分母大，比例尺小，表示地形详细

用户解答： 分母小，比例尺大，表示地形详细 18.下面那种说法是错误的（）。

等高线一定是闭和的连续曲线

等高线与山脊线、山谷线正交

等高线在任何地方都不会相交

同一等高线上的点的高程相等

用户解答： 等高线在任何地方都不会相交 19.山脊线也称（）。

A山谷线 B 分水线 C示坡线 D集水线 用户解答： 分水线

20.地形图上有27、28、29、30、31、32、33、34、35m等相邻的等高线，则计曲线为（）。

在线测量 篇3

关键词：曲轴加工；RENISHAW；探针测量

中图分类号： TH162 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-165-2

0 引言

在曲轴两端面孔的加工过程中，本工序的定位基准是通过V型块定位方式确定的曲轴中心线，在后续工序中基准转变为由两侧中心孔确定的中心连线，可以说基准线的构成方式发生了改变。由于在后续加工中采用磨床加工曲轴颈及连杆颈等部位，加工精度较高。所以本工序的中心孔的位置度要求是比较高的，而采用在线测量技术则可以保证这种较高的精度要求，以下重点介绍这种探针在线测量与位置补偿在加工中心上的应用技术。

1 概述

对于曲轴两端中心孔的精加工工序，本公司发动机车间曲轴线采用西班牙设备商ETXE-TAR公司研发的ET-H130型卧式加工中心。该设备采用SIEMENS840DSL数控操作系统，机械结构为三直线轴加一B轴转台结构，转台上安装有双夹具夹紧机构，一次装夹可同时加工完成两件曲轴产品（如图1）。

2 曲轴两侧中心孔的工艺分析

根据曲轴工艺图纸分析（如图2），最终尺寸法兰侧Φ14-Φ20孔的圆跳动公差为0.025，虽然小头侧Φ15孔的位置度公差为0.5，但其外圆面与中心线间的跳动公差为0.03。由于后序对两头侧外圆面的精加工均以两侧中心孔为定位基准，所以本道工序对两头的孔加工的位置度要求是极高的（如图3）。

在本案例机床加工过程中发现，由于机床结构的一些原因（托盘式旋转工作台），开机后润滑油需要一个升温过程，这样就导致了Y方向（竖直方向）波动较大，在此期间加工的工件跳动尺寸超差。经过反复试验，记录跟踪数据，发现经过一段长时间的热机后虽会有所好转，但尺寸依然不够稳定，而且产量要求较紧张，没有多余的长时间热机条件，遂决定采用探针在线测量补偿的方法解决此问题。

3 探针在线测量补偿应用

选用英国RENISHAW公司的RMP60型探针（如图3），该探针采用无线电跳频（FHSS）技术，工作频带2.4GHz，信号传输不受干扰，可以在同一车间内同时使用多套系统，适合大中型加工中心及五轴机床。根据应用手册将其发射器、接收器安装在机床内（如图4）并进行配对。

探针安装配对完成后，将夹具测量面进行适当的处理、打磨出光亮面（如图5）。编制测量用NC程序，程序由校准及正常测量两部分组成。配合二次开发的探针测量界面（如图6），可以实现按规定频次进行测量补偿、开启关闭测量补偿、探针校准等功能。

4 探针测量程序简介

探针测量程序的编制综合运用了R参数、PLC/NC交互信号、系统变量、探针测量指令等编程方法。

首先通过示教的方式（利用机床手轮或HT8）找到探针要触碰的X/Y/Z测量点，记录下接近位置的机械坐标值，本项目将其命名为X_MEASURE_AV[1]，Y_MEASURE_AV[1]，Z_MEASURE_FLAN-GE_AV[1]，测量终点位置X_ MEASURE_F LANGE_EV[1]，Y_MEASURE_FLANGE_EV[1]， Z_MEA SURE_FLANGE_EV[1]在测量之前使探针以G0速度快速接近此位置Z_MEASURE_FLANGE_AV[1]（以Z向测量为例）。

应用探针测量指令MEAS=1激活探针，此时应用G01工进指令使Z轴前进至Z_MEASURE_FLAN-GE_EV[1]。将此过程的跳跃信号存储到系统变量$AA_MW[Z]中，利用中间变量R将其存储，并与夹具标准条件（热机完成机床温度稳定）下的位置做比对，得出差值作为机床的补偿量。最好通过不同的NC/PLC交互变量，例如$A_IN[37]，生成判断条件，用于在不同工况下激活或结束补偿功能。

5 结束语

从上面的介绍可知，对于加工精度要求较高的工序，可以合理利用多种手段达到精度要求，利用在线测量等先进的技术，能够对机床的非稳态加工予以改善和纠正。不过运用探针进行在线补偿的同时，也要考虑到节拍的要求，尽量减少不必要的频繁测量、补偿，合理设定在线补偿频次，对于探针的周期性校准及保养问题也要有全方位的考虑，保证探针补偿值的准确性和时效性。

参 考 文 献

[1] 常百.UG NX6.0中文版数控加工基础入门与范例精通[M].北京：科学出版社，2009.

[2] 孙彦广.工业智能控制技术与应用[M].北京：科学出版社，2007.

一种转动惯量在线测量方法 篇4

转动惯量是刚体转动中惯性大小的量度,是物体质量特性参数中的主要指标。目前测量物体转动惯量的方法很多,主要有:扭摆法[1,2,3,4,5]、复摆法[6,7]、单轴扭振法及落体观察法[8]。这些方法主要是基于扭摆原理测量物体的转动惯量。这些试验方法对于回转机械这类整机系统都有一定的局限性[9]。如扭转振动法、平行线悬挂法、 落体观察法只适合测小型不规则体,对于大型不规则体并不适用;几何计算法是测量回转机械传动系统常用的方法,该方法首先计算或测量有关转动部件的转动惯量,然后利用叠加公式计算出整个鼓轮的转动惯量,然而这种方法计算由于鼓轮加工误差以及安装存在误差等因素影响,导致转动惯量测量精度不高。

航空、兵器、船舶、铁路、汽车生产等领域以鼓轮作为储能设备的试验测试台中,转动惯量的准确测量对于试验产品的测量精度显得尤为重要。比如航空机轮刹车装置动力试验台、火炮转台伺服测试试验台、船舶推进系统陆上试验测试台、动车刹车试验台、汽车测功仪等。这些试验台回转体转动惯量的特点:转动惯量大; 试验台的转动惯量是鼓轮系转动惯量,是一个组合惯量 (即不仅包含鼓轮本身转动惯量,还包含轴系上其他回转体,如联轴器、电机转子、应急刹车装置等形成的附加惯量)。几何计算法因为前述原因在计算这类鼓轮系转动惯量时误差较大,所以采用合适的方法准确测量鼓轮系转动惯量是科学研究及生产实践的必要环节。

为此针对鼓轮系惯量测量,提出一种在鼓轮系安装调试完成后,利用自身拖动控制系统对鼓轮系整个回转惯量进行测量的方法。

1 测试原理

以某航空机轮、轮胎和刹车装置动力试验台为例对此进行研究。航空机轮、轮胎和刹车装置动力试验台是航空轮胎动态性能,机轮和刹车装置刹车性能测试的专业试验设备,在刹车性能试验中,鼓轮系除了用以模拟机场跑道外还用于模拟飞机的着陆动能,该能量的精度极大影响着刹车试验性能品质,根据旋转体能量公式: E =(1 2)Jω2可知,由于高速旋转下光电编码器速度测试精度很高,误差可以忽略不计,因而能量精度完全取决于鼓轮系惯量的测试精度,需要精确对鼓轮系转动惯量进行测试。

试验台传动部分结构如图1所示,由直流电动机、 联轴器、刚性连接轴、力矩轴、主轴、支撑轴承座与轴承、 主鼓轮等组成。鼓轮系回转部分转动惯量包括:主鼓轮惯量、主轴附件惯量、电机转子惯量等。

根据机械系统等效动力学理论,鼓轮系回转部分机械力学模型可等效为绕轴旋转的质量盘和轴支承结构 (如图2所示)。在主轴上施加可控的加速力矩T,测量该力矩作用下轴系旋转角加速度 ε,即可通过计算间接测量鼓轮系转动惯量∑J ,如式(1):

按照上述思路,将所有轴系附加惯量集中到主鼓轮惯量中,记为Jg,那么所要测试的鼓轮系惯量,建立试验台鼓轮系动力学测试模型,如图3所示。

电机带动鼓轮系加速转动过程中轴系受力情况为: 电机电磁力矩Te、鼓轮轴承摩擦损耗力矩Tgzc、鼓轮风阻力矩Tgfz。其中Te为鼓轮系加速力矩,其余力矩均为鼓轮系的制动力矩。 Ts表示力矩计读数,是鼓轮系加速力矩的测量值。显然可以建立下述动力学方程:

由式(2)可知,选用高精度动态性能良好的动态力矩计以及分辨率足够的光电编码器,只要精确测量加速过程中主鼓轮风阻损耗以及轴承摩擦损耗,就可以精确测量鼓轮系转动惯量Jg。

2 测量方法与数据处理

利用试验台电拖控制系统对鼓轮系回转体惯量进行在线测量。某试验台电拖控制系统由计算机(上位机)、s7-300 PLC(下位机)及其模块、DCS800直流驱动器等组成,对直流电动机采用速度电流双闭环调速控制模式(其中速度闭环控制率为PI控制,在PLC中实现), 系统控制框图见图4。

2.1 鼓轮系速度相关损耗力矩测试

风阻损耗与鼓轮形状以及旋转速度相关,当鼓轮外型确定后转速成为影响风阻损耗的惟一因素。鼓轮在高速旋转下风阻损耗是十分严重的,风阻损耗约与转速立方成正比。鼓轮轴承损耗力矩为鼓轮自重引起的轴承摩擦力矩,在整个测试过程表现为一恒量,因此将两项合并为鼓轮速度相关损耗力矩。

测试原理:利用鼓轮处于匀速旋转时力矩计测量值 (Ts)等于鼓轮速度相关损耗力矩的原理进行测试,对测量结果通过开环观测法进行验证。

测试过程描述如下:

(1)通过反复调试,整定好驱动系统控制参数(包括速度控制器参数以及电流控制器参数)。

(2)在电机额定速度范围内(nmin~nmax)均匀细分速度,速度梯度等级为 Δn。控制电机分别匀速运转在nmin, nmin+ Δn, nmin+ 2Δn,…,nmax,在每个恒速运转段运转一段时间后读取力矩计测量值(在恒定速度下,该值为定值)并按照速度索引方式存储在鼓轮损耗补偿器中。

(3)在每个恒速运转段测试完成后,使鼓轮损耗补偿器模块投入运行,同时封锁速度控制器,即速度环开环进行验证,观察电机速度保持情况(此时电机应当保持该转速大约15 s左右),如有需要可以重新测试。

(4)对步骤(2)、(3)所测试并得到验证的数据进行处理。将鼓轮速度相关损耗补偿器中存储的速度-力矩数据进行数据拟合得到风阻-速度方程Tfz= f (n)+ Tfz0,式中f (n) 项即为电机鼓轮风阻力矩Tgfz,常数项Tfz0即为鼓轮自重引起的轴承摩擦损耗力矩Tzc0。

利用拟合得到的风阻—速度方程重新设计鼓轮损耗补偿器程序,以便后面惯量测试时使用。

2.2 轴系加速度测量

轴系速度传感器采用光电编码器,分度值为360。 PLC测速模块采用西门子公司的FM350-1,该模块可以自动计算转速信号。加速度信号是速度的微分,因为FM350的闸门时间设定为50 ms,因此采用直接微分法计算角加速度误差很大,经过笔者试验,采用惯性滤波+ 三点微分法计算角加速度,精度较高。图5为角加速度计算模型。

2.3 鼓轮惯量测量

以不同角加速度 ε1⋯εn进行惯量测试试验,每个角加速度值 εi上进行多次测试试验求其平均值作为鼓轮系该加速度下的有效值。具体做法如下:

(1)打开鼓轮风阻补偿器模块,以最小设计角加速度值 ε1驱动电机带动鼓轮从静止状态加速(即鼓轮处于恒加速度控制),当鼓轮速度经过半基速时,采集并记录当时的力矩计读数Ts|n = ne2(此时力矩计读数中包括了加在 鼓轮上的 加速力矩Ta| ω = ωn2、风阻补偿 力矩Tfzb| ω = ωn2、轴承摩擦损耗力矩Tzcb| ω = ωn2)。由于鼓轮速度相关损耗已经测试并得到验证,根据风阻-速度拟合方程可以计算出半基速下鼓轮损耗力矩,依据下式计算该加速度工况下的鼓轮惯量值:

(2)同样方法再进行二次试验,得到 ε1试验工况下相应的惯量值J12,J13,从而求其均值得到该加速度工况下的惯量平均测试值J1;

(3)重复步骤(1),(2)对 ε2⋯εn等加速度工况分别测试,得到相应的惯量值J2⋯Jn;

这样在不同加速度下便可得到鼓轮惯量的序列值J(εi),最后对惯量序列值计算其代数平均值得到鼓轮惯量测量值。为了保证每个加速度下惯量值计算的准确度,可以重复多次进行测试。

3 试验结果及分析

应用以上方法对试验台鼓轮系进行转动惯量测量试验。根据式(3)、式(4)、式(5)分别在不同加速度下多次测量读数力矩值并取其平均值计算鼓轮转动惯量,部分计算数据如表1所示。

将上述各角加速度下计算的惯量值求和取其均值得到鼓轮系惯量值为10 301.46 N·ms2,试验台鼓轮系惯量设计值为10 374 N·ms2,测试误差为-0.7%,显然测试结果具有较高的精度,多次测量结果表明有很好的一致性,说明试验方法是合理可行的。

4 结语

(1)在此提出的回转体传动系统转动惯量的在线测量方法是可行的,且被测系统具有一般性,因此这种测量方法在实际工程生产中具有普遍意义。

在线测量 篇5

一、单选题（共 10 道试题，共 40 分。）

1.平面控制加密中,由两个相邻的已知点A、B向待定点P观测水平角PAB和ABP，以求得P点坐标的方法称为（）法 A.后方交会 B.侧方交会 C.方向交会 D.前方交会 正确答案：D

2.汇水面积是一系列什么线与指定断面围成的闭合图形面积（）A.山谷线 B.山脊线 C.某一等高线 D.集水线 正确答案：B 3.竖直角的最大值为()。A.90° B.180° C.270° D.360°

正确答案：A 4.全站仪坐标放样法与（）非常相似 A.极坐标法 B.角度交会法 C.直角坐标法 D.距离交会法 正确答案：A

5.大比例尺地形图按矩形分幅时常用的编号方法：以图幅的（）编号法。A.西北角坐标值公里数 B.西南角坐标值公里数 C.西北角坐标值米数 D.西南角坐标值米数 正确答案：B 6.一副地形图上，等高线越稀疏，表示地貌的状态是（）A.坡度均匀 B.坡度越小

C.坡度越大 D.都错

正确答案：B 7.目前中国采用的统一的测量高程系指的是（）A.渤海高程系 B.1956 高程系

C.1985国家高程标准 D.黄海高程系 正确答案：C 8.高差与水平距离之（）为坡度。A.和 B.差 C.比 D.积

正确答案：C 9.既反映地物的平面位置，又反映地面高低起伏状态的正射投影图称为（）A.平面图 B.断面图 C.影像图 D.地形图 正确答案：D 10.建筑场地较小时，采用建筑基线作为平面控制，其基线点数不应小于多少（）A.2 B.3 C.4 D.5 正确答案：B

吉大17春学期《测量学》在线作业一

二、多选题（共 5 道试题，共 20 分。）

1.确定地面点位的三个基本观测量是（）A.水平角 B.坡度 C.水平距离 D.高差

正确答案：ACD 2.用光学经纬仪测定或测设水平角时，采用测回法观测，其优点是（）

A.检查错误

B.消除水准管轴不垂直于纵轴的误差 C.消除视准轴不垂直于横轴的误差

D.消除十字丝竖丝不垂直于横轴的误差 正确答案：AC 3.施工测量中平面控制网的形式有（）A.平板仪导线 B.建筑方格网 C.多边网 D.建筑基线 正确答案：BCD 4.根据测定时间和方式的不同，光电测距仪分为（）A.脉冲式测距仪 B.相位式测距仪 C.超声波测距仪 D.雷达测距仪 正确答案：AB 5.施工测量中平面点位测设的方法有（）A.直角坐标法 B.极坐标法 C.角度交会法 D.距离交会法 正确答案：ABCD

吉大17春学期《测量学》在线作业一

三、判断题（共 10 道试题，共 40 分。）

1.地下工程高程控制测量通常采用三、四等水准测量的方法，按往返或闭合水准路线施测。（）A.错误 B.正确

正确答案：B 2.设置里程桩的工作主要是定线、量距和打桩。()A.错误 B.正确

正确答案：B 3.典型地貌有 山头与洼地、山脊与山谷、鞍部、陡崖与悬崖。（）A.错误

B.正确

正确答案：B 4.自由静止的海水面向大陆、岛屿内延伸而形成的封闭曲面，称为水准面。（）A.错误 B.正确 正确答案：

5.确定直线与标准方向的夹角称为直线定线。（）A.错误 B.正确

正确答案：A 6.水准仪的仪器高是指望远镜的中心到地面的铅垂距离。（）A.错误 B.正确

正确答案：B 7.算术平均值是等精度观测值的最可靠值。()A.错误 B.正确

正确答案：B 8.示坡线是垂直于等高线的短线，用以指示坡度上升方向。（）A.错误 B.正确

正确答案：A 9.视距测量可同时测定两点间的高差和水平距离。（）A.错误 B.正确

正确答案：B 10.导线测量的外业包括踏勘选点、高程测量、边长测量和连接测量。A.错误 B.正确

正确答案：A

圆度误差在线测量与影响因素分析 篇6

1 圆度误差在线测量现状

圆度误差是指回转体的同一正截面上实际轮廓对理想圆的变动量。它是高精度回转体零件的一项重要精度指标, 其测量是一个重要、复杂的工作。目前主要采用圆度仪和三坐标测量仪对圆度误差进行测量。而在线测量是测量仪器长期安装在机器设备上, 连续不断地采集有关数据并实时进行分析。

现代工厂作业中, 圆度误差对于数控机床来说, 是可以无障碍的作用于数控机床的精度、性能等方面。而现代工厂所拥有的技术中, 接触测量是较为常见的, 也是使用率最高的圆度误差测量方法。而在接触性测量中, 又可以分为两:特定的圆度测量用具和利用特定的感应器来收集数据的微型机器圆度测量[1]。

微型机器圆度测量系统在国内并未得到大量使用, 所以, 我们现在常用的测量手段大部分来自于圆度测量仪器。在圆度误差测量的时候, 它们会表现出如下特性:

1) 相比于现在先进的测量方法来说, 以前老旧的方法表现出一些明显的缺点, 它的测量设备较为简陋, 测量方法简单上手, 但是这种测量方法会有一些不稳定因素, 因为它是手工测量, 所以对测量人的测量方法有较高的要求, 如果测量人的方法不当, 可能会有测量误差的出现, 而且人工测量的测量效率较低, 无法做到完全的在线测量。

2) 在诸多测量方法中, 圆度仪、三坐标测量仪这些测量仪器相对于其他测量仪来说具有测量精度大的优点, 但是这几类仪器在实际测量的时候, 它的内容繁琐, 且它的测量成本相比于其他来说相对较高, 对于现代工厂的经济条件来说并不适合。

3) 在现代的一些测量方法中, 存在一种可以在线测量的系统, 那就是在线微型检测。它的检测精度高[2], 但是自身也存在着缺点, 那就是相比于前面两种方法来说, 它的可适性不足, 而在现代技术中, 仅仅可以达到接触测量, 所以, 它并不适用于大多数的测量。

总体来说, 对于非接触检测的分析手段, 是数控机床的圆度误差检测的基本条件。这种处理技术相对于以前的圆度误差检测手段来说, 显得相对落后。

2 数控机床圆度检测误差的影响因素

数控机床圆度误差在线测量会受到各种各样的因素影响, 但是影响最大的还是以下几种:1) 受机床的主轴的回转精度的作用;2) 通过作用于机床顶端的夹具;3) 在实际操作时, 加工配件的作用;4) 操作时, 外力对于测量结果的作用;5) 操作过程中, 配件自身的影响;6) 加工时, 加工技术的作用。

另外一种情况则是:在测量时, 被检测的那一方的实际因素相比于其想象的因素来说, 他们之间存在较大差异。在实际操作中, 这个误差是普遍存在的, 我们不应该逃避它, 我们要正视误差, 找到误差出现的深层原因, 分析是哪里出了问题, 可能是因为测量用具的问题, 还可能受到测量时其所处的环境所影响, 操作人员的专业度等问题。正是因为这些测量时出现误差的原由[3], 我们才可以找出原因, 以至我们在下次测量时可以避免。而我们的最终目标就是要使测量误差尽可能的缩小到可以忽视的地步。这就需要我们能够清晰的认识测量时可能出现误差的几点原因:1) 测量用具误差。这种误差是测量工具在设计的时候、在生产的过程中以及在投入实际操作的工作中, 因为某些原因所导致测量用具自身出现误差。2) 测量方法误差。这里所说的误差是在测量时由于测量手法的错误而导致测量结果的偏差。3) 测量时所处的环境误差。环境误差的具体体现可能是, 在实际测量时, 会受到当地环境条件的影响。可能是当地的一些气候条件的作用, 还有周围电力磁场的影响等。4) 操作人员的误差。以人主导的测量误差是在具体测量过程中, 操作人员可能出现的测量错误。这种失误的情况较多, 且难以预估。

3 结束语

就整个社会的技术发展水平来说, 数控机床的发展应用是呈上涨的趋势, 而在数控机床的技术水平日益提高的时候, 圆度误差检测技术也随之在不断的进步发展。同时, 在电脑技术与相关视觉软件对于图像处理能力不断发展的今天, 在以后的数控机床检测方面, 非接触在线圆度误差检测一定会越来越得到重视[4]。所以, 为了在今后的圆度误差测量技术中可以有更显著的发展进步, 对于那些巨大的、非短轴型的配件的圆度检测手段的分析是十分重要的。同时, 对于电脑技术以及视觉软件对于图像的处理技术水平的整体分析思考也将是圆度误差的前进目标与工作重心。

摘要：现在社会对于科学技术的要求越来越高, 数控机床的出现则满足了这一要求。数控机床的发展在一定意义上引导着机床控制技术的前进方向。本文就数控机床圆度误差在线测量及其影响因素进行分析与研究, 使数控机床圆度误差在线测量技术更加成熟, 以至于它能更好的为现代工厂生产做出贡献。

关键词：数控机床,误差分析,影响因素

参考文献

[1]邹定海, 叶声华.用于在线测量的视觉检测系统[J].仪器仪表学报, 2014, 16 (4) :337-340.

[2]周恒.微机在工件圆度自动测量中的应用[J].基础自动化, 2013, 18 (6) :50-52.

[3]潘淑微, 曹永洁, 傅建中.数控机床误差检测技术研究[J].机床与液压, 2013, 36 (5) :355-337.

好氧微生物耗氧速率的在线测量 篇7

人类进入21世纪后, 污水生物处理的计算机建模和优化控制成为污水处理发展的重要方向。对于好氧微生物处理过程, 传统的控制策略有时间程序控制、流量程序控制、DO限定控制等方式。这些针对物化控制参数的控制策略并不能从微生物的角度出发, 反映微生物的活性。因此, 很有必要选择一种从生物角度反映微生物状态的指标作为优化控制参数, 实现在线实时控制, 这将必然有利于好氧微生物污水处理系统和排放出水的稳定性和运行过程的经济性。

污水处理中好氧微生物的耗氧速率 (OUR) 也称呼吸速率或氧利用速率, 它是指单位时间单位体积混合液中微生物的耗氧量, 是表征好氧微生物的微生物活性状态的重要指标。

现有的测定耗氧速率的方法很多, 测量仪层出不穷, 但是其测量过程很多都是非实时、非在线的, 并不能用于污水处理厂的实时运行控制中。因此, 研制一种实时的好氧微生物耗氧速率测定仪对工业化的好氧微生物处理过程的计算机优化控制, 开发稳定、实时的耗氧速率测定仪有着十分重要的意义。

2 测量平台的设计及组成

测量平台按照功能可以分为污水处理工艺过程系统和数据采集控制系统。

2.1 污水处理工艺过程系统

本测量平台实施于某微电子厂有机污水处理系统, 该污水处理系统采用的是水解酸化-高负荷好氧生物接触氧化工艺。由废水调节池、p H调节池、水解酸化池、高负荷好氧生物接触氧化池组成, 是一套典型的A-O工艺流程。本系统中的接触氧化池是耗氧速率监测对象, 通过对接触氧化池中的好氧微生物的耗氧速率的测量, 实现对过程的优化控制。

2.2 基于TCP/I PEt her net的数据采集和控制系统

污水处理数据采集和控制系统包括:以TCP/IP协议为基础的环型以太网、监测模块 (各种监测仪器仪表以及传感器) 、I/O模块 (数据采集板卡) 、工控机、电气控制柜、仪器仪表柜和执行器 (现场控制设备) 等。

在现场控制层, 工作站接受来自中央控制层服务器的控制指令。通过I/O模块, 对现场工艺设备进行连续控制, 并实时采集工艺过程的各个状态变量以及水质监测参数。

在上位机服务器上, 利用Matlab/Simulink工具箱编制的控制模型, 通过I/O板卡, 实现对工艺现场的水质参数的在线监测和实时采集。

3 耗氧速率测量

3.1 耗氧速率测量原理

耗氧速率测量原理主要分为基于测量液相中的溶解氧浓度原理和测量气相氧气分压的原理。本文实现的耗氧速率软测量是通过测量液相中溶解氧浓度, 基于液相DO浓度的耗氧速率测量原理的总物料平衡为:

式中, So为液相的溶解氧浓度;So*为液相的饱和溶解氧浓度;SO, in为通过液相进入系统的DO浓度;KLa为氧传递系数 (基于液相体积) ;Qin为进入系统的液体流量;Qout为出系统的液体的流量;r0为液体中微生物的耗氧速率;VL为液相体积。

3.2 耗氧速率测量方法

最初的耗氧速率的测量, 是完全用手工方法实现的。其原理也主要是对气相氧气浓度的测量, 是应用一些物理原理, 如:压力法、体积法等。随着电化学溶解氧传感器的出现, 大大推进了耗氧速率测量仪的发展。对于不同的耗氧速率测量仪, 有着不同的测量过程和测量原理。

耗氧速率测定方法有很多种, 虽然其最基本的原理类似, 但是它们在具体的测量过程中还是有着一定的区别, 如:测定系统是否有DO传感器、混合液流态是否连续、呼吸室是否密闭、得出的OUR数据是否实时等。

下面通过列举两种最常见的耗氧速率测定仪, 来讨论耗氧测量的方法。

3.2.1 WARBUGE (瓦勃仪)

瓦勃呼吸速率测定仪是一种常见的测定耗氧速率的测量仪器, 其原理如下:恒温定容条件下气体量的任何变化均可反映在气压计上的压力改变。在恒温和连续搅动条件下, 一定量菌种与污水在定容反应瓶里反应, 测定由于微生物耗氧导致的反应瓶氧分压降低 (用碱液吸收所产生的CO2) , 即可推算耗氧量。

瓦勃呼吸仪是一种典型的通过测量氧气分压的耗氧速率仪, 已有很长的历史。这种方法的缺点:样品体积小, 取样要求精细, 若操作技术欠熟练, 误差较大。实验时污泥要离心、生理盐水 (或蒸馏水) 洗涤3次后方可测定, 过程比较繁琐。很难做到连续测量, 因此得到的数据只能用于废水可生化性的评估或对好氧微生物状态的评估, 也很难应用于实际污水处理过程的控制中。

其他还有一些基于气相氧气体积或者压力的测量方法, 如:容量式耗氧仪测定是在恒压系统中进行, 且用电解电池来计算氧消耗。例如SPromat (由Voith制造) 。组合式耗氧仪是在体积和压力均变化的系统中测定氧消耗。例如HACH耗氧仪 (由Voith制造) 。这些测量仪都在一定时期、一定条件下对耗氧速率的测量做出了很大的贡献。

3.2.2 耗氧速率瓶测量法

现在, 多数耗氧仪采用DO传感器测定DO浓度, 从DO浓度的变化计算耗氧速率。耗氧速率瓶测量法是较为常见的一种方法。该测量法的测量原理如下:对一定温度, 一定浓度的好氧微生物混合液进行曝气并到饱和状态。然后将上述饱和溶解氧的污泥混合液倒满内装搅拌棒的测定瓶中, 并塞上安有溶氧仪电极的橡皮塞, 保持密封并注意瓶内不应产生气泡。恒温状态下进行适当搅拌, 用DO仪测定混合液的DO浓度。由DO仪测定DO浓度随时间变化的斜率, 来测量耗氧速率。

本装置恒温密闭, 排除了气流波动和温度变化等外界因素对DO测定的影响, 适于实验室与现场测定。但是其测量过程比较复杂, 需要一定的时间, 因此其测量结果也必然为间歇式的。有一些研究人员通过增加呼吸瓶的数量, 或者改变呼吸室进出方式 (采用交叉进出) , 也可以得到一系列的测量结果。

这种方法曾被认为是标准法, 也在国内的大部分的教科书和试验指导书中使用, 但后续研究发现此法测定值低于实际值。因为在取样时刻与实际测定时刻之问的时间差内呼吸速率会迅速下降。这种测量方法的测量条件要求比较高, 对微生物浓度较高、底物浓度较高或者溶解氧浓度过低的情况下测量误差都比较大。因此在实际的污水处理过程的在线控制中, 还有一定的局限性。

类似的基于溶解氧传感器的测量方法也很多, 比如1992年Ciaccio提出的敞开式间歇呼吸仪也采用类似的方法。但要注意周围空气中氧气的影响, 而多数开式呼吸仪均连续曝气;优点在于连续输入氧气, 适应于高污泥浓度情况。

几乎上面所有的呼吸仪均可以用来测定好氧微生物悬浮物中的基质或废水的生物降解活性;但是只有能连续采集数据的呼吸仪对于实时监测曝气池中好氧微生物的耗氧速率和好氧微生物处理工艺的过程控制有实际应用意义。

3.3 实现对OUR软测量的测量原理

现在, 让我们回到最一般的情况下。对于微生物的好氧反应, 好氧微生物反应器中溶解氧浓度的变化速率可以用下式表示:

如果对于在反应过程中没有进水出水的批式反应来说, Qin=Qout=0, 则方程变为如下形式:

式中, OURex为外源耗氧速率, mg/ (L·min) ;OURen为内源耗氧速率, mg/ (L·min) 。

3.4 对KLa测量

对于一个给定的曝气设备, 其充氧能力主要和曝气流量关联。在一定曝气流量和充氧效率下, 其充氧能力可以近似地认为是不变。

曝气过程是人为地通过一些设备加速向水中传递氧的过程, 常用的曝气设备分为机械曝气与鼓风曝气两大类, 无论哪一种曝气设备, 其实质都属于氧气在水中的传质过程, 氧传递机理为双膜理论。双膜理论常用来解释气体转移的机理, 此理论基于在气液交界面存在着两层膜 (气膜与液膜) 的物理模型。在氧气的传递过程中, 阻力主要来自液膜。

从上式可见, 我们只要求出曲线Y=ln (Cs-Ct) 的斜率即为

另外, 我们还需要考虑污水的饱和溶解氧值的变化, 溶解性气体的盐析现象的存在, 以及污水中充氧修正系数α、β值, 就可以得到下面的软测量公式。

3.5 在Mat l ab中建立耗氧速率软测量模型

Matlab是美国Math Works公司出品的用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。Simulink是Matlab最重要的组件之一, 它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

将上面的软测量的公式, 用Matlab的Simulink工具进行建模, 得到模型如图2所示。

其中, 通过Simulink中建立的模型, 实现了对理论公式的运算, 并且考虑现场曝气设备的运行状态, 得到耗氧速率的实时测量结果。由于Simulink可以通过数字量输出板卡控制信号, 因此, 该模型可以应用于对污水处理过程中微生物活性的表述, 以实现从微生物活性角度的优化控制。

4 结论

本文通过对耗氧速率机理模型的讨论, 提出了对耗氧速率的软测量模型, 并使用Matlab的Simulink工具箱作为建模工具, 实现耗氧速率软测量模型的建立, 对污水处理过程控制有着重要的意义。耗氧速率在线测量, 提供了一种能直接反映微生物本身状态的指标, 它直接与微生物的生长和底物的去除相关联, 对于好氧微生物污水处理系统中, 维持微生物活性和污水处理效果和效率, 有着十分重要的意义。

摘要：耗氧速率是可以表征污水处理中好氧微生物活性的重要指标, 论文通过对耗氧速率测量原理的深入探讨, 建立了Matlab中软测量模型, 实现了对该指标的在线实时软测量。耗氧速率实时测量对于好氧微生物污水处理系统中, 维持微生物活性及污水处理效果和效率, 有着十分重要的意义。

关键词：耗氧速率,污水处理,软测量,MATLAB建模

参考文献

[1]AverillMLaw, WDavidKelton.仿真建模与分析[M].北京:清华大学出版社, 2000.

[2]Metcalf&EddyInc.废水工程处理与回用[M].北京:清华大学出版社, 2003.

[3]Manfred Schutze, Alberto Campisano, Hubert Colas, Peter Vanrolleghem, Wolfgang Schilling, Real-Time Control of Urban Water Systems, International Conference on Pumps, Electromechanical Devices and Systems Applied to Urban Water Management PEDS[M]Valencia, Spain, 2003.

在线测量 篇8

在原油处理和储藏过程中,原油含水率的准确性和及时性直接影响到原油处理设备的正常运行。原油含水的波动会造成管输、燃油损耗并造成原油沉降罐的运行不稳定。由于原油在开发过程中使用化学助剂,原油所含水分的成分复杂,易造成设备和管道局部穿孔[1]。因此,在线检测原油含水率是原油开采、脱水、处理、集输计量、储运销售及石油炼制等过程的重要依据。

2 联合站储罐含水率的在线测量

原油含水率在线测量是不将原油中的水分脱出,采用一套微机化系统进行测量,用单个或多个传感器探头在线实时采样。在线分析测量又分为直接测量和间接测量。直接测量是根据原油和水在许多方面的物理特性及化学特性不同,采用不同测量原理的一次表进行测量。在线测量方法主要有:密度法、电容法、微波法、短波法、放射性法、中子水分测试仪法等。长期、稳定、精确进行在线测量较为困难,主要因为:(1)产油过程中,油水成分一直不断变化,而流程中一次仪表的标定不及时;(2)目前仪器对影响测量结果的参数修正不够;(3)原油成分复杂,附着在一次表的探头表面,易形成死油、死水区;(4)基于微机处理系统的仪表精度要求高,而大部分在现场使用的油田检测仪表,无法达到此精度要求;(5)位置一般固定,难测到其他层面的含水率。

本研究采用短波吸收的原理进行原油储罐含水率在线检测。短波吸收法是将电能以电磁波的形式辐射到乳化状态存在的油水介质中,根据油、水这两种介质对短波吸收的能力的不同来检测油水乳化液中的水含量[2]。电磁波通过介质时,总是有一部分被吸收,因此电磁波的出射能量总是小于入射能量[3]。这种能量的减少服从朗伯-贝尔定律(J.H.Lamber-A.Beer),即

式中µ--介质的吸收系数;N--介质的分子数

I入--电磁波入射波强;I出--电磁波出射波强。当保持出射波强一定时,电磁波的入射波强与吸收介质分子数成指数规律变化。吸收系数由介质特性决定的,各种介质的吸收系数µ是不同的。如果吸收介质由多种物质组成,则上式应为

在原油乳化液中,上式可变为

式中µ0--原油吸收系数;N0--原油分子数;

µW--水吸收系数;NW--水分子数。

根据实验可知,µ0<<µW,所以N0变化对I入的影响很小,可设电磁波通过纯油介质的入射波强为常数,即I0=I出eµ0N0,则上式可变为

说明电磁波的入射波强只与容器里的油中含水量成指数规律变化。基于这一原理可实现对原油含水的检测。

油田联合站储罐参数自动检测系统是通过安装在油罐中垂直运动的传感器实现移动检测。传感器由短波发生器、发射体、接收体组成。发射体和接收体以原油为介质,当原油含水率发生变化时,对短波的吸收能量也发生变化,传感器将这种变化转化为4～20mA的标准信号,通过二次仪表或计算机显示出油罐参数的检测数值。在每一个采样过程中传感器自上而下降至罐底时自动停住,接着传感器自动返回上升,升至油水乳化带时,以9 5%含水率数值为界限,划分出油水界面的位置。此时,传感器以等间隔上升检测罐中不同高度油层的含水率、温度等参数。当含水率变化大时,减小油层检测间隔,直到传感器检测至液面为止。

3 联合站储罐油量的在线测量

油田联合站沉降罐参数自动检测系统如图1所示,其检测过程是:通过安装在油罐中垂直运动的传感器实现移动检测,传感器由短波发生器、发射体(探头)、接收体(护罩)组成。发射体和接收体以原油为介质,当原油含水率发生变化时,对短波的吸收能量也发生变化,传感器将这种变化转化为4～20mA的标准信号,通过二次仪表或计算机显示出油罐参数的检测数值。在每一个采样过程中:传感器自上而下降至罐底时自动停住,接着传感器自动返回上升,升至油水乳化带时,以9 5%含水率数值为界限,划分出油水界面的位置。此时,传感器以等间隔上升检测罐中不同高度油层的含水率、温度等参数。当含水率变化大(或突变)时,减小油层检测间隔(即增加测量点数),直到传感器检测至液面为止。

在储罐参数的每一个采样过程,采样点数可能不相同,并且不是等间隔采样,所以把区间(ha,hb)分成n份,即ha=h0

曲线下方夹在直线h=ih-1,h=ih之间的区域是一个曲边四边形,它的一条曲边是原曲线y=f(h)的一段弧。若把区间分得足够细,这段小弧可近似地看成一段直线,于是这个曲边四边形可近似地用一个梯形来代替,而这个梯形的面积等于

所有这种梯形面积的和等于

由此可得储罐油量的动态测量公式为

在原油生产过程中,沉降罐的油水界面ah和液面hb都是随时间在不断变化。因此,积分限是可变的,在此称(1)式为原油储罐动态油量近似计算公式。为了进一步提高计算精度,定积分的近似计算可采用抛物线法或牛顿-柯特斯法。本研究以某联合站一储罐为例,该储罐测得一组数据如表1所示。

原油含水率Cw与储罐高度h的关系曲线如图3所示。

在人工测量中,所测罐内含水率通常仅取某点垂直线上的上、中、下三点的含水率,即认为是平均含水率。实际上这种测量结果很少有代表性。由于罐内含水率是油高的非线性函数,因此本研究采用梯形近似法和多项式回归法计算储罐油量:

1、采用梯形近似法计算

由于采样间隔不同,分别为T1=0.25(m),T2=0.5(m),T3=0.1(m),T4=0.2(m),可分为4段进行计算,即

设修正系数k=1,储罐直径D=17.146(m),罐内平均温度t1=40℃,原油密度ρt1=820.3 kg/m3,储罐净油量为

2、采用多项式回归法计算

根据现场数据,设y=f(h)=1-Cw,建立y与h之间的关系,采用4段回归曲线进行拟合,分段多项式回归方程为

储罐净油量的计算式为

上式中,

设修正系数k=1,储罐直径D=17.146(m),罐内平均温度t1=40℃,原油密度ρt1=820.3 kg/m3,储罐净油量为

由梯形近似法计算得到的油量为Gd1=801.45(t),由分段曲线回归法计算得到的油量为Gd2=803.44(t),由此可见,上述近似计算方法基本上能满足工程上的要求。

4 结束语

根据原油含水率非线性分布的变化规律,分析不同工艺条件下原油储量的测量方案,提出采用变积分限和不等采样间隔的定积分近似计算原理以及采用分段多项式回归方法计算拟合曲线下的积分,建立了原油储罐油量动态测量的数学模型。通过理论与实际应用相结合解决了油田联合站脱水工艺流程沉降罐油量的动态计算,为油田联合站原油储运动态、实时盘库系统的实现提供一条可行的途径。

参考文献

[1]张帆.原油含水对管道运行的影响[J].油气储运,1998,17(8):4-6.

[2]赵千锁,徐伟.短波原油含水监测仪及其应用[J].化工自动化及仪表,1996,23(1):60-62.

光纤溶解氧在线测量仪表的设计 篇9

关键词：光纤传感器,ARM微处理器,溶解氧在线测量仪表

0 引 言

溶解氧作为水质分析的基本参数, 其在线测量对于水质的净化程度监测具有重要意义。溶解氧在线测量仪表可广泛应用于污水、自来水、地表水等应用场合, 是水质监测不可缺少的仪表。

传统的溶解氧在线测量仪表主要采用基于电流测定法的电化学方法, 而基于光检测方法的光纤溶解氧检测仪表则代表目前最新的产品技术。基于电化学方法的溶解氧仪表在工业过程在线检测中被大量应用, 由于采用原电池或极谱D式测量原理, 电极传感头需要覆膜, 传感器易被污染, 需经常清洗, 不稳定、易失效等固有缺陷非常突出。

光纤溶解氧仪表的检测方法为非接触式测量, 基于荧光淬灭的光检测原理[1,2,3], 传感器信号采用光纤传输, 无覆膜结构。它具有抗干扰能力强、准确快速、体积小、稳定性高、维护量小等优良特性, 是当今国际上最为先进的溶解氧测量技术。

本研究设计一种光纤溶解氧测量仪表, 可实现对溶解氧的在线连续测量, 具有较高的应用开发价值。

1 测量原理

氧气对于一些荧光物质产生的荧光具有淬灭作用, 从而导致其荧光强度的降低和荧光寿命的缩短。光纤溶解氧传感器通常以荧光物质作为指示剂, 在一定波长的光激发下指示剂产生荧光, 而氧气对荧光具有淬灭作用, 通过检测指示剂荧光被淬灭的程度, 达到检测氧气浓度的目的。

依据Stern-Vlomer方程[4]:

F0/F=1+Ksv[Q]

式中 F0—无氧水的荧光强度;F—待检测水样的荧光强度;Ksv—Stern-Vlomer方程常数;[Q]—溶解氧浓度。根据实际测得的荧光强度F0、F及已知的常量Ksv, 可计算出溶解氧的浓度[Q][4,5]。

本设计中选用Avantes光纤氧传感器。光纤把蓝光LED光源发射的光传导到探头端面的薄膜上, 激发出的荧光反射到光谱仪的探测器上。当气态或液态样品中的氧扩散到薄膜上时, 就会使荧光淬灭, 荧光的淬灭程度与氧含量相关。测量这部分的荧光强度即可计算出所要测的氧含量, 荧光信号强则对应的氧含量低, 反之亦然。

2 系统总体设计

以ARM7嵌入式微处理器为核心, 硬件系统分为模拟信号处理及数字信号处理两大部分。根据本系统的各部分功能, 可分为4个主要单元电路:溶解氧光信号检测、放大及转换电路、温度检测及放大电路、数字信号处理及信号输出电路、人机接口电路。

溶解氧光信号检测由光纤氧传感器实现, 传感器选用Avantes AVS-Oxyprobe探头。放大及转换电路由光学处理组件及光信号检测器件组成, 光学处理组件对光纤传输的传感器的微弱光信号进行聚焦放大, 光信号检测器件将放大后的光信号转换成电信号。光信号检测器选用Sony2048CCD线性阵列, 其像素达到2 048分辨率、像素间距为14 μm。主控CPU选用Philips微控制器LPC2368, 它是具有TDMI-STM内核的32 bit工业级芯片。LPC2368的内核主频达到72 MHz, 功能强大且性价比高, 支持10/100 Ethernet、全速 (12 Mbps) USB 2.0、CAN 2.0B、多个串行接口。高性能的LPC2368为仪表今后的功能升级提供了充足的空间。

仪表系统总体结构, 如图1所示。

3 硬件系统设计

3.1 温度补偿电路

溶解氧的测量值与温度有关, 需要对被测溶液的温度值进行检测, 并在程序中采用算法进行软件补偿, 以获得精确的测量值。温度测量电路选用AD8230作为放大器, 放大器采用斩波技术, 其温度漂移误差很小。A/D芯片选用14 bit精度的AD7367-5, 其与CPU的接口主要有SCLK、undefined、undefined、BUSY控制线。温度检测及A/D转换电路分别如图2、图3所示。

3.2 LCD接口电路

选用YXD12864T单色液晶显示器, 128×64点阵, 内置两片KS0108控制器。CPU与液晶显示器接口包含CS1、CS2、RS、R/W、E、RSTB控制线及DB0～DB7数据线。硬件接口电路如图4所示。

3.3 键盘接口电路

仪表的键盘共设计4个按键:功能键、左键、右键、确认键, CPU定时扫描P1口以读取键值。为确保读取键值的准确性, 使用了端口的滤波功能并在键盘处理子程序中设计了延时程序, 以消除按键抖动的影响[6]。

3.4 CPU与采集模块的通讯

溶解氧光纤探头的微弱光信号经光学放大, 传输到光学探测器后转换成电信号, 再由采集模块AS161采集并转换成数字信号。采集模块AS161上有板载16 bit微处理器以及RS232接口, CPU通过串口通讯读取其检测值, 并对采集模块进行控制参数设置。这样, 一方面降低了硬件电路设计的复杂程度, 同时也减轻了CPU的程序处理负担, 仪表的实时性大大提高。

3.5 模拟量输出电路

测量仪表设计了一路4 mA～20 mA电流输出, 模拟量输出电路选用12 bit精度D/A芯片AD5445。D/A转换电路的接口相对简单, 与CPU的接口主要有CS、R/W控制线。D/A转换接口电路如图5所示。

4 软件系统设计

测量系统的应用软件采用C语言来开发[7], 主程序采用扫描执行方式, 分别调用各个子程序。主程序主要由6个子程序构成, 分别是:①初始化程序。执行系统上电自检, 完成对I/O端口、LCD、串口、定时器等设备的初始化;②通讯子程序。完成与传感器测量信号采集模块的通讯, 以获取溶解氧的数字测量信号。该采集值并非最终的工程值, 除了需要进行工程转换外, 还需要后续的滤波及温度补偿处理;③键盘监控程序。采用中断执行方式, 以提高实时性。负责执行键盘的中断响应, 主要实现菜单操作、界面切换、参数设置功能;④数据处理程序。完成数据滤波、数据分析、测量值的温度补偿计算、数据存储等操作;⑤输出与报警程序。完成故障信号处理、报警信号输出、模拟量输出信号的处理;⑥显示处理程序。实现仪表系统的DO (溶解氧) 与温度检测值、时间信息、状态信息、操作界面信息的LCD显示。

4.1 程序流程图

主程序及键盘监控子程序框图如图6、图7所示。

4.2 部分源程序的设计

下面以液晶显示器的显示控制程序为例, 说明其源程序的设计。

液晶显示器的控制操作包含初始化函数、写命令函数、写数据函数、读数据函数, 源程序如下:

//LCD初始化命令函数

void send_com_init (unsigned char command_init )

{

RS=0;

RW=0;

PORTD=command_init;

E=1;

NOP () ;

NOP () ;

E=0;

}

//写命令函数

void send_com (unsigned char command)

{

check_state () ;

RS=0;

RW=0;

PORTD=command;

E=1;

NOP () ;

NOP () ;

E=0;

}

//写数据函数

void send_data (unsigned char data)

{

check_state () ;

RS=1;

RW=0;

PORTD=data;

E=1;

NOP () ;

NOP () ;

E=0;

}

//读数据函数

unsigned char read_data (void)

{

unsigned char read_data;

check_state () ;

RS=1;

RW=1;

E=1;

NOP () ;

read_data=PORTD;

E=0;

return (read_data) ;

}

5 结束语

基于荧光法检测原理设计的溶解氧在线测量仪表, 可显著提高溶解氧测量的响应速度、精度及可靠性。依据本研究所述方法设计的基于荧光法的光纤溶解氧在线分析仪, 可以用于对溶解氧信号进行连续检测, 并可在LCD显示器上显示测量值, 具有良好的稳定性、抗干扰能力, 且运行稳定可靠。实验证明, 该设计方案是可行的, 且具有较高的实际应用价值。

参考文献

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[2]CHAN M A, LAWLESS J L, LAM S K, et al.Fiber opticoxygen sensor based on phosphorescence quenching oferythrosine B trapped in Silica-gel glasses[J].Anal ChimActa, 2000, 408 (1-2) :33-37.

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[4]洪江星, 李伟.光纤氧传感器技术进展[J].分析科学学报, 2001, 17 (6) :510-514

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[6]赵伟国, 王文海, 冯华.基于嵌入式系统的无纸记录仪[J].机电工程, 2004, 21 (3) :47-50.

在线测量 篇10

在多传感信息检测系统中,往往存在噪声干扰、信息耦合和滞后等情况,要解决这些问题,就必须正确描述传感器观测到的数据信息,并确定校正补偿环节,实现对传感信息的软建模。目前软建模的方法有:基于人工智能的方法、基于概率分布函数的方法、回归分析和曲线拟合的方法以及基于多尺度的建模方法[1],而复杂工业环境的传感信息往往难于用单模型进行分析,因此多维多模型的建模方法,越来越受到学者的重视。目前在线软测量方法的研究主要集中在:1)传感信息预处理和处理;2)综合性能的提高。

另一方面,随着计算机、网络通信、测量控制等信息技术的不断发展,测控系统的应用领域越来越广泛,面对的对象也日益复杂,测控系统正逐渐向着网络化、集成化、智能化、开放性的方向发展。研发基于软测量的多传感信息智能在线检测装置,目的在于研究多传感信息的软建模技术,开发具有精度高,实时性和通用性好的检测装置,实现工业环境下多传感信息的实时网络化监控;本文将主要介绍在线检测装置的软硬件设计和相应的传感信息预处理及处理软件模块。

1 在线检测装置的硬件设计

为了满足检测装置有足够的数字处理能力、便于实现网络化的测控、适用于工业控制的目的,本系统以DSP和ARM芯片为核心[2],其硬件结构如图1所示。该装置由传感信息检测调理模块、DSP数据采集与处理模块、人机交互模块、ARM9处理模块、以太网通讯模块、混合信号I/O控制模块、移动硬盘接口模块和电源模块等8个模块组成。

传感信号Si(i=1,2,...,n)在检测调理电路中采用数字化、频率化的方法,转化为频率信号后,输至DSP板,DSP模块采用测频测周方法[3]进行信号检测,该方法较巧妙地实现了装置对不同类型传感器使用的通用性,并且保证了较高精度的测量结果。DSP采集信息后结合键盘输入参数用在线处理软件进行信息去异值处理、信息解耦计算和预测补偿,然后将处理结果继续传给ARM板进行存储、显示和通信。为了满足通用性的要求,DSP模块采用了美国德州仪器(TI)的TMS320LF2812作为主控芯片,该芯片提供多种信号类型的采集通道以及调理电路,满足大多数工业环境下测控的要求。

ARM模块由S3C4510B型微处理器组成,它有丰富的外围电路,通过ARM上的处理软件可方便实现检测结果的存储、显示、现场USB&CF通信和网络通信功能。S3C4510B型芯片融合了嵌入式微型因特网互联技术(EMIT)和嵌入系统(ECS)技术,它与Intel公司的集成网络通信芯片LXT971,构成了符合IEEE802.3标准的10/100Mb的双绞线通信应用。网络信号的发送和接收端由网络隔离变压器H1102和RJ45接口组成,通过此接口可实现在复杂工业环境下传感信息的网络化监控。

2 软件总体结构设计

检测装置的软件由预处理软件模块、在线处理软件模块和外围软件模块3大部分构成,如图2所示。预处理软件模块在装置使用前,用于完成装置的实验标定、信息预处理和尺度计算,达到系统降维和获得自变量尺度的目的,它是进行多尺度插值解耦计算的基础。在线处理软件模块在DSP模块上,主要实现判别按键及参数设置、数据采集及预处理、传感信息分析和计算以及通信控制等操作,在这个环节实现传感信息解耦计算和预测补偿;外围软件模块主要实现外部存储、显示、USB和远程网络通信等其功能,它由ARM模块嵌入实时操作系统uClinux来实现。

装置通过传感信息预处理软件模块、信息解耦软件模块和动态预测补偿软件模块实现传感信息软测量,达到降低装置复杂性和制作成本、实现信息解耦及滞后补偿的目的,并在此基础上通过网络通信软件实现网络化监控。

2.1 基于PLSR的预处理软件模块

偏最小二乘回归法(PLSR)能在小样本容量情况下进行回归建模,它采用一种信息分解与提取的策略,在自变量X=[x1,x2,...,xp]T中逐次提取综合变量进行重新组合及提取,从而得到对因变量Y=[y1,y2,…,yq]T的解释能力最强、同时又最能概括自变量集合X中信息的综合变量,而对Y没有解释意义的信息则被自然地排除掉[4]。基于PLSR的软件模块进行信息预处理的步骤为:

1)采用均匀实验方法对装置进行在线实验标定;

2)根据工业环境下多传感信息系统中非线性信息耦合等特点,采用基于INLR(Implicit Nonlinear PLS Regression)-PPLS(Polynomial PLS)非线性偏最小二乘回归建模方法[5]对实验数据进行处理。基于INLR-PPLS的方法首先用线性PLSR对传感检测标定信息进行预处理,实现降维的效果,之后用非线性PLSR,对Y与X进行非线性拟合,预处理和建模过程如图3所示。通过基于INLR-PPLS建模方法得到的回归模型为:

其中xi*(i=1,2,...,n)为主元成分,为因变量,βji(i=1,2,...,3n)为回归方程系数,Fnj为残差矩阵。

基于INLR-PPLS方法可以实现多传感信息预处理、完成传感系统的降维处理和传感系统中多信息耦合传感器的特性标定;

3)根据标定数据,采用文献[6]的方法计算主元成分xi*的分辩级mi。

2.2 基于多尺度逼近的信息解耦软件模块

从(1)式可知传感检测信息与xi*存在非线性耦合,因此如何根据多传感检测信息快速准确地进行逆向求解xi*,是检测装置进行实时监测的关键。信息解耦软件模块采用基于多尺度的插值解耦方法[5],其传感信息解耦的一般原理为:根据各自变量xi*的尺度mi大小,选择不同插值方法对非测量目标xi*(j≠i)逐步进行如(2)式的插值计算,缩小关系函数的自由度,并转换为的形式,从而得到与xj*一一对应的特征函数。其解耦实现公式如下:

其中,δ为拟定的尺度阈值αi(x*),βi(x*)为Hermite插值基函数,lk(xj*)为分段线性插值基函数,xjk*为相应自变量的标定点。

从解耦的公式可以看出,由预处理软件获得基本标定曲线后,通过插值可以获得特定环境条件下传感特性曲线则由检测值即可完成xj*的逆向求解。

2.3 基于MARP的预测补偿软件模块

对传感信息检测中响应滞后问题的处理,是传感检测快速响应的关键,其常用的方法有零极点相消法和配置法,但该两类方法均依赖于传感器数学模型的建立,它们在确定数学模型时,为避免建模所带来的复杂性,会作一些简化和假设,从而会新带来一些动态测试误差;而根据传感器的实测信息,利用预测模型对传感信息实现动态补偿的方法,已取得了较理想的结果[7],该方法无需依赖传感器数学模型,不会带来新的动态误差。为此本装置采用多尺度回归预测(Multiscale Analysical Regressive Prediction,MARP)模型进行传感信息动态补偿。该方法利用小波多尺度分析,可以将非平稳时间序列分解为多个平稳的细节信息和比原序列平稳的近似信号,从而保证了时间序列的平稳性,同时小波多尺度方法还具有很好的时频局部特性和去相关性。因此,将具有多尺度分析能力的小波变换与模型预测方法相结合,可以使预测更准确,并具有良好的鲁棒性。基于MARP的软件模块基本工作流程为:

1)用浮动窗口方法对N个传感检测信息C(0)(n)进行J尺度的在线多尺度分解计算[8];

其中分别为常规尺度函数的相邻两项间加入(2j-1-1)个零构成的滤波器。传感信息的最佳分解尺度J可以根据计算得到的各传感信息源xi*的分辩级m来确定。

那么,根据分解后的信息和实验标定的传感信息滞后步数τ,可获得xN+τ的动态预测估计值:

其中细节信息预测用AR(Auto-Regressive,自回归)模型进行,平滑层信息则用多项式预测,且参与预测的数据采用间隔选取方法,间隔大小与传感信息滞后步数τ一致;

2)采用文献[9]中的RIV-Kalman递推算法对(4)式中AR模型参数θ=[aj1,...,aj2,ajAj]T进行计算:

式中Κj(k)为Kalman增益矩阵;yj(k)为最新分解的细节信息,hj(k)=-[dj,N-1,dj,N-τ-1,...,dj,N-(Aj-1)τ]T;并用AR模型参数θj(k)计算得到dj,N+τ;

3)计算(4)式中预测多项式参数:A=[aJ+1,0,...,aJ+1,K]T=(XTX)-1XTY=W-1XTY,其中Y为间隔τ选取的平滑信息由此可知W-1XT只与nk有关,一旦确定nk,就可以预先计算出W-1XT,从而可快速计算出预测多项式参数,并以此计算CJ,N+τ;

4)根据计算得到的dj,N+τ和CJ,N+τ用(4)式进行重构,得到预测估计值XN+τ,完成传感信息的预测补偿。

2.4 网络通信软件模块

网络通信软件通过嵌入在ARM微处理器中的u Clinux系统的TCP/IP协议模块来实现,只需对TCP/IP协议栈进行适当的配置和修改,就可以进行移植。在具体设计实现TCP/IP协议栈之前,还要解决对LXT971的驱动问题。在uClinux中,相关的网络设备驱动文件为u Clinuxlinux-2.4.xdriversnetfec.c。

根据ARM芯片S3C4510B的编址规则,在驱动文件整体框架不变的情况下,对fec.c中网卡基地址和中断号进行如下有针对性的改动,就可实现LXT971在S3C4510B组成的uClinux平台上的驱动移植:

dev->base_addr=base_addr=ARM_LXT971_BASE;//定义网卡基地址

dev->irq=ARM_LXT971_IRQ;//定义中断号

3 检测试验

将基于传感软测量的在线检测装置SCUT-1应用在液态乙醇浓度测控中,它利用气液转换的原理,通过气态乙醇浓度的检测来实现液态乙醇浓度的软测量。其检测应用的环境较为复杂,各传感量之间存在信息耦合且存在较大的检测滞后现象,是一个典型的多传感信息工业实用例。

工业上的液态乙醇是一个多组分溶液,通常还含有杂醇油、酯、酸、醛类等物质,不过其含量相对较少,最大含有量通常不超过酒精产量的0.7%,同时,温湿度对乙醇传感器都有比较大的影响。通过实验标定,由本文设计的基于PLSR软件分析确定其主元成分为温度、湿度和气态乙醇浓度,并确定它们的分辩级分别为2-3、2-4、2-5。因此,只需将温度、湿度、乙醇的标定数据以及其尺度信息、传感器相关参数等存入装置的ROM中,装置就可以实现传感信息解耦计算和预测补偿,完成乙醇浓度在线测量。

本在线检测装置用热敏电阻、湿度传感器WYG1、乙醇气敏传感器TGS2620分别测量温度、湿度和乙醇浓度,并在酒厂的发酵车间进行了现场测试。现场仪器的安装如图4所示,将包含温度,湿度和乙醇浓度传感器组从发酵罐的上盖的观测孔放入,然后将其接入液态乙醇浓度检测仪,检测仪通过交换机连接,这样就可以实现在对多个发酵罐内液态乙醇浓度的在线分布式网络化检测。实验表明,本检测系统对气体乙醇浓度的检测误差为0.59%,补偿后气体乙醇传感器的响应时间小于0.9s,温度误差为±0.1℃,湿度误差为±0.5%RH;由于受到气液平衡机理建模误差和气液平衡滞后的影响,对气体乙醇浓度进行气液平衡计算后,得到液态乙醇浓度的最大检测误差约为1.5%,检测响应时间为小于13s,这在发酵液的乙醇浓度检测领域,具有高的精度和响应速度[10],从而实现了液态乙醇浓度的快速准确检测。

4 结束语

1)在线检测装置采用基于PLSR的传感信息预处理软件模块实现了多传感信息降维处理、多信息耦合传感器的标定和传感信息尺度计算,它降低了传感检测系统复杂性和制作成本;

2)检测装置在检测时,采用基于多尺度的信息解耦软件模块进行逐步解耦计算,消除了非测量目标的影响,实现了传感信息的准确计算;用基于MARP的信息预测补偿软件模块处理传感信息滞后问题;以上基于软建模技术设计的传感信息处理软件,具有计算精度高,运行速度快,通用性好的特点;

3)在线装置采用具有快速数据处理能力和丰富接口的DSP芯片,使其具有良好的通用性和扩展性;并且通过ARM芯片内嵌的EMIT实现了工业环境下传感信息的网络化监控。该装置和相应的传感信息软建模技术,可以应用在化工溶剂、农业生产、医药和制造过程等类似场合。

摘要：针对工业环境下多维信息的测量需求,介绍一种在线检测装置的硬件及软件系统设计结构,以DSP和ARM为核心芯片的设计实现通用性、网络化和快速处理的要求,采用基于PLSR的数据预处理、基于多尺度逼近的信息解耦和基于MARP的预测补偿软件技术,较好地实现多传感信息的软建模。在乙醇在线测控装置中的应用表明,气体乙醇浓度检测误差为0.59%,气体乙醇传感器响应时间<0.9s,可以满足工业环境下多传感信息的实时网络化检测要求。

关键词：多传感信息,软建模,预处理,解耦,预测补偿

参考文献

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[5]洪晓斌,刘桂雄,叶廷东,黄国健,陈铁群.基于INLR-PPLS的非线性多传感信息建模新方法[J].华南理工大学学报,2009.

[6]刘桂雄,李夏妮,周德光.基于多尺度数值计算的传感信息解耦新方法[J].光学精密工程,2005,13:164-167.

[7]万聪梅,肖文,樊尚春.基于预测模型的温度传感器动态补偿新方法[J].传感技术学报,2007,8:1762-1765.

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