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误差特性范文

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来源：文库

作者：开心麻花

2025-09-19

误差特性范文（精选7篇）

误差特性第1篇

1、数字式冲击检流计测量磁场基本原理

数字式冲击检流计无法测出冲击常数,为避开测定冲击常数这一项,对测量方法进行了改进。

如图1所示,数字式冲击检流计测环形样品的静态特性的方法如下:

试样A:环行样品,M:标准互感器,S1:双向开关

图1中,标准互感器的互感系数为0.1H,环行形样品N1的匝数为120匝,N2为40匝;S2闭合,开关S1接通环形样品时,若N1通过的电流强度为I,则在线圈N2产生感应电动势,此信号送入数字式冲击检流计进行数据处理,并且将检流计所迁移的电量送入显示电路显示,就可求出磁感应强度B的大小。

理论推导如下:

N2为幅边匝数,S为样品有效截面积,R电阻包括冲击检流计的内阻、环行样品的电阻及标准互感器次级线圈的电阻等[3],R的测量可通过万用表测得或利用公式求得。

若断开环行样品,S1接标准互感器,使互感器的初级线圈通过电流I,则产生的感应电动势为

R在测量过程中保持不变,M为标准互感器的互感常数,I0为标准互感器工作电流。所以将式(8)代入式(4)得磁感应强度B为:

式(9)为改进后的式子,可以看出数字式冲击检流计测量中,不需测量冲击常数。

虽然在测试过程中,数字式测试精度比模拟式测试精度高,但误差仍然存在。

2、产生误差的原因

2.1 脉冲宽度的非瞬态产生误差

冲击法测磁时,要求磁通的变化足够快,以在测量线圈中产生窄的感应电动势,使检流计准确地测量出磁通的变化,但由于磁化装置自感量较大以及用开关换向法测材料的磁特性过程中,由于涡流的产生,使磁场变化缓慢,从而使通过冲击检流计的电流时间延长,使得所产生的感应电动势有一较宽的脉冲宽度,从而使测试灵敏度下降。

2.2 样品的磁化分布不均匀引起的误差

环形样品被磁化后,一般认为漏磁通很小,可忽略不计。并且在磁化时内部没有退磁场存在,因而所测得的磁性就是物质的磁性。但环行样品内径和外径的半径不同,其磁场强度不同[2],将引起样品径向不均匀磁化当样品的外经和内径之比一定是,还与样品材料的磁导率有关。磁导率越高,磁化越不均匀,所以,一般取样品的平均直径与径向宽度之比不小于8,此时磁化场分布不均匀引起的误差不大于0.5%。

2.3 样品的退磁不完全引起的误差

因为磁感应强度和磁场强度一般呈现的是非线性函数,B不仅与H有关,还与样品的磁经历有关,在测量初始,为获得B、H为0的状态,须对样品进行退磁,以消除剩磁的存在,退磁方法有热退磁、交流退磁和直流换向退磁[1],一般多采用交流退磁,即在样品加低频交变磁场,一般频率为50Hz的交流信号,使其振幅有大逐渐减小至零。并且样品退磁后需经过一段时间才能开始测量,因为去掉磁场后,要经过一段时间后才能达到稳定状态,但在实际测量中,往往做不到这一点。

3、结论

在测量过程中,误差是不可避免的,为减小误差,对环行样品在绕制线圈时尽量均匀绕满,避免初级、次级线圈之间发生漏电现象,在测量之前对样品进行完全退磁,并保证在每次测量之前对样品进行此锻炼,减小由多次磁化和退磁效果不好引入的误差。

参考文献

[1]周世昌.磁性测量[M].北京:电子工业出版社.1994

[2]王易真.实用磁路设计[M].北京:国防工业出版社.2008.9

舵系统相频特性与误差分析第2篇

1 舵回路分析

某型无人直升机舵系统信号流程图如图1所示。

舵机控制器采用数字控制方式, 控制器一方面接收飞控计算机的指令, 另一方面通过对舵机丝杆位置信号的采集, 通过PID运算, 发出舵电机控制指令, 通过信号放大电路驱动电机, 舵电机通过齿轮减速箱带动丝杆来控制无人机浆叶以完成对无人直升机的姿态控制[2,3]。系统指标要求, 空载10%F.S、6 Hz正弦信号输入时, 幅值衰减不超过10%, 相位滞后不起过35 ms。

与幅频特性不同, 舵回路中任何一个环节都影响到系统的相频特性, 从图1中可以看出, 影响相频特性的因素主要有反馈信号采集与滤波, 误差检测与控制、减速机构的机械特性以及位置检测装置的灵敏度等。

2 相位误差产生的原因

若伺服控制系统各传递环节均可简化为系数恒定的比例环节, 在这种理想情况下, 频率特性的计算值与实际值是一致的[4]。但是由于系统的输入输出通道各环节的噪声干扰、滤波衰减、机械常数等非线性因素的影响, 存在一定的时滞环节, 使频率特性传递值产生了一定的差别, 测试信号在传递过程中的幅值衰减和相位滞后现象造成了频率特性测试的系统误差, 从而影响了整个控制系统的频率响应。

频率特性测试信号传递示意图如图2所示。

对输入的测试信号X0 (ω) 、输出信号Y0 (ω) 进行相关滤波分析, 得到被测舵机频率特性的计算值H0 (ω) :

本系统信号调理环节信号传递函数:

误差检测环节信号传递函数:

被测舵机:

反馈滤波电路:

式中, A1、A2、A3、A4为系统中各部分的比例环节;t1为系统采样时间常数;TPID为PID控制周期;t2为被测舵回路机械常数;t3为反馈滤波时间常数。相关值由电路及软件相关参数确定。

3 系统误差分析

3.1 舵电机

舵系统接收到飞控计算机的指令后, 从静止状态下的初始位置运动到目标位置停止, 从时域上分析, 舵电机的运行可分3个阶段, 时间/速度曲线如图3所示。

其中, 第一阶段0~t1为加速区域, 速度从0加速到最大;第二阶段t1~t2为匀速运行区域, 速度最大;第三阶段t2~t3为减速区域, 速度从最大按照一定规则减速至0。

为使系统达到快速响应的目的, 在传动比一定的情况下, 提高舵机过载能力可明显减小t3的值, 但由此带来系统功耗增加以及电气回路干扰增大;同样, 在舵电机参数选定的情况下, 在对舵电机进行控制时, 可使第一、第三阶段尽可能小, 第二阶段尽可能长, 也能改善系统的相频特性, 此部分可由软件部分算法进行实现。

3.2 信号采集与调理

对位置反馈信号进行周期性采样处理, 结果用于位置环的伺服控制。反馈信号采样周期t1包括采样间隔Δt11、转换时间以及数据读取时间Δt12, 通常t1≈Δt11>>Δt12。

舵系统为达到系统控制精度 (±0.5%F.S) 要求, 对反馈信号采取了硬件滤波和软件滤波方式, 采用RC滤波方式减小电路中高频信号对舵系统带来的干扰, 并用软件方式对反馈信号进行平滑滤波, 使系统运行更平稳, 减小不必要的抖动。

软、硬件滤波时延t3, 硬件滤波时间常数Δt31=RC与滤波电路的截止频率、器件选型有关;软件滤波采样矩形窗进行平滑滤波, 滤波常数Δt32与软件算法有关。

理论上, 反馈信号应时实反映舵机的当前位置状态, 由于上述原因, 信号采集与调理存在时间差t1、t3, 造成了输入与反馈信号上的相位误差, 通过软、硬件对电路进行优化, 或对反馈信号做屏蔽、防干扰处理, 也能改善系统的相频特性。

3.3 位置误差控制

位置误差控制环节是对整个舵回路进行PID调节环节, 调节环节周期过快, 影响舵电机运行的平稳性及连续性, 调节周期过慢, 影响位置检测精度, 系统容易产生超调。

根据舵电机运行时间/速度曲线, 对控制舵系统参数影响最大的第三阶段进行插值化处理, 伺服控制采用积分分离式PI算法[5], 在0~t2段使用增加大比例系数的方式, 加快调节速度;在t2~t3阶段引入积分控制, 提高控制精度, 同时减小比例调节的比重, 以控制系统的超调, 从算法上优化PI调节的时间。

设定位置检测误差e (k) , 积分控制门限ε, 精度控制门限ε0, 系统伺服控制表达式:

其中:

(1) 位置误差|e (k) |≥ε时, 使用大比例控制系数KP;

(2) ε0|e (k) |<ε时, 减小比例系数, 同时引入积分控制项Ki;

(3) |e (k) |<ε0调节结束。

对于控制参数ε、ε0的选定, 可由插值算法的控制周期、位置精度要求等进行优化调整。

3.4 机械传动的影响

机械传动部分也是影响舵系统相频特性的重要环节, 包括机电时间常数、摩擦力、转动惯量等。其中, 机械部分的机电时间常数与转动惯量对相位影响最大, 从舵电机运行的时间/速度曲线上看, 增大了0~t1的运行时间, 整体上延长了舵电机的运行时间, 增加了系统在相位上的延时, 此部分为传动系统的固有特性, 无法从根本上消除。

4 系统仿真及实验对比

某无人直升机舵系统控制回路主要参数如表1所示。

通过上述分析, 根据舵系统模型通过Matlab对系统进行6 Hz正弦信号输入波形仿真, 如图4所示。波形1为输入信号, 波形2为输出信号, 波形3为去除机械常数时的波形图。从图4中可以看出, 时滞环节引入和去除, 对幅频特性影响几乎没有影响, 相位跟随性提升了近20%。

空载情况下, 对舵系统某通道回路分别注入幅值为10%F.S的阶跃信号和6 Hz正弦信号, 输入/输出信号波形如图5、图6所示。

从图形上可以看出, 系统回路对阶跃信号的响应时间约为75 ms, 超调约10%;舵系统能够对正弦输入信号进行跟踪, 幅值几乎没有衰减, 相位滞后约为30 ms。

5 结论

相频特性是伺服控制系统是重要技术参数, 也是难以实现的部分, 反映了系统从器件选型、加工、组装、软件控制优化等各各环节。通过以上对舵回路各环节分析可以看出, 相频特性反映了舵回路输入输出各环节中的误差特性, 有些可以优化, 有些不可避免。减少系统回路中的时滞环节可有效的改善系统的跟随特性, 同时, 去除系统的迟滞环节, 系统抗干扰能力减弱, 不利于系统的鲁棒性。

摘要：在伺服控制系统中, 幅频特性通常容易实现, 相频特性经常难以达到要求。相频特性反映了伺服系统对输入信号的跟随性, 其特性往往决定着系统的整体性能。对某型无人直升机数字舵回路中影响相频特性的关键环节进行分析, 并就如何提升舵系统的相频特性提供了方法。

关键词：舵系统,相频特性,时延

参考文献

[1]汪首坤, 王军政.舵机频率特性的测试与误差分析与修正[J].北京理工大学学报, 2007 (1) :35-36.

[2]王慧娟, 王道波.一种无人机用小型双余度电动伺服舵机的设计[J].微电机, 2010 (3) :24-25.

[3]高同跃, 龚振邦, 罗均, 等.一种超小型无人机舵机控制系统的设计[J].计算机测量与控制, 2007 (8) :1006-1007.

[4]张海涛, 林辉.高精度机电伺服控制系统[J].微特电机, 2007 (2) :35-37.

误差特性第3篇

设在地面用中波和长波红外探测器同时对空中温度为T和发射率为ε的目标进行测量[1],则探测器与之相应的像元接收到的辐射照度分别为

Em(T,ε)=β $_{1}^{m}$ β $_{2}^{m}$ ∫ $_{λ_{1}^{m}}^{λ_{2}^{m}}$ Rm(λ)[εαm(λ)Lb(λ,T)+L $_{p}^{m}$ (λ)+L $_{r}^{m}$ (λ)]dλ

El(T,ε)=β $_{1}^{l}$ β $_{2}^{l}$ ∫ $_{λ_{1}^{l}}^{λ_{2}^{l}}$ Rl(λ)[εαl(λ)Lb(λ,T)+L $_{p}^{l}$ (λ)+L $_{r}^{l}$ (λ)]dλ (1)

式中,β $_{1}^{m}$ 、β $_{2}^{m}$ 分别为中波红外探测器单个像元在2个垂直方向的视场角;β $_{1}^{l}$ 、β $_{2}^{l}$ 分别为长波红外探测器单个像元在2个垂直方向的视场角;λ $_{1}^{m}$ 、λ $_{2}^{m}$ 分别为中波红外探测器测量波段的下、上限;λ $_{1}^{l}$ 、λ $_{2}^{l}$ 分别为长波红外探测器测量波段的下、上限;Rm(λ)、Rl(λ)分别为中波和长波红外探测器的相对光谱响应率;αm(λ)、αl(λ)分别为空中目标至探测器的路径上的中波和长波红外大气光谱透过率;L $_{p}^{m}$ (λ)、Llp(λ)分别为空中目标至探测器的路径上的中波和长波红外背景光谱辐射亮度;L $_{r}^{m}$ (λ)、L $_{r}^{l}$ (λ)分别为空中目标反射至探测器的来自背景的中波和长波红外光谱辐射亮度;Lb(λ,T)为黑体的光谱辐射亮度,其中c1、c2为第一、第二辐射常数.

$L_{b} (λ ‚ Τ) = \frac{c_{1}}{π λ^{5}} \frac{1}{e^{c_{2} / λ Τ} - 1} (2)$

利用近似公式[2]

$\partial L_{b} (λ ‚ Τ) / \partial Τ ≅ \frac{c_{2}}{λ Τ^{2}} L_{b} (λ ‚ Τ) (3)$

可以得到

$\begin{array}{l} \partial E_{m} (Τ, ε) / \partial Τ = \frac{c_{2} ε β_{1}^{m} β_{2}^{m}}{Τ^{2}} \int_{λ_{1}^{m}}^{λ_{2}^{m}} \\ \frac{α_{m} (λ) R_{m} (λ) L_{b} (λ, Τ)}{λ} d λ \end{array}$

$\begin{array}{l} \partial E_{m} (Τ, ε) / \partial ε = β_{1}^{m} β_{2}^{m} \int_{λ_{1}^{m}}^{λ_{2}^{m}} α_{m} (λ) R_{m} (λ) \cdot \\ L_{b} (λ, Τ) d λ \\ \partial E_{l} (Τ, ε) / \partial Τ = \frac{c_{2} ε β_{1}^{l} β_{2}^{l}}{Τ^{2}} \int_{λ_{1}^{l}}^{λ_{2}^{l}} (4) \\ \frac{α_{l} (λ) R_{l} (λ) L_{b} (λ, Τ)}{λ} d λ \\ \partial E_{l} (Τ, ε) / \partial ε = β_{1}^{l} β_{2}^{l} \int_{λ_{1}^{l}}^{λ_{2}^{l}} α_{l} (λ) R_{l} (λ) L_{b} (λ, Τ) d λ \end{array}$

设中波、长波红外探测器与目标对应的单个像元测得的辐射照度分别为 $\bar{E}$ m和 $\bar{E}$ l,则空中目标温度和发射率的反演转化[4]为求解下面有约束的方程组

$\begin{array}{l} r_{m} (Τ ‚ ε) \equiv E_{m} (Τ, ε) - \bar{E}_{m} = 0 \\ r_{l} (Τ ‚ ε) \equiv E_{l} (Τ, ε) - \bar{E}_{l} = 0 (5) \\ Τ > 0, 0 ε 1 \end{array}$

或与之等价的

$\begin{array}{l} \bar{r}_{m} (Τ ‚ ε) \equiv E_{m} (Τ, ε) / \bar{E}_{m} - 1 = 0 \\ \bar{r}_{l} (Τ ‚ ε) \equiv E_{l} (Τ, ε) / \bar{E}_{l} - 1 = 0 (6) \\ Τ > 0, 0 ε 1 \end{array}$

其中,Em(T,ε)和El(T,ε)见式(1).将式(5)转化为式(6)是为得到T和ε的无量纲函数 $\bar{r}$ m(T,ε)和 $\bar{r}$ l(T,ε),这有利于数学处理.构造向量函数

$r (Τ, ε) = (\bar{r}_{m} (Τ, ε) \bar{r}_{l} (Τ, ε))^{'} (7)$

则解方程组(6)可转化为求解如下带约束的最优化问题

$\begin{array}{l} m i n f (Τ, ε) = r^{'} (Τ ‚ ε) r (Τ, ε) / 2 \\ Τ > 0, 0 ε 1 \end{array} (8)$

式(8)可用MATLAB最优化工具箱中的函数lsqnonlin求解.虽然本问题的变量个数是2,但由于有约束条件,应选择大规模算法[3].至于停止迭代的条件,由于这里处理的是无量纲函数r(T,ε)和f(T,ε),可采用函数lsqnonlin默认的条件.另外,为使求解更节省时间,应提供向量函数r(T,ε)的雅可比矩阵.当变量个数较多时,提供雅可比矩阵尤为重要.由式(4)、式(6)和式(7),容易得到函数r(T,ε)的雅可比矩阵为

$J_{r} (Τ, ε) = (\begin{array}{l} \frac{\partial E_{m} (Τ ‚ ε) / \partial Τ}{\bar{E}_{m}} \frac{\partial E_{m} (Τ ‚ ε) / \partial ε}{\bar{E}_{m}} \\ \frac{\partial E_{l} (Τ ‚ ε) / \partial Τ}{\bar{E}_{l}} \frac{\partial E_{l} (Τ ‚ ε) / \partial ε}{\bar{E}_{l}} \end{array}) (9)$

2 数值模拟

借助数值模拟的方法检验该模型和方法的有效性.考虑在标准大气条件下,海拔0 km至空中3 km、天顶角为60 ℃的一条辐射传输路径.在该路径海拔0 km处布设中波、长波红外探测器各一台,在该路径海拔3 km处布设一个温度为T、发射率为ε的均匀靶板.为便于处理且不失实际意义,这里采用如图1所示的红外探测器相对响应曲线,并根据理想试验的条件用LOWTRAN计算上述辐射传输路径上背景光谱辐射和光谱透过率,但不考虑红外探测器的定标和噪声.即首先根据式(1)算得 $\bar{E}$ $_{s}^{m}$ 和 $\bar{E}$ $_{s}^{l}$ ,然后求解式(8)得到温度T和发射率ε.这种理想化的处理略去了各种人为控制的因素,能更有效和准确地检验文中的模型和方法.

表1给出了数值模拟的结果,其数据部分是函数lsqnonlin输出的结果,迭代的初值均为T=300 K、ε=1/2.显然,反演的精度是很高的,尤其是发射率.事实上,r(T,ε)是T的非线性函数、ε的线性函数,所以发射率反演的精度很高,而温度反演的精度稍次.但这样的温度反演精度对试验也已经足够了.

3 试验误差分析

在试验时以飞机为对象目标进行了中波、长波红外图像的拍摄,所用红外探测器的相对光谱响应曲线如图1.受试验条件限制,没能获得完全同时拍摄的中波和长波红外图像.具体误差分析如下.

3.1 像素选取不准确导致的误差

在长波和中波红外图像中分别选取恰当的像素,使其对应于飞机的相同部位(如发动机),利用红外探测器的定标曲线得到其接收到的中波和长波红外辐射照度,然后通过求解最优化问题式(8),得到飞机该部位的温度和发射率.从上述计算过程可知,在长波和中波红外图像中选取与飞机同一部位对应的像素是准确求解的关键.

试验时中波、长波红外探测器的定标曲线分别为

$\bar{E}_{s}^{m} = k_{m} Ρ_{m} + b_{m}, k_{m} = 7.761 7 10^{12} W / m^{2} ‚ b_{m} = 2.286 7 10^{- 8} W / m^{2}$ ;

$\bar{E}_{s}^{l} = k_{l} Ρ_{l} + b_{l}, k_{l} = 3.124 6 10^{- 10} W / m^{2} ‚ b_{l} = 2.760 7 10^{- 6} W / m^{2}$ ; (10)

式中,Pm、Pl分别为中波、长波红外探测器的量化输出值,即图像的像素值.

试验时,选取飞机表面一个T=550 K、ε=4/5的部位,且在中波、长波红外图像中至少可占据一个像素,这相当于飞机的发动机等高温部位.利用式(1)和式(10),得到Pm=60 856,Pl=12 924.先在中波红外图像上准确地确定该部位,而在长波红外图像上确定该部位时由于人为因素出现了偏差,表2给出了这种情况下反演的结果;相反,先在长波红外成像上准确地确定该部位,所得结果列于表3中.另外,选取飞机表面一个T=350 K、ε=1/5的部位,且在中波、长波红外图像中至少可占据一个像素.这相当于飞机的蒙皮等中、低温部位.利用式(1)和式(10),得到Pm=4 392,Pl=9 209.通过类似的办法得到的结果分别列在表4和表5中.

分析这4个表中的结果可以发现,在像素值有相同偏差的条件下,长波红外图像上像素选取的不准确性会导致更大的误差;对中、低温部位,这种趋势更明显.这启示着在红外特性测量中首先在长波红外图像上选定测试部位,然后在中波红外图像上尽量选取与之对应的像素.

3.2 探测器噪声导致的误差

这里试图反演拍摄图像中飞机中心轴线和沿两翼轴线上的温度和发射率.其中,飞机中心轴线主要经过机尾、机腹和机头部位的蒙皮,两翼轴线主要经过机翼的蒙皮和螺旋桨的发动机.探测器本身的噪声对图像的质量是有影响的,长波红外探测器噪声的影响尤为严重.

反演的结果与机翼蒙皮和螺旋桨发动机处的温度和发射率的理想值基本一致.其中,采用小波变换的方法对原始图像进行消噪处理后,使得温度和发射率分布更光滑,这与理想值更加接近.但在机翼两端、飞机头部等部分反演所得到的温度和发射率分布与实际情况有一定误差.事实证明,探测器噪声对反演结果的影响是很难消除的.当然,经过噪声处理后,这个因素对反演结果的影响会小很多.

3.3 其他误差

LOWTRAN的计算误差.处理试验数据时要通过LOWTRAN计算辐射传输路径上的背景辐射和光谱透过率.计算时选用的大气模式是中纬度冬季,这与试验时的大气条件不可能完全一致,计算得到的背景辐射和光谱透过率与真实值有一定差异.这方面的差异最终会影响反演结果的精度.要减小这方面的误差,需要对试验进行时试验区域的相关大气光学参数,特别是大气气溶胶参数进行实时测量,并据此计算辐射传输路径上的背景光谱辐射和大气光谱透过率.

探测器空间分辨率的影响.由于红外成像探测器的空间分辨率是有限的,所得图像的一个像素对应于目标表面有一定面积的部分.如果该部分红外特性是均匀的(即温度和发射率变化很小),那么反演结果将有很高的精度.如果该部分恰是飞机红外特性差异较大部位的连接处,与之对应的将是混合像素,反演的结果是某种平均意义下的温度和发射率,与真实值会有一定差异.要减小这方面的误差,尽量选用空间分辨率高的红外成像探测器.

另外,辐射定标的误差和2个波段红外图像拍摄时间的非绝对同时性也会影响反演结果的精度.

4 结论

由空中目标红外辐射特性模型出发,采用最优化理论中较有效的算法进行求解,重点通过数值模拟和外场试验数据的处理结果来证实该方法具有很高的精度,进而结合试验从多个方面对结果误差的来源进行分析,并提出合理可行的减少误差的方法.对空中目标红外辐射特性测量具有一定的参考价值.

摘要：为了证实一种空中目标红外辐射特性测量方法的有效性,首先利用中波和长波宽波段红外探测器的相关知识对空中目标红外辐射特性进行了建模,并用最优化理论中较成熟算法进行了求解.其次通过理想试验数值模拟结果与野外试验数据处理结果证实了该模型和方法具有很高的精度,最后结合野外试验现象以及数据处理结果,分析了空中目标辐射特性测量误差的来源以及减小其误差的方法.

关键词：空中目标,红外辐射特性,最优化,误差分析

参考文献

[1]童庆喜,张兵,郑兰芬.高光谱遥感原理、技术与应用[M].北京:高等教育出版社,2006:67-68.

[2]张幼文.红外光学工程[M].上海:上海科学技术出版社,1982:258-269.

[3]T F Coleman,Y Li.An interior trust region approach fornonlinear minimization subject to bounds[J].SIAM J Op-tim,1996,6(2):418-445.

[4]王彦飞.反演问题的计算方法及其应用[M].北京:高等教育出版社,2007:297-300.

误差特性第4篇

关键词：运动学,质量特性,测量误差

1 运动学分析

机械工装的主要结构为U形支架、自由旋转环以及测量底台。

结构中, U形支架由主支架、辅助支架组成, 辅助支架可以绕横轴旋转, 辅助支架配合自由旋转环相运作, 能够实现位姿的变换, 适应不同的测量位姿需求;自由旋转环由外环与内环组成, 内外环之间有轴承, 内环可以相对于外环进行旋转;该结构共有两个轴, 一个是横向轴L1, 一个是纵向轴L2, 利用D-H表示法建立该结构的连杆坐标系:

需要注意的是, 机械工装的装置、加工以及操控过程都存在误差, 这会直接影响工装的DH参数误差, 进而会影响物体的实际位姿。

2 几何参数对测量结果的影响

几何参数会直接影响测量结果的准确性, 为了提高测量的准确度, 有必要进行几何参数标定。在已知几何参数误差值的情况下, 根据运动学的相关原理, 可以将坐标系上的某点在任意位姿下的位置偏差表示为:

标定过程与这一运动学方程求解过程相当。式中, Ji为一种矩阵的变形形式, 可视为参数误差;ΔPi为标定点位置偏差其实际值可通过激光跟踪仪测量得到。

在已知运动学参数par的理论值的前提下, 名义值和两个轴的转角θ相关, 标定点的名义坐标值表示为:

掌握某点在n种位姿状态下的位置偏差, 并对该相关函数公式进行解答, 就可以得出基于运动学的参数测量误差Δpar, 同时还会在这一测量基础上得出实际的参数p r=par+Δpar, 最终实现标定目的。

3 最优标定姿态

(一) 寻优步骤

为了得到最优标定, 应该及时找出对应高敏感度的运动学参数标定点。PSO是一种智能的优化算方法, 主要特点为控制参数少、概念简单、易于实现。具体的寻优步骤如下:

步骤一, 进行粒子群初始化。步骤二, 运用相应函数公式对粒子的适应度值进行计算。步骤三, 记录当前的所有粒子个体最优位置及相应的适应度值和整个粒子群搜索得到的最优位置及适应度值。步骤四, 在迭代过程中, 对粒子进行速度更新和个体更新。步骤五, 计算更新后粒子的适应度值。步骤六, 更新粒子个体与群体的最优位置和适应度值。步骤七, 判断粒子与预设的最大迭代次数的差距, 如果已达到相应水平则终止迭代。

(二) 标定试验

分三组进行标定试验, 第一组尽量选取分布在运动空间的点, 尽量进行准确测量, 纵向旋转以90°为基准进行递增, 横向旋转以10°为基准进行递增, 最终为36个姿态;第二组随机选取运动空间中两个位姿进行标定;第三组, 采用高科技手段对两个最优位姿状态进行标定。随机选取坐标系中一点, 以10个姿态为依据, 分别对未补偿、补偿后的误差进行计算:

图4表明:标定后的设备测量精度明显提高;合理对标定点数量予以增加有助提高标定精度;进行两点最优位姿标定后, 设备的定位精度接近于36个位姿标定精度。

4 磁场误差分析

基于所测量物体的信息载体往往是磁性材料, 在设计、生产以及安装的过程中, 磁场作用下必然会使测量结果出现一定程度的误差, 同时, 磁强计进行测量环境往往较为恶劣, 一方面是存在导电线圈所产生的周四周磁场等干扰, 另一方面, 这些磁场干扰将会与地球磁场相互叠加, 最终也会存在整体磁场测量的偏差。因此, 进行磁场效力测量的时候, 磁强计所测磁场的测量结果是各种磁场干扰与地球磁场的结合, 这会导致磁场测量的误差, 也会进一步影响物体测量的精度, 有必要对其进行补偿。

磁强计是一种传感器, 主要用于测量物体周围环境的磁场状况, 测量数据包括磁场方向与磁场大小, 即物体所处坐标系中各个方向的分量信息。当前, 较为成熟的磁强计方式已经较为齐全, 包括磁力法磁强计、磁阻磁强计、磁共振磁强计、霍尔磁强计、感应线圈式磁强计以及磁通门磁强计等多种。在当前的技术水平下, 需要对磁场进行测量的范围较广, 磁强计的应用覆盖了工业、军事、生物、医学等很多领域。同时, 磁场测量也不断的适应着新环境下, 不同应用领域中物体特性的测量需求。

5 误差建模

磁标定补偿方法主要有两种方式:一是通过建立磁场误差模型的形式, 采用相应的数学计算攻势对模型参数进行求解, 实现补偿的目标;二是结合其他传感器进行测量, 将测量数据进行融合计算, 达到消除误差的目的。

误差建模的方法可以理论表述为:把物体的磁场输出看作一个空间圆球体, 圆心坐标为所检测物体, 也就是假设误差不存在的情况下, 物体的磁场输出事实上是一个圆球体。误差建模的目的在于对受磁场影响下的测量物体周围硬磁与软磁误差予以消除, 具体操作中需要对球体模型内的相关系数进行计算评估, 并将输出结果反映到球体的外表面上, 最终实现磁标定, 对物体的测量结果进行补偿。在实际的建模求解过程, 对于输出结果的反映并不是简单的敏锐度映射, 输出结果也不会完全表现在球体表面上, 真实的情况是, 其理想的输出结果会与实际输出结果存在坐标夹角, 因此, 泊松模型可以有效解决这一问题, 泊松模型在考虑到敏锐度变化状况的同时, 还会对空间位置上输出结果的映射夹角位置进行综合考量, 可以有效对磁场偏差进行建模分析。

6 误差校正

卡尔曼滤波能够通过获取设备输出的测量值或其他已知量, 来对设备的未知参数值进行估计, 卡尔曼滤波还能够通过引进误差控制方程, 对所估计的误差进行连续的校正。卡尔曼滤波算法的实施往往在设备的相关软件中进行, 具体模式是对软件中观测值与测量值之间相差的数值, 对误差值进行估计, 卡尔曼滤波的过程如下图所示:

7 误差补偿结果

对标准件物体的质量特性进行测量, 分别对补偿位姿误差和忽略位姿误差的情况进行对比分析, 见附表。

结果表明, 通过误差补偿可以提高物体质量特性测量的精度, 转动惯量最大误差项为Iy, 其误差从2.509 kg·m2降低至1.295 kg·m2;质心最大误差项为x, 其误差从5.193 mm降低至0.470 mm;惯性积最大误差为Ixy, 其误差从1.741kg·m2降低至0.390 kg·m2。

8 结语

通过标定后的几何参数对测量结果进行补偿, 其补偿结果显示, 补偿后的准确度大大提高。对物体的质量特性进行精密测量, 这一过程中会涉及很多的问题, 本文是对运动学模型进行系统的考量, 对测量误差进行补偿, 虽然一定程度上提高测量精度, 但是在实际的工作中, 如果想要使测量准确度进一步提高, 还应该对因为机械工装自重、外加负载而造成的连杆与关节变形所形成的柔度误差加以考虑, 这也是今后测量误差补偿方法研究的重点。

参考文献

[1]孙亮波.基于杆组法的机构型综合与运动学分析系统研究[D].武汉科技大学, 2012 (10) .

误差特性第5篇

目前国内对于绝对式感应同步器的研究主要集中于配合不同待测机构进行信号调理电路设计以及测角系统误差分析、校正等领域。本文主要研究基于追踪型轴角转换器设计的感应同步器测角系统非理想特性输入误差分析及补偿。

1 系统误差来源

绝对式感应同步器测角系统的误差来源大体为以下三个方面:原理性误差、工艺性误差和条件性误差[2]。原理性误差是由谐波磁场和谐波电势等感应同步器工作的电磁学原理造成的，原理性误差无法从根本上消除，但通过不断的完善，这类误差可以逐步减小。

工艺性误差是指感应同步器制造工艺不善导致的误差，正余弦绕组刻线不齐、双通道起始绕组未对准、定转子间气隙不均和绕组表面不平整等因素都会造成输出模拟角度信号失真、畸变等与理论分析不符的情况，随着精细化制造工艺水平的不断提高，产品的误差已经在不断减小，但在工程应用中这类误差已经成为制约感应同步测角精度的主要因素，通常通过电子学系统的设计修正来弥补。

条件性误差是由测试或感应同步器工作的外界条件不当引起的，感应同步器与机械结构的安装耦合，实验环境中的电磁、振动干扰，测试电路引入的噪声干扰等都可能造成条件性误差。这类误差可以通过改变和完善实验条件来削弱，但随着感应同步器与待测结构的机械固定以及电子学系统的固化成型，这类误差始终无法消除，需要采用其他方式修正。总之，无论哪种来源引入的误差，最终都会反映到系统测量精度上。

2 RDC19220工作原理及误差

随着对角度测量精度和实时跟踪速度要求的不断提高，追踪型轴角转换器(resolver-to-digital converter)在高速高精度测角系统中的应用越来越广泛。美国DDC公司生产的RDC19220系列，由于功耗低、尺寸小、精度高等优点被广泛应用于绝对式感应同步器测角系统的轴角数字转换电路设计中。

追踪型RDC19220是一个数字随动系统，为典型的Ⅱ型伺服系统。其内部原理框图如图1所示，RDC工作需要三个输入信号:正弦输入Vsin，余弦输入Vcos和参考信号输入Vref，正、余弦输入信号为感应同步器输出信号经信号调理电路输入至RDC，参考信号为激磁模块参考信号输出经信号调理电路输入至RDC。为了方便分析其理想轴角数字转换过程，这里设输入信号的幅值均为1，载波角频率为ω0，则理想输入信号的数学表达式为:

步骤(1):正、余弦输入信号及数字角度反馈信号φ首先在控制变压器中进行三角函数变换，得到交流误差;

步骤(2):在相敏解调部分，交流误差信号与参考信号进行乘法运算;

步骤(3):经过低通滤波滤除高频成分后得到直流误差;

步骤(4):最终在Ⅱ型伺服系统的驱动下直流误差信号趋近于零，此时RDC19220输出数字角度φ即等于输入角度θd，以上即为理想的RDC轴角数字转换过程。然而在工程应用中理想输入信号是不存在的，RDC输入信号的非理想特性是降低整个轴角数字转换测角系统精度的主要因素。由以上理想转换过程分析可以看出RDC对于理想输入信号的要求是三个输入信号(Vsin、Vcos、Vref)的幅值完全相等，载波相位完全匹配，正、余弦输入信号完全正交。本文以下分析RDC输入信号的非理想特性造成的载波相位失配误差、正交失配误差以及幅值失配误差对测角系统精度的影响。

3 非理想特性输入误差分析

3.1 载波相位失配误差

感应同步器输出的正、余弦信号其实是承载了待测角度信息的幅度调制载波信号，其载波信号来源为与参考信号频率相同，相移90°的激磁信号，由RDC理想转换过程中也可以看出，理想输入的正、余弦信号以及参考信号的载波相位应该是完全匹配的，这样才可以无误的解析出调制波承载的角度信息。[3]现假设RDC的两相非理想输入正、余弦信号之间存在一定的相位差，如图2所示，α表示两相输入信号的载波相差。则式(1)应改写为:

引入相差后交流误差改写为:

经过低通滤波滤除高频成分后得到直流误差:

现定义输出电气角度的误差为Δφ=φ-θd，最终在Ⅱ型伺服系统的驱动下直流误差信号趋近于零，得输出误差为:

由以上分析可见，载波失配引入的误差主要以二次正弦谐波的形式呈现，如果参考信号、正余弦输入信号彼此之间都存在载波相差则分析引入的误差是比较复杂的，这里暂且不进行此类分析。设sin2φ=1，可以得到最大误差则载波相差在0°～3°范围内的最大角度误差曲线如图3(a)所示。由图示可以看出当载波相差为1°时即会引入15.7″的电气角度误差，不过受RDC分辨率的制约在模拟角度量化后误差的影响并不是很明显。

对于电气角度等于机械角度的一对极内通道感应同步器，设定单通道RDC的分辨率为14 bit，即其电气角度分辨率为0.022°，当输入正余弦信号之间的载波相差小于3°时产生的误差较小，如图3(b)、(c)所示由于内通道RDC的分辨率较低，3°的载波相差会引起1LSB的数字角度误差。而对于机械角度周期为2°的180对极外通道感应同步器，设定单通道RDC的分辨率为16 bit，即其电气角度分辨率为0.005 49°，由于分辨率较高，RDC对精通道载波相差相对敏感，当载波相差小于1°时误差较小，随载波相差的增大，其对数字量化角度精度的影响很明显，当载波相差为3°时，最大角度误差可达Δφmax≈7LSB。

3.2 幅值失配误差及正交失配误差

理想输入正、余弦信号的幅值及相位正交匹配指的是承载角度信息的幅度调制波包络幅值相等，相位正交。但通过测量仪器无法直观地观察到实际的包络，在检测时一般通过观察电气角度达到最大时两相载波幅值是否相等来判断幅值是否匹配。现假设RDC的两相非理想输入正、余弦信号存在一定的幅值差，如图4所示，ε表示两相输入信号的幅值差。则式(1)应改写为:

引入幅值误差后交流误差改写为:

经过低通滤波滤除高频成分后得到直流误差:

最终得输出误差为:

幅度失配引入的误差主要呈现二次正弦谐波的形式，如图5(a)所示，正余弦输入信号之间存在0.1%～1%的幅值误差时Δφmax≈0.029°～0.29°。对比数字量化后的角度误差，由图5(b)、(c)所示，幅值失配对于数字角度的精度影响较大，对于内通道RDC,0.08%的幅值误差即可引入1LSB的数字量化误差，对于外通道RDC,0.02%的幅值误差即可引入1LSB的数字量化误差。

同理，假设RDC的两相非理想输入正、余弦信号存在正交误差β。则式(1)改写为:

经轴角数字转换后得输出误差输入正余弦信号正交失配引入的误差和幅值误差相似，为二次余弦谐波同时存在直流偏置。

综上分析，RDC的非理想输入信号引入的误差均主要以待测角度的二次谐波形式存在，其中正交失配及幅值失配误差对于数字量化角度精度影响较为明显，另外非理想输入信号在电气周期的不同位置引入的误差并不完全相同。图6、图7所示为单通道RDC非理想输入误差在未经过精确校正的情况下对RDC输出数字量化角度精度的影响。从图中看出内通道量化值跳变幅度不大，数字量变化相对连续均匀，但跳变点明显。外通道量化值在电气周期中关键点的跳变幅度较大，从图中已经无法看出角度的变化趋势。对于双通道绝对感应同步器最终的绝对角度值需要进行双通道数据融合得出[4]，融合前出现大幅度的量化误差无疑增大了融合计算的难度，同时降低了融合结果的准确度。

4 电路修正设计

由以上分析可知，为了满足RDC19220对输入模拟信号的要求，需要通过信号调理电路对输入的非理想信号进行修正。信号调理主要包括两个方面:首先是要对输入的参考信号进行信号调理，以保证输入的参考信号与载波信号是同频同相的。方法主要是通过低通滤波，滤除基波以外的高次谐波;另外是通过调幅、调相电路保证参考信号和载波信号的幅值、相位尽量保持一致，常采用的低通滤波电路是RC有源低通滤波器。

其次，对输入的正余弦信号分别进行调理，调理电路主要实现对信号的调幅、调相和滤波。由于感应同步器输出的是幅值很小、相位非正交的非理想信号，因此需要使用调幅电路来消除两者在幅值方面的偏差，另外使用调相电路来保持两者相位上的正交性。由于感应同步器输出的噪声很低，信号调理电路对系统的信噪比影响较大，需要选择低噪声的芯片来降低系统噪声。调幅电路由两级放大电路组成，第一级前置放大电路采用差分放大的形式，如图8所示，芯片采用美国LINEAR公司的低噪声放大器LT1028，其等效输入电压噪声谱密度仅为该级放大倍数恒定;二级放大采用普通的负反馈放大电路，电路的放大倍数可调，两级之间通过电容耦合。

调相电路使用RC与运放组成的有源移相电路，如图9通过调节电阻R的阻值来对输入信号进行移相，为了降低电阻热噪声对电路的影响，可以采用低温漂的精密电阻。滤波电路采用多级有源滤波的形式，来滤除信号带外噪声，电路形式如图10所示。

5 实验对比及结语

图11、图12为经过电路合理修正后的双通道感应同步器内外通道的数字量化角度，对比可以看出量化角度的精度明显得到改善，内通道量化角度基本没有跳变点，整个角度阶梯变化趋势明显;外通道电气周期内角度变化均匀，跳变点也在4LSB以内。实验表明，精确的电路修正对减小非理想特性输入误差效果明显，单通道测角系统精度得到明显提高。

基于RDC的感应同步器测角系统是高精度角度控制系统中重要的一环，此测角系统的误差分析来源多种，校正方式也不尽相同。我们通过对非理想特性输入误差的分析补偿，使感应绝对式感应同步器反馈信号在精度上达到高标准，也为后续进一步的误差分析校正打下基础。

摘要：基于追踪型轴角数字转换器(resolver-to-digital converter)设计的绝对式感应同步器测角系统由于输入信号的非理想特性而引入误差,对系统测角精度产生影响。在工程应用中,此类误差可通过电路设计进行补偿修正。在总结绝对式感应同步器测角系统误差来源的基础上,重点分析基于RDC的感应同步器测角系统的工作原理及非理想特性输入误差对测角精度的影响,最后给出电路修正设计。实验表明,通过合理的修正,能够有效的提高系统的测角精度。

关键词：追踪型轴角转换器,绝对式感应同步器,非理想特性输入误差,测角精度,电路修正

参考文献

[1] 尚超.高精度圆感应同步器高速数据处理电路研究.红外,2006;(04):42—46Shang Chao.Study of high-speed data processing circuit for high accuracy rotary Inductosyn.Infrared,2006;(04):42—46

[2] 李谋.位置检测与数显技术.北京:机械工业出版社,1992:78 —104Li Mou.Position detection with digital technology.Beijing:China Machine Press,1992:78—104

[3] 尚超,王淦泉,陈桂林.跟踪型RDC载波相位误差和输入噪声的分析及应用.红外与激光工程,2008;(S1):30—34Shang Chao,Wang Ganquan,Chen Guilin.Error analysis for carrier phase mismatch and noise of tracking RDC’s input signals.Infrared and Laser Engineering,2008;(S1):30—34

误差特性第6篇

天然气是一种高效、清洁燃料和优质化工原料。天然气流量计量是天然气生产和使用中必须解决的一个重要问题。在企业生产和经营管理中流量计量是一项日常进行的重要的技术基础工作。天然气的准确计量不但能公平地进行贸易结算, 而且能指导改进生产工艺, 提高产品质量, 降低产品生产成本, 提高经济效益和社会效益。作为吐哈油田运销处天然气输气工区在天然气生产计量中选用的流量计仪表是孔板流量计。输气工区共使用孔板流量计15套, 用以进站计量和外输计量。天然气输气工区的孔板流量计是由中国人民解放军第5719工厂生产的高级型可换孔板阀和北京远东罗斯蒙特仪表公司生产的智能差压变送器、压力变送器、温度变送器以及流量显示装置组成。

2 孔板流量计的计量原理及特征

2.1 孔板流量计的计量原理

孔板流量计是基于流体流动的节流原理, 利用流体流经节流元件时在其前后产生压差, 此差压值与该流量的平方成正比关系来计量流量的。

2.1.1 差压法测气原理

充满管道的流体, 当它流经管道内节流装置 (如孔板) 时, 流束将在节流装置处形成局部收缩, 使部分压能转为动能, 其结果使流速增加, 静压降低, 在节流装置前后产生了压力降。对于一定型式、一定尺寸的节流装置来说, 所产生的压差与气流量有关, 流量越大, 压差也越大;流量减少, 压差也减小;流量为零, 压差也为零。因此, 通过测量压差的大小, 就可间接地计量气体流量, 这种方法就称差压法测量气体流量。

2.1.2 流束局部收缩和压差的产生

在孔板前, 连续流动着的流体将遇到孔板的阻挡。在管壁处的流体由于受孔板阻挡, 阻力最大, 使流体速度降低, 部分动能转变成静压能, 其结果使孔板入口端面接近管壁处的流体静压力升高。而管道中心流速最大, 静压最低, 使其在同一端面形成径向压力差, 其结果将使流体质点在这一径向压差作用下产生一径向加速度。在这一径向速度作用下, 靠近管壁处的流体质点以偏转一个角度向孔口流动, 形成了流束的局部收缩。

由于流体运动的惯性, 流经节流装置后流体将继续保持原来的流动方向, 在孔板出口端面处形成一最小收缩截面, 此处流束截面最小, 流速达最大, 压力最低。此后, 流束又逐渐扩大, 压力逐渐恢复升高, 直到流体充满整个管道, 压力恢复到最大值。但孔板后的压力并没有恢复到原来的数值, 两者压力之差, 即为流体流经节流装置后所产生的压力损失。此压力损失主要是由流体流经节流装置后流束突然扩大所产生涡流呆滞现象所造成的。在孔板出口端面处, 流速已比原来增大, 静压力也就较原来低。即p1>p2 (p1、p2分别为孔板前后的压力) 。只要测量出p1、p2之差, 就可计算出通过孔板气体流量的大小。孔板流量计理论流量计算公式为:

式中:qν为工况下的体积流量, m3/s;C为流出因数, 无量纲;β=d/D, 无量纲;d为工况下孔板开孔直径, mm;D为工况下上游管道内径, mm;ε为可膨胀因数, 无量纲;△p为孔板前后的差压值, Pa;p1为工况下流体的密度, kg/m3。对于天然气而言, 在标准状态下天然气流量的实用计算公式为:

式中:qn为标准状态下天然气体积流量, m3/s;As为秒计量系数, 视采用计量单位而定。此式As=3.179410-6;C为流出系数;E为渐近速度系数;d为工况下孔板开孔直径, mm;FG为相对密度系数;ε为可膨胀系数;FZ为超压缩因子;FT为流动温度系数;P 1为孔板上游侧取压孔气流绝对静压, MPa;△p为气流流经孔板时产生的差压, Pa。这种测量方式是以能量守衡和流动连续性方程为基础的。孔板流量计就是通过节流装置产生差压, 通过引压管将差压信号传递给计由差压变送器转换为标准信号传入主控室集散控制系统进行监控。

2.2 高级孔板阀

天然气输气工区孔板流量计的主要部件高级孔板阀 (采用高级型阀式孔板节流装置) , 主要用于差压式流量计的信号的产生和传输, 可实现在线更换孔板, 不影响输送介质, 无附加管路;装置内有孔板安装定位机构, 标定准确度等级为0.5级;该装置设有上、下两个密封腔, 以及滑阀部件, 无旁设附加管线, 装置上、下腔间的密封件采用全硬密封结构, 阀板和阀座采用22Cr堆焊硬质合金, 设有注入密封脂辅助结构, 可以防止阀座、阀板密封面上污物的沉淀;采用法兰取压标准孔板作为流量检测元件。

2.3 计量误差来源

孔板流量计在现场使用中还存在不少问题, 由于新疆天气温差大, 现场使用条件恶劣, 节流装置与差压变送器及其连接部分引压管线、孔板片就是出现误差和使用维护的重点。天然气从地层中开采出来后, 虽经分离、除尘和过滤, 但节流装置在使用中也受到不同程度的腐蚀, 特别对孔板直角入口边缘和测量管内壁的冲刷、腐蚀尤为严重, 这将影响孔板直角入口边缘半径和测量管内壁的相对粗糙的规定标准, 流出系数将发生变化, 流量测量不确定度超出估计数。以下便从孔板流量计的软件问题和硬件问题两方面作简要分析。

2.3.1 孔板流量计的软件问题产生的误差

采用标准孔板流量计测量天然气流量, 其流量值与天然气组分、差压、压力、温度等有关。实际运行流量值偏离设计流量值, 这是现场最常见也是我们最关心的问题。在多数情况下, 设计流量值定的都比较高, 但实际运行流量值较低, 简要分析其原因主要有:

差压变送器的可靠度是按引用误差计量的。差压计的误差分布:若系统在50%以下运行, 差压计的相对误差在+1%~+6%, 对流量的影响+1%~+3%。同时由于雷诺数是流量值的函数, 流量值偏离必定引起雷诺数的变化, 这样必然引起流出系数的变化。这些影响集中在一起, 从而产生实际运行流量值偏离设计值。

介质温度压力偏离设计值, 在节流装置设计计算时, 对介质流体 (包括气体和液体) 流量是设计工况下的质量流量, 这特定条件包括的参数很多, 主要是温度和压力参数。在这特定的条件 (温度、压力等) 下介质流体的密度是一定的, 如果在实际运行时介质流体的温度、压力等主要参数值偏离设计值, 介质流体的密度必然也会改变。而介质流体的密度改变, 对流量值的影响是很直观的。

为了工艺操作的方便, 仪表指示值给出的是标准状态下的体积流量, 这是根据介质流体的密度换算出来的。而介质流体的密度改变使其换算关系也改变。两种影响都会引起节流装置测量时的实际运行流量值偏离设计值。

2.3.2 孔板流量计硬件的问题产生的计量数据误差

(1) 高级孔板阀的问题。

孔板开孔不合适加工尺寸不符合设计要求。三阀组中的平衡阀关不严, 有少量的泄漏致使气体在引压管中流动, 减少了进变送器的差压信号使仪表输出偏低。检查方法是将三阀组中的高低压阀关闭。如果平衡阀有漏, 则输出会不停的缓慢下降, 直至为零, 否则仪表输出应不变。安装不妥造成的误差。例如管线布置的偏离, 管线布置的偏离造成的安装误差是普遍性的, 其产生的主要原因是现场不能满足直管段要求的长度;孔板倒装使流量计示值下降。仪表本身产生的误差。例如:孔板入口直角锐利度;孔板厚度误差;节流件附件产生台阶、偏心;孔板上游端面平度;环室尺寸产生台阶、偏心;取压位置;焊接、焊缝突出;取压孔加工不规范或堵塞;节流件不同轴度。其他误差。运销处天然气输气工区最常见的误差例如孔板弯曲 (变形) ;上游测量管沉积脏物;上游端面沉积脏物;孔板入口直角边缘变钝、破损;孔板被划伤、密封圈损坏、长期使用管道腐蚀, 这些硬件问题要相对容易发现和纠正, 针对硬件问题天然气输气工区制定了保养孔板的有效措施:定期对孔板进行检查, 维护保养, 加注密封脂, 及时更换相应部件。

(2) 差压变送器的问题。

差压变送器高低压导管接反。现场表现为差压变送器的输出不上升反而变为零下, 可用以下两种方法:一是改变检测部件和传送部件的相对位置和导压管接口;二是改变正反作用接片位置。仪表引压管堵塞, 引起流量计仪表输出变化缓慢, 甚至不变。天然气内含有固体悬浮颗粒或油污, 时间久了, 有的还会固化, 引起引压管堵塞, 使测量无法正常进行。例如差压变送器引压管冬季冻堵 (湿气) , 引起计量不准确, 天然气输气工区针对这点, 增设了电伴热, 保温措施, 定期排污。

3 结语

在进一步实现天然气输气工区孔板流量计的准确计量、减少误差, 首先要加强管理、提高人员素质。孔板流量计易于偏离标准的原因在于仪表本身的工作原理与结构特点, 仪器自身误差是制造时产生的, 安装和使用误差则是在安装时或长期使用中由于流体介质腐蚀、磨损等造成的。因此, 应严格按技术要求安装流量计量系统, 消除安装误差。在使用过程中, 操作人员应做好系统的检修、维护、保养工作, 延长其使用寿命, 减少计量误差。其次测量仪表的正确选用也很重要。测量仪表应首选标准节流装置, 当流量变化范围大时要考虑用宽量程智能差压变送器 (天然气输气工区现用的都是智能差压变送器) 。

摘要：文章通过分析天然气流量的孔板计量原理, 特征和高级孔板阀制造、安装特性, 从使用高级孔板阀计量天然气流量的软、硬件两方面条件分析、判断误差来源, 并提出了一些有针对性的提高计量精度的措施。

关键词：天然气流量,高级孔板阀,计量特性,误差分析

参考文献

[1]中国石油集团经济和信息研究中心.2001年世界石油科技综述[R].北京:中国石油集团经济和信息研究中心, 2001, 4:136～137.

[2]吴永生, 方可人.热工测量及仪表[M].北京:水利电力出版社, 1995.

误差特性第7篇

关键词：误差,天然气,流量计量,高级孔板阀

天然气在我国的储量是非常丰富的, 但是产量并不是非常高。从能源的合理利用与环保的方面来看, 加快天然气的城市化进程是一个艰巨的任务。作为一种商品, 天然气的交易当然也离不开一个非常重要的参数商品的量。通过特定的计量方式将天然气折算成等值的货币, 以此为标准进入了千家万户。我们国家的天然气计量一般是用体积来表示的, 计量的器具也有很多中, 包括容积式流量计、速变式流量计等等。然而在流量较大的环境中, 都采用标准孔板差压式流量计。

1 孔板差压式流量计的计量原理

差压式流量计在流体流动的节流原理上产生的。流体通过节流元件, 会在元件的前端和后端产生压差, 这个压差是和流量的平方值成正比关系的, 由此就能得出流量了。

1.1 压差法测定天然气的原理

流体经过管道, 在节流装置的地方, 流束将会局部收缩, 把一部分的压能转化成了动能, 然后流速变大了, 压值却减小了, 从而产生了压差。

对于一个尺寸型式固定的节流装置来讲, 压差是与气体的流量有关的, 流量增大, 压差也会变大;流量变小, 压差也随之变小;流量为零, 压差的数值也会为零。所以, 压差的大小就能间接的表示出气体流量的大小, 得到了压差值, 再通过一定的计算就能得到流量值。这种测定流量的方法就是压差法测量气体流量。

1.2 压差的产生

在孔板的前面, 连续流动的流体被孔板阻挡。其中在管壁处的流体受到的阻力最大。流速就变小了, 动能由此转变成静压能, 这种结果是孔板附近处在管壁边上的流体静压能变大。而处在管道最中心处的流体速度最大, 静压反而较低, 这就在同一截面形成了压力差, 这使得流体质点多了一个加速度。这种情况下, 关闭附近的流体以角度的方式流入孔板口, 局部收缩由此产生。

在惯性作用下, 流体进过节流装置后仍然按照原来的方向运动, 在孔板的出口形成了一个收缩的截面, 此处流速最大, 压力值最低。此后流束又开始变大, 压力值升高, 直到流体填充满整个管道, 压力值恢复到最大。但此压力值会与原来有一定的差别, 差别的大小即为压差。

2 计量误差的产生

孔板流量计在使用过程还存在不少问题, 特别会产生计量误差。下面就从硬件方面还有软件方面进行讨论。

2.1 软件问题形成的误差

标准节流装置与不同的二次测量仪表搭配, 构成了不同的计算方法。在使用标准孔板流量计测量时, 天然气的压差、组分、温度还有压力等都与流量值有关。在测定时没有选择出相配的测量仪表, 计算式没有考虑清楚压力温度引起的变化, 都能够导致测量的准确度下降, 形成计量误差。另外还可能出现实际的运行流量与设定的运行流量不符合。这可能是以下几个方面造成的。

(1) 一般对节流装置进行设置, 都是按照常用流量进行的。如果实际流量与常用流量偏差较大, 就会使流出系数产生较大的变化, 准确度与可靠度就大大降低了。

(2) 差压计的可靠度是根据引用误差来计算的。而差压计的误差会引起流量的偏离, 流量的偏离又引起雷诺数的变化, 这样又会引起流出系数的变化, 这些变化集中在一起, 就使得实际的运行流量偏离了设定的运行流量。

(3) 液体、气体还有蒸汽等介质的温度压力变化会引起介质的密度变化, 而介质流体的密度改变, 最后得出的流量值肯定也不准确。

2.2 硬件问题形成的误差

2.2.1 高级孔板阀的问题

孔板上小孔的尺寸不符合尺寸要求会对压差值产生影响。尺寸小于标准尺寸, 会引起流量增大;而尺寸过小, 会使得流量变小。

如果平衡阀门的严密性不是很好, 泄露出小部分气体在印压管中流动, 会使仪表的输出变低。检查方式是将另外两个阀门紧闭, 若平衡阀门泄露, 输出的数值会慢慢变小, 直到为零。若仪表数值不便, 则证明平衡阀门的气密性良好。

冬季气温过低造成的冻堵也能影响仪器的正常工作, 所以在寒冷的冬季运行时, 要加强保温伴热。

管线布置的偏离等安装问题也会造成误差。不过由于现实环境不能满足直管段的要求等问题, 这种误差也是不可避免的。

其他还有一些会产生误差的情况。比如孔板变形、孔板被划伤、管道上有杂质、孔板入口处的直角变钝、孔板的厚度不符合标准、取压空被异物堵塞、焊缝变得突出、雷诺数的范围与标准规定不太符合等等。这些问题比较容易发现, 只要经常对孔板进行检查, 及时更换不合格的零件就能解决。

2.2.2 压差变送器的问题

压差变送器有高低压两个导管, 若接反会导致结果异常。可以采用改变正反作用接片的位置来解决这个问题。

变送器的零点不稳定, 有漂移现象或者量程偏大的情况也会导致孔板流量计输出的信号降低。为了避免这种情况, 应当单独校检变送器, 确保仪表的精确度与量程符合要求, 并不断改变仪表输入信号, 观察显示数值的变化。

如果仪表的引压管被堵塞, 会造成流量计仪表的输出变化缓慢。由于气体中往往含有许多悬浮颗粒, 时间久了, 就会沉积在管道中。所以要加强保温措施, 还要对仪器定期排污。

3 结论、建议

为了保证检测的准确、避免误差, 提出以下几点建议:

首先要对人员进行严格培训, 提高人员的能力。不管多么精密的仪器都是由专门的人员使用, 使用人员的严谨程度与工作能力对测量结果的影响相当巨大。

造成孔板压差式流量计结果偏离的根本原因在于它的结构特点与工作原理上面。制造的时候也会由于生产设备的原因使仪器产生误差, 这就要求在仪器投入之前经过严格的测试校准和调整, 避免这种误差的发生。

安装和使用过程中过多接触各种各样的物质, 比如铁屑、油污和涂料等, 这也会导致仪器的测量结果产生误差所以, 仪器使用完毕之后, 一定要保证仪器外表和内部的清洁, 才能放回设备室, 以确保下能能够顺利使用。

所以, 应当严格按照技术要求对仪器进行安装使用, 并且要定期对仪器进行检测维护, 尽量减小误差, 使得测量结果更加准确。

参考文献

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