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1、動態(tài)標(biāo)定裝置設(shè)計方案
對于一般的傳感器，根據(jù)其自身特點的不同(如電式、機械式、氣動式傳感器等)，可以對其施加正弦信號，分析其頻域響應(yīng)特性;或施加階躍、斜坡、脈沖等
信號，分析其時域響應(yīng)特性。另外，還可以施加隨機信號進行相關(guān)分析。
煤氣流量計的動態(tài)標(biāo)定就是通過試驗研究其在動態(tài)輸入信號作用下的響應(yīng)特性，從而獲取能夠反映其動態(tài)特性的性能指標(biāo)的過程。若要對煤氣流量計進行動
態(tài)標(biāo)定，首先應(yīng)該根據(jù)煤氣流量計的工作原理及其自身特點，選擇和設(shè)計合適的標(biāo)定信號及裝置來進行試驗。
本文通過考慮動態(tài)標(biāo)定的目的，結(jié)合煤氣流量計的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，設(shè)計了隨機信號法、脈沖信號法和負階躍信號法三種煤氣流量計動態(tài)標(biāo)定裝置設(shè)計方案。
下面對這三種標(biāo)定方案進行深入的探討與分析。
1.1隨機信號法
隨機信號法是在一般的煤氣流量計靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改造，產(chǎn)生隨機標(biāo)定信號，以實現(xiàn)動態(tài)標(biāo)定。該方案的思路是將一個已知頻率特性并且具有良好動態(tài)特性的高精度、高性能的標(biāo)準(zhǔn)表與待標(biāo)表先后串接在標(biāo)定管道中，當(dāng)原先的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)中的定量泵開啟后，標(biāo)定管道內(nèi)會產(chǎn)生流體流動相對比較穩(wěn)定的流量信號。而動態(tài)標(biāo)定本身所需要的是一個動態(tài)變化的流體流量信號，可通過在管道出水口設(shè)置一個活動閥門來解決這個問題，具體為利用活動閥門的隨機開關(guān)運動產(chǎn)生一個隨機變化的流體流量信號。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集標(biāo)準(zhǔn)表所反映的流量信號與待標(biāo)表的電壓輸出信號這兩路信號數(shù)據(jù)。因為標(biāo)準(zhǔn)表具有良好的動態(tài)特性，能比較準(zhǔn)確地反映流體的流量情況，故假定采集到標(biāo)準(zhǔn)表的流量信號與流體流量信號相一致，將其作為待標(biāo)表的輸入信號，與采集的待標(biāo)表的電壓輸出信號一起傳輸給計算機。利用FFT、功率譜等數(shù)字信號處理的相關(guān)方法來估算待標(biāo)表的頻率特性。zui后將此頻率特性與已知的標(biāo)準(zhǔn)表的頻率特性進行對比，從而實現(xiàn)煤氣流量計的動態(tài)標(biāo)定。
隨機信號法方案示意圖如圖2所示。
隨機信號法具有以下優(yōu)點:首先，在原有的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上做適當(dāng)?shù)母脑欤瑥亩梢杂帽容^低的成本來建立煤氣流量計的動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng);其次，由于流體流動的復(fù)雜性，要使流體流量產(chǎn)生按正弦、階躍、沖擊等規(guī)律變化的標(biāo)定信號幾乎是不可能的事情，而通過活動閥門的隨機開關(guān)運動產(chǎn)生隨機流量信號作為標(biāo)定信號，可以很好地解決在標(biāo)定信號產(chǎn)生方面存在的這個難點。
隨機信號法也存在一些缺點:首先，由于各生產(chǎn)廠家的流量計產(chǎn)品與現(xiàn)行市面上出售的各種流量計幾乎沒有與頻響特性等動態(tài)特性相關(guān)的性能指標(biāo)，要獲取一個具有良好動態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)表非常困難;其次，標(biāo)準(zhǔn)流量計本身也存在一些濾波的情況，直接采集其輸出的流量信號作為待標(biāo)表的流量輸入信號，必然會帶來一些誤差，對待標(biāo)表的動態(tài)標(biāo)定產(chǎn)生負面的影響。
1．2脈沖信號法
脈沖信號法是根據(jù)煤氣流量計的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點構(gòu)思的一種標(biāo)定裝置設(shè)計方案。
由煤氣流量計的原理及結(jié)構(gòu)特點可知，煤氣流量計主要是利用流體流動時對靶體的沖擊力使靶桿彎曲形變，從而帶動靶桿上面的電阻應(yīng)變片形變所產(chǎn)生的電信號來進行流量測量。因此，從本質(zhì)上來看，煤氣流量計其實就是一種電阻應(yīng)變片式的力傳感器，故可借鑒對力、加速度等傳感器的動態(tài)標(biāo)定方法來對煤氣流量計進行動態(tài)標(biāo)定。脈沖信號法就是運用激振器產(chǎn)生動作，并通過傳動機構(gòu)對靶體施加脈沖力信號來產(chǎn)生動態(tài)標(biāo)定信號，實現(xiàn)對煤氣流量計的動態(tài)標(biāo)定。
該設(shè)計方案的標(biāo)定過程為:利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過功率放大后，傳輸給激振器;激振器產(chǎn)生動作，利用傳動機構(gòu)給煤氣流量計靶體發(fā)送一個正向的脈沖。這樣，煤氣流量計就獲得了一個脈沖標(biāo)定信號。數(shù)據(jù)采集卡采集函數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的脈沖標(biāo)定信號與待標(biāo)表輸出的電壓信號，并傳輸給計算機處理。
利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等方法對數(shù)據(jù)進行處理，得到頻率響應(yīng)特性。脈沖信號法示意圖如圖3所示。
脈沖信號法的優(yōu)點是簡單可靠，能夠很容易地產(chǎn)生標(biāo)定信號(脈沖信號)，產(chǎn)生的脈沖標(biāo)定信號是一個具有確定規(guī)律的信號。因而輸入信號是一個已知的信號，只需將采集到的煤氣流量計輸出的電壓信號與已知脈沖信號(函數(shù)發(fā)生器發(fā)生)的數(shù)據(jù)傳輸給計算機，就可以利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等數(shù)據(jù)處理方法進
行處理。
相對于隨機信號法來說，脈沖信號法的缺點是成本比較高。另外，利用激振器產(chǎn)生力脈沖信號，在實際操作中面臨一些困難和挑戰(zhàn)。
根據(jù)上述方案與隨機信號法的啟發(fā)，如果能夠得到具有很好動態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)表，就可以利用激振器產(chǎn)生標(biāo)定信號(力信號)，然后經(jīng)傳動機構(gòu)同時施加于標(biāo)準(zhǔn)表與待標(biāo)表，通過兩者的比較來進行動態(tài)標(biāo)定和評價。標(biāo)定和評價的關(guān)鍵在于能否獲取具有很好動態(tài)特性和相關(guān)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)表。
脈沖信號比較法示意圖如圖4所示。
1．3負階躍信號法
負階躍信號發(fā)生裝置如圖5所示。
負階躍信號法是利用掛重裝置產(chǎn)生一個負階躍力信號來對煤氣流量計進行動態(tài)標(biāo)定。
負階躍信號發(fā)生裝置利用掛重裝置，在裝置上下同時懸掛兩個砝碼，放置一段時間后，在某個時刻用剪刀快速剪斷下面的砝碼，從而產(chǎn)生一個負階躍力的標(biāo)定信號。
負階躍力信號示意圖如圖6所示。
負階躍法方案標(biāo)定過程為:利用掛重裝置產(chǎn)生一個負階躍力信號給煤氣流量計，利用數(shù)據(jù)采集卡采集煤氣流量計的電壓輸出信號，將該信號傳輸給計算機并保存。由于掛重裝置所產(chǎn)生的標(biāo)定信號是一個負階躍的力信號(物理量)，不是電信號，所以無法利用數(shù)據(jù)采集卡采集該標(biāo)定信號數(shù)據(jù)來進行標(biāo)定。對此，本方案通過構(gòu)造標(biāo)定信號數(shù)據(jù)的方法來解決這個問題。
標(biāo)定信號是一個負階躍的力信號，根據(jù)采集的響應(yīng)信號(煤氣流量計的電壓輸出信號)的數(shù)據(jù)，視標(biāo)定信號與響應(yīng)信號的起跳點同步，據(jù)此構(gòu)造標(biāo)定信號(負階
躍力信號)數(shù)據(jù)，得到標(biāo)定信號與輸出信號數(shù)據(jù)。利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等方法對數(shù)據(jù)進行處理，得到煤氣流量計的頻率響應(yīng)特性。
負階躍信號法的優(yōu)點有:首先，該方案成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單，信號發(fā)生裝置只需利用現(xiàn)有的干標(biāo)掛重裝置即可;其次，標(biāo)定信號是已知的負階躍信號，只需采集煤氣流量計輸出的電壓信號。
負階躍信號法的缺點是:當(dāng)快速剪斷繩子，突然釋放底下的砝碼，在理論上可產(chǎn)生一個負階躍力信號，但是，繩子本身具有一定的彈性，并且掛重裝置上還存在滑輪，因而繩子在經(jīng)過滑輪時，還要受到摩擦力的影響，因此，所產(chǎn)生的標(biāo)定信號并不是一個理想的負階躍信號。
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