自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)研究

［摘 要］為解決自動化儀表在實際應(yīng)用中因數(shù)據(jù)漂移導(dǎo)致的測量不準確問題，文章采用了基于小波變換的數(shù)據(jù)分析方法，通過構(gòu)建特定的數(shù)據(jù)采集與處理流程，實現(xiàn)了現(xiàn)場自動化流量儀表的數(shù)據(jù)校準工作。在此過程中，運用隨機數(shù)生成模擬現(xiàn)場條件，對載荷傳感器、溫壓一體傳感器、流量計和壓力傳感器4 種主要儀表進行了在線校準試驗，并將結(jié)果匯總分析。研究結(jié)果表明，所采用的校準方法能顯著提高儀表數(shù)據(jù)的準確性，且自動響應(yīng)速度快，校準時間控制在5 min 以內(nèi)。通過對實際場景下的儀表進行連續(xù)20 次數(shù)據(jù)漂移校準試驗，不僅證實了模型具備高效識別儀表故障的能力，而且展現(xiàn)了在保證數(shù)據(jù)準確性的同時實現(xiàn)快速自動校準的技術(shù)可行性。得出結(jié)論，即基于小波變換的自動化流量儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)具有高效、準確的校準性能，能夠為自動化測量系統(tǒng)提供強有力的數(shù)據(jù)支持，從而確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和可靠性。

［關(guān)鍵詞］自動化儀表；數(shù)據(jù)漂移；數(shù)據(jù)校準

［中圖分類號］TG64 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0144–03

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，儀表數(shù)據(jù)的精確度直接關(guān)系到整個生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟效益。然而現(xiàn)場環(huán)境中的諸多因素如溫度、壓力波動及機械振動等，均可能導(dǎo)致儀表數(shù)據(jù)發(fā)生漂移，從而降低測量的準確性和可靠性。因此開展自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)的研究，對于提升儀表數(shù)據(jù)質(zhì)量和保障生產(chǎn)安全具有重要的實踐意義。國內(nèi)外學(xué)者對自動化儀表的數(shù)據(jù)校準技術(shù)進行了廣泛研究，其中包括基于統(tǒng)計理論的方法、機器學(xué)習(xí)算法以及信號處理技術(shù)等。這些研究在不同程度上推動了自動化校準技術(shù)的發(fā)展，并在實際中得到了應(yīng)用。然而，現(xiàn)有研究依然存在不足之處：①在快速變化的實際工業(yè)環(huán)境中，現(xiàn)有方法的實時性與準確性難以同時滿足；②部分研究側(cè)重于理論研究而忽視了現(xiàn)場應(yīng)用的復(fù)雜性；③針對特定類型儀表特有數(shù)據(jù)特征的校準方法研究不夠深入。鑒于此，文章將重點分析不同小波基函數(shù)對流量數(shù)據(jù)校準效果的影響，并通過試驗驗證所提方法的有效性。同時考慮到實際應(yīng)用的復(fù)雜性，文章還將結(jié)合具體的現(xiàn)場情況，設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理流程，以期提出一套既符合理論又切合實際工作需求的自動化校準解決方案。

1 數(shù)據(jù)校準分析

在自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)中，實驗室校準采用了無線網(wǎng)絡(luò)傳輸手段，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠程傳送至實驗室，并借助標準表進行精確的量值傳遞和比對。校準流程的首要階段是建立一套完備的量值溯源鏈。該鏈條從現(xiàn)場被校表起始，經(jīng)過標準傳遞表，最終抵達標準裝置，確保了現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)能夠有效、準確地傳遞至實驗室。這樣的設(shè)置有助于追蹤和保證數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性。

在需要對流量計進行校準時，現(xiàn)場的被校表將被轉(zhuǎn)移到專門的校準現(xiàn)場進行試驗。試驗完成后，收集到的數(shù)據(jù)會通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送回校準實驗室內(nèi)的軟件平臺。該軟件平臺承擔著對收到數(shù)據(jù)的分析處理任務(wù)，以得出校準結(jié)果。這一過程要求軟件平臺具備高效準確的數(shù)據(jù)處理能力，以及對各種可能出現(xiàn)的異常情況的識別和處理機制。

在數(shù)據(jù)分析過程中，軟件平臺會運用不同的算法和模型來處理接收到的流量數(shù)據(jù)。例如，在一個具有多條支線匯流到一條集輸管線的場景中，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可推斷出集輸管線中的總流量M 應(yīng)等于各支線流量之和，所以某支線流量計發(fā)生故障時總流量為[1] ：

式中，Ij=1表示第j條支線閥門處于開啟狀態(tài)，而Ij=0則代表該支線閥門已關(guān)閉。此狀態(tài)變量的設(shè)定為實時監(jiān)控提供了明確的指示，確保了系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)的操作。流量變量Mj代表了第j條支線在單位時間內(nèi)通過的流量。在實際運行過程中，由于設(shè)備老化、環(huán)境變化或其他外部干擾，支線閥門可能會出現(xiàn)完全失效的情況，這將導(dǎo)致流量測量產(chǎn)生誤差，所以用δ來表示。

若某一流量計發(fā)生故障，則該故障將在其他流量計中體現(xiàn)出相同量級的偏差，即故障共線性。軟件平臺需要準確識別這種故障共線性，并對受影響的數(shù)據(jù)進行校正。最后，標準表會被轉(zhuǎn)移回校準實驗室，以便進行后續(xù)的校準工作或作為參考標準。在整個校準過程中，每一步都需嚴格遵循既定的程序和規(guī)范，以確保校準結(jié)果的準確性和可靠性。

自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)分析強調(diào)了實驗室校準的重要性，并通過詳細的校準流程展示了如何實現(xiàn)氣體流量計遠程校準系統(tǒng)與標準表法遠程校準系統(tǒng)的聯(lián)合使用。通過精確的量值溯源、高效的數(shù)據(jù)傳輸、智能的數(shù)據(jù)處理和嚴密的故障分析，確保了校準工作的科學(xué)性和校準結(jié)果的準確性。

2 儀表故障識別分析

在自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)分析中，小波變換（Wavelet Transform，WT）的應(yīng)用提供了一個強大的工具，用以處理和分析瞬時或時變信號。傳感器故障通常會導(dǎo)致非預(yù)期的瞬態(tài)信號或輸出信號特性隨時間變化，而小波變換在時頻分析方面的出色表現(xiàn)使其特別適用于傳感器故障的識別與校準。在自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)中，小波變換發(fā)揮著重要作用。通過對小波變換的精細應(yīng)用和精確數(shù)據(jù)分析，可準確識別并有效校準流量計故障，從而確保自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

小波變換通過使用不同的時間間隔來分析信號中的高頻和低頻分量，從而克服了傅里葉變換在局部時頻特性方面的限制。具體來說，在L2（R）空間內(nèi)的信號可以分解為一系列小波函數(shù)的疊加，這些小波函數(shù)是由母小波進行平移和縮放而生成的。在這個過程中傳輸參數(shù)與小波函數(shù)的時間位移相關(guān)，傳達了時域信息。而尺度參數(shù)s 則定義為頻率的倒數(shù)，與頻域信息相關(guān)。

在小波分析領(lǐng)域，選擇恰當?shù)哪感〔▽τ诖_保小波變換的高效性和準確性至關(guān)重要。母小波的設(shè)計與選取必須充分考慮其數(shù)學(xué)特性，包括正交性、緊支撐性以及消失矩等。這些特性共同決定了小波變換的結(jié)果特征，并直接影響到變換過程的計算效率和結(jié)果的精確度。在眾多母小波中，Haar 小波和Daubechies小波以簡單的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)異的頻率響應(yīng)特性而被廣泛應(yīng)用。Haar 小波因其簡潔性而在快速處理中表現(xiàn)出色，而Daubechies 小波則以其良好的平滑性和近似性質(zhì)被廣泛使用。

此外，Symlet 和Coiflet 小波與Daubechies 小波有著緊密的聯(lián)系，在保持了Daubechies 小波的基本特性的同時，還具有各自的獨特優(yōu)勢，適用于不同的分析和處理需求。Meyer 小波、Morlet 小波和MexicanHat 小波則是因其對稱性質(zhì)，在信號處理中至關(guān)重要。這些小波在處理對稱或接近對稱的信號時，能夠提供更為準確和高效的分析結(jié)果。因此，在選擇母小波時，不僅要考慮小波本身的性質(zhì)，還要結(jié)合具體的應(yīng)用場景和分析目標，以確保小波變換的最優(yōu)性能。

在自動化流量儀表校準程序中，信息采集器、基站和軟件系統(tǒng)協(xié)同工作。基站向信息采集器發(fā)送指令以啟動流量數(shù)據(jù)的采集，并將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至軟件平臺，其中現(xiàn)場自動化流量儀表校準程序流程如圖1 所示。在現(xiàn)場自動化流量儀表校準程序的構(gòu)建中，首先確保系統(tǒng)已完成初始化，并準備好接收數(shù)據(jù)采集指令。整個流程的啟動始于接收啟動指令，此時，信息采集器處于等待狀態(tài)，準備接受進一步的操作指令。一旦接收到數(shù)據(jù)采集指令，信息采集器便開始執(zhí)行任務(wù)，從流量儀表中精確地采集數(shù)據(jù)。這一過程對數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性提出了高要求，以確保所獲得的數(shù)據(jù)真實反映了流量儀表的實際狀態(tài)。接下來，采集的數(shù)據(jù)將被傳送至軟件平臺，軟件平臺的任務(wù)是對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，包括數(shù)據(jù)的清洗、格式轉(zhuǎn)換以及初步的趨勢分析等步驟。數(shù)據(jù)分析處理的目的在于為接下來的校準決策提供準確的參考依據(jù)[2]。

軟件平臺將依據(jù)既定的協(xié)議和標準對數(shù)據(jù)進行判斷，以確定數(shù)據(jù)是否正確無誤。如果數(shù)據(jù)顯示存在異常或偏差，則需要進行校準。這一判斷過程是自動化校準流程中至關(guān)重要的一環(huán)，因為其直接關(guān)系到流量儀表能否維持其測量精度。如果判斷結(jié)果表明需要進行校準，流程將轉(zhuǎn)入到校準環(huán)節(jié)。在此階段，將執(zhí)行相關(guān)的校準操作，以糾正檢測到的任何數(shù)據(jù)漂移或誤差。完成校準后，系統(tǒng)將反饋校準結(jié)果，并最終結(jié)束此次校準流程。若無需校準，系統(tǒng)將直接結(jié)束流程，并可能記錄日志或執(zhí)行后續(xù)的維護任務(wù)。

整個現(xiàn)場自動化流量儀表校準程序的設(shè)計目標是實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理與精確的校準，以保證流量儀表的長期穩(wěn)定性和可靠性。該平臺將根據(jù)標準數(shù)據(jù)庫中存儲的標準流量數(shù)據(jù)來評估采集到的數(shù)據(jù)是否符合預(yù)定的精度要求。如果數(shù)據(jù)滿足要求，則校準流程結(jié)束，否則，軟件平臺將利用小波變換等技術(shù)對數(shù)據(jù)進行更深入的分析處理，以識別出信號中的異常模式，并據(jù)此診斷可能的傳感器故障，以對儀表進行相應(yīng)的校準。

3 應(yīng)用效果分析

對自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)的應(yīng)用效果進行分析，以確保系統(tǒng)的準確性和可靠性至關(guān)重要。在實際應(yīng)用中，通過模擬生成的3 條支線的流量數(shù)據(jù)，其范圍在400～700 m3/d，并確保總流量維持在1 000～2 000 m3/d。在這個場景下，集輸總線流量計采樣頻率設(shè)置為每0.02 s 進行一次采樣[3]。

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，進行了不同小波變換的流量校準。Mexican Hat 小波變換在現(xiàn)場儀表修訂中表現(xiàn)出最佳的效果。這一結(jié)果可能反映了Mexican Hat 小波對于流量數(shù)據(jù)的特定特征提取能力，其在處理非線性和非平穩(wěn)信號方面可能具有優(yōu)勢。因此，選擇合適的小波變換方法對于儀表數(shù)據(jù)校準至關(guān)重要，能夠提高校準的準確性和有效性。

在自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準技術(shù)的應(yīng)用效果分析中，一系列實地測試被用以評估所提出校準方法的實際表現(xiàn)。關(guān)鍵儀表的數(shù)據(jù)漂移在線校準試驗所得部分結(jié)果見表1。這些試驗揭示了所采納的校準方法不僅能夠精確識別數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，而且能迅速自動響應(yīng)，其高效的校準過程通常能在5 min 內(nèi)完成，這一時間效率充分展示了該校準技術(shù)的顯著成效。

為了解決自動化計量儀表因數(shù)據(jù)漂移導(dǎo)致的精度不準確問題，一套精心設(shè)計的程序被應(yīng)用于基站、信息采集器及軟件平臺。這套程序旨在實現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移的自動檢測與校準，并經(jīng)過嚴格測試。在7 種不同的小波變換方法中，Mexican Hat 小波變換因其在現(xiàn)場儀表校準中的卓越表現(xiàn)而被認定為最有效的工具。基于實際的應(yīng)用場景，建立了一個模型對上述4 種儀表進行了20 次數(shù)據(jù)漂移校準試驗。試驗結(jié)果顯示，該模型不僅具備高效識別儀表故障的能力，還能在極短時間內(nèi)自動完成數(shù)據(jù)漂移校準，證明了其在廣泛推廣和應(yīng)用方面具有重要的價值。

4 結(jié)束語

本研究通過深入分析自動化儀表數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，并采用小波變換作為主要工具，成功提出了一套高效的數(shù)據(jù)校準方法。經(jīng)過試驗驗證，結(jié)果顯示該方法能夠顯著提升數(shù)據(jù)的準確性與校準效率，尤其在使用Mexican Hat 小波變換時，在現(xiàn)場儀表校準中取得了最佳效果。這一發(fā)現(xiàn)不僅強化了小波變換在處理非平穩(wěn)信號方面的應(yīng)用價值，也為自動化儀表的數(shù)據(jù)校準提供了新的視角和解決方案。此外，通過對現(xiàn)場情況的模擬及連續(xù)的數(shù)據(jù)校準試驗，文章所提出的校準流程和技術(shù)已證明其在現(xiàn)場應(yīng)用中的可行性和有效性。隨著人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷進步，將其與小波變換相結(jié)合應(yīng)用于自動化校準過程，有望進一步提高系統(tǒng)的智能化水平和自適應(yīng)能力。

參考文獻

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