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        小型輕便式流速儀檢定系統(tǒng)設計

        2018-01-05 00:58:34周樹道
        計算機測量與控制 2017年12期
        關鍵詞:水槽測控編碼器

        張 龍,葉 松,周樹道,王 敏

        (國防科技大學 氣象海洋學院,南京 211101)

        小型輕便式流速儀檢定系統(tǒng)設計

        張 龍,葉 松,周樹道,王 敏

        (國防科技大學 氣象海洋學院,南京 211101)

        為滿足FP系列流速儀的計量檢定需求,提出了一種小型便攜式流速儀檢定系統(tǒng)的設計方案;根據(jù)勻速運動時間等約束條件確定了環(huán)形水槽的幾何參數(shù);采用FPGA和上位機作為數(shù)據(jù)處理和控制核心,實現(xiàn)了對伺服電機轉速的精確控制;設計了光電編碼器和無線攝像機與上位機之間的通信方式,實現(xiàn)了檢定裝置標準流速值和被檢儀器示值的數(shù)據(jù)讀取;對測試數(shù)據(jù)的處理方法和測控軟件的結構框架進行了分析;同時,對實驗裝置的測量誤差進行了分析;結果表明,標準流速值的擴展不確定度為1.28×10-3m/s,檢定裝置符合量值傳遞要求,可作為FP系列流速儀計量檢定的標準裝置。

        FP系列流速儀;檢定系統(tǒng);伺服控制;數(shù)據(jù)采集;誤差分析

        0 引言

        流速是水文觀測的基本要素之一,既對水利工程建設、水資源配置等具有重要的決策作用,又與生態(tài)環(huán)境、防汛抗災、軍事行動等密切相關。準確測量流速對于掌握水資源的時空變化規(guī)律、合理開發(fā)和利用水資源等都起著極其重要的作用,已成為氣象、水文、環(huán)境等多個領域的研究重點[1-2]。

        目前,應用較為廣泛的流速測量儀器主要有皮托管、旋槳(杯)式流速儀、熱線熱膜流速儀等[3-5]。近年來,隨著傳感器技術和信號處理技術的發(fā)展,基于聲學法、光學法、圖像法等多種技術的新型儀器被應用于流速測量領域,先后出現(xiàn)了超聲波多普勒流速儀、激光多普勒流速儀、粒子圖像測速儀等多種流速測量設備[6-10]。上述新型流速測量設備的出現(xiàn),有效彌補了傳統(tǒng)設備存在的缺陷,不僅提高了測量精度,并且可以實現(xiàn)無接觸及全場流速測量,但是也存在儀器價格昂貴,操作流程復雜,使用條件苛刻等問題,使其在應用中存在較大的局限性。

        FP系列流速儀是美國Global Water公司研制生產的一種便攜直讀式流速測量設備,憑借結構簡單、可靠性高、價格低廉等優(yōu)點,倍受水文工作者青睞,廣泛應用于暴雨徑流研究、城市排水工程、河流水文觀測等領域。為保證儀器測量結果的準確一致,需對其建立完備的計量檢定體系。

        目前國內外通用的流速儀檢定設備為直線靜水水槽和檢定車[11]。水槽長度多在100~200 m之間,其兩側設有軌道,檢定車在軌道上以各檢定速度攜帶被檢流速儀在靜水中運動。運動過程中,測控系統(tǒng)接收流速儀示數(shù)、檢定車速度和同步時間信號,并進行數(shù)據(jù)處理和結果分析。這種方法已得到了國際標準[12-13]和國內標準[14-15]的認可,可以滿足相應的準確度要求[16]。

        然而,上述檢定設備體積龐大,建造及維護成本高,致使專業(yè)檢定設備的數(shù)量較少,難以滿足現(xiàn)有流速測量儀器的計量檢定需求。本文旨在研制一套小型輕便式流速儀檢定系統(tǒng),旨在減小檢定設備的體積和重量,降低建造和維護成本,為FP系列流速儀及其他小型流速測量儀器提供計量保障。

        1 檢定系統(tǒng)總體設計

        1.1 結構組成與設計參數(shù)

        系統(tǒng)結構組成如圖1所示,主要包括環(huán)形水槽、伺服系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。其中,環(huán)形水槽用于為檢定裝置提供實驗所需的靜水環(huán)境;伺服系統(tǒng)可帶動被檢儀器在水槽中做圓周運動,通過調節(jié)電機轉速可模擬不同的檢定流速;測控系統(tǒng)主要包括FPGA測控模塊和上位機,用于向伺服系統(tǒng)發(fā)送控制命令并獲取系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù),包括光電編碼器反饋的負載單元位置信息、無線攝像機的圖像信息等。上位機軟件可實現(xiàn)檢定流程的自動控制,處理測試數(shù)據(jù)并生成檢定結果。

        系統(tǒng)設計目標如下:檢定速度范圍為0.1~4.5 m/s,擴展不確定度為0.01 m/s,裝置可進行快速分解、組裝、維護等工作。

        圖1 檢定系統(tǒng)結構組成

        1.2 FP系列流速儀簡介

        FP系列便攜直讀式流速儀結構如圖2所示。流速儀由受保護的渦輪流速傳感器、數(shù)據(jù)處理器和可伸縮手柄組成,其量程范圍為0.1~4.5 m/s,測量準確度為0.1 m/s。手柄的伸縮長度為1.7~4.6 m,其末端的數(shù)據(jù)處理器可記錄并顯示測量過程的平均流速,數(shù)據(jù)更新頻率為1 Hz。

        圖2 FP系列流速儀結構圖

        1.3 環(huán)形水槽

        在國內外標準中,水槽長度取決于檢定車的推進方式。自推進式檢定車較重,加減速距離較長,因而水槽長度多數(shù)在100 m以上。例如,美國國家水文儀器中心的流速儀檢定水槽長137.2 m、寬3.66 m,檢定速度為0.045~3.6 m/s。俄羅斯國家流速儀檢定水槽長150 m、寬4 m,檢定速度為0.02~6 m/s[17]。相比之下,牽引式檢定水槽較短,如德國OTT公司的水槽長度僅為50 m,寬2.9 m,檢定速度為0.05~10 m/s。由于牽引式檢定車較輕,加減速距離較短,故50 m的水槽已能夠滿足其檢定速度的要求[18]。

        為減小實驗裝置的體積、重量和建造成本,并滿足其小型輕便、可快速分解組裝的設計要求,裝置采用環(huán)形水槽取代傳統(tǒng)的直線靜水水槽,其三維模型如圖3所示。

        圖3 環(huán)形水槽三維模型

        在設計水槽的幾何尺寸時,需考慮以下幾個因素的影響。

        1)阻塞效應:實驗水槽的儲水區(qū)橫截面為高度和寬度均為有限長的矩形,與自然河道的水體截面存在較大差異。因為水槽側壁和底部的影響,使得被檢儀器周邊流體的運動速度加快,從而產生附加的測量誤差,該現(xiàn)象稱為阻塞效應。研究表明,當水槽橫截面積與流速傳感器橫截面積的比值大于150時,阻塞效應在0.68以內[19]。

        2)淺水效應:有限深水槽的底部會使興起的波系與天然水體中興起的波系不同,從而產生興波阻力誤差,稱為淺水效應。理論分析表明,當水深大于被檢儀器長度時,淺水效應會得到有效抑制,其誤差小于1%[20]。

        3)側壁效應:側壁效應是指水槽側壁形成的反射波系會對水動力造成干擾,從而產生測量誤差。理論上,當實驗水槽和水中運動物體的寬度比大于16時,側壁效應可得到有效抑制,其誤差小于0.5%[20]。

        4)讀數(shù)要求:根據(jù)數(shù)據(jù)處理需要,被檢儀器在繞水槽一周過程中,其勻速運動時間應不少于3秒,故需選擇合理的水槽圓周長度。水槽長度主要由動力系統(tǒng)加速性能、勻速段運動時間和實驗室面積等因素決定。

        綜合考慮水動力要素、傳感器大小、伺服系統(tǒng)參數(shù)、實驗室面積、勻速運動時間等影響因素,可得環(huán)形水槽幾何參數(shù)約束方程如式(1)所示:

        (1)

        式中,SP為實驗水槽橫截面積;SI為流速傳感器橫截面積;HP為實驗水槽深度;WP為實驗水槽寬度;LI為流速傳感器長度;WI為流速傳感器寬度;r為流速儀轉動半徑;a為流速儀線加速度;Vmax為最大檢定速度;R為環(huán)形水槽外半徑;

        根據(jù)式(1)可求得環(huán)形水槽幾何參數(shù)的可行域,在可行域內選取環(huán)形水槽各幾何參數(shù)如下:儲水區(qū)寬度0.8 m,流速儀轉動半徑2.8 m,內環(huán)半徑2.4 m,外環(huán)半徑3.2 m,儲水深度1.0 m。根據(jù)上述參數(shù),驗證阻塞效應、淺水效應、側壁效應等水動力要素,結果如下:水槽與流速傳感器橫截面積的比值約為630,滿足阻塞效應要求;水槽儲水深度遠大于流速傳感器長度,滿足淺水效應要求;水槽與流速傳感器寬度的比值為20,滿足側壁效應要求。

        1.4 水槽隔板

        為消除流速儀運動尾流對其后方流場的干擾,在水槽中安裝隔板,其結構如圖4所示。流速儀從水槽隔板后側啟動,加速至目標流速后保持勻速運動。在此過程中,測控系統(tǒng)讀取裝置運行的各項參數(shù)。被檢儀器旋轉一周至隔板前側時,切斷伺服電機電源,流速儀依靠慣性撞開彈簧門,在無動力狀態(tài)下運動直至停止。流速儀通過后,彈簧門在彈性鉸鏈作用下恢復原位。待水流靜止后,重復上述過程,完成其他速度下的檢定。

        圖4 水槽隔板三維模型

        1.5 伺服系統(tǒng)

        實驗裝置伺服系統(tǒng)包括伺服電機、減速機構、傳動臂等,其三維模型如圖5所示。伺服驅動器接收FPGA的脈沖信號,精確控制電機轉速;減速機構由減速器和齒輪組構成,可根據(jù)轉速要求設置減速比;傳動臂通過連接件與轉軸相連,其末端固定被檢儀器;旋轉編碼器通過彈性聯(lián)軸器與主軸連接,用于測量并反饋被檢儀器的位置信息。

        圖5 伺服系統(tǒng)結構組成3測控系統(tǒng)設計方案

        2 測控系統(tǒng)設計方案

        2.1 結構組成與工作流程

        根據(jù)上述設計要求,測控系統(tǒng)結構如圖6所示,包括計算機、無線攝像機、無線通信模塊、FPGA控制模塊、伺服電機及驅動器和光電編碼器,主要完成與上位機的通信和電機精確控制,讀取被檢儀器示數(shù)和位置信息并傳輸至上位機,根據(jù)設定的數(shù)據(jù)處理方法計算檢定結果。

        圖6 測控系統(tǒng)結構組成

        測控系統(tǒng)工作流程如圖7所示:FPGA通過伺服驅動器精確控制電機轉速,使被檢儀器在環(huán)形水槽中以預定速度做圓周運動。在此過程中,無線攝像機拍攝被檢儀器的流速示值并將圖片傳輸至上位機,識別圖片中的流速儀示值并將數(shù)據(jù)讀入上位機軟件。光電編碼器精確測量被檢儀器的轉動角度,并將測量結果反饋至上位機。上位機軟件根據(jù)標準器和被檢儀器的測量結果,計算被檢儀器在各個檢定速度下的系統(tǒng)誤差,記錄測試數(shù)據(jù)并生成檢定結果。

        圖7 測控系統(tǒng)工作流程

        2.2 測控系統(tǒng)硬件設計

        2.2.1 測量標準器

        在該系統(tǒng)中,標準流速值v0屬于間接被測量,是由轉動角度α、轉動半徑R和采樣時間T三個直接被測量轉換而來,故需分別測量α、R和T的標準值。

        1)角度測量標準:光電編碼器是一種集光學、機械、電子等多學科于一體的角度傳感器,具有抗干擾能力強、分辨率高、可靠性好、體積小、重量輕和易于維護等優(yōu)點。通常安裝于機械設備轉軸上,可將旋轉軸的角度位移量實時轉換為數(shù)字編碼脈沖,并傳輸給計算機或其他測控設備,為機電系統(tǒng)的閉環(huán)控制提供位置反饋信息。將轉軸位置信息與時間信息相結合,還可以獲得其速度、加速度等信息,可用于系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制[21-22]。本文中選取AFS60A型光電編碼器作為角度測量標準器,通過精確測量轉動角度和采樣時間,可計算出加速時間、加速距離等信息。

        2)長度測量標準:激光測距儀是利用激光進行目標物距離測量的儀器,具有體積小、重量輕、操作簡單等優(yōu)點,在測控領域應用廣泛。本文中選取BOSCH GLM150型激光測距儀作為長度測量標準器,其測量范圍為0.05~150 m,測量精度為±1 mm,可精確測量被檢儀器的轉動半徑,結合角度標準值和時間標準值,可求得被檢儀器的運動線速度。

        3)時間測量標準:裝置選用Xilinx Spartan-6系列FPGA器件,設定時鐘頻率為100 MHz,可作為時間測量標準器。

        2.2.2 伺服驅動系統(tǒng)

        速度伺服的邏輯結構如圖8所示。對于伺服系統(tǒng)來說,速度伺服可視為位置伺服的一部分,二者屬于串聯(lián)關系。位置偏差量經(jīng)比例控制器KPP運算后得到修正值,并送入速度控制單元進行速度控制。位置偏差量的修正信號轉變?yōu)樗俣人欧哪M電壓信號。在速度控制中,編碼器將脈沖信號反饋至位置伺服單元,將轉換后的速度信號反饋至速度伺服單元,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制[23]。

        圖8 速度伺服邏輯結構

        2.3 測控系統(tǒng)軟件設計

        根據(jù)實驗裝置的硬件結構和工作流程,測控軟件需滿足如下要求:實現(xiàn)測試檢定工作的自動化,系統(tǒng)可以根據(jù)設定的參數(shù)自動完成測試檢定工作,并生成具體的測試檢定結果;具有數(shù)據(jù)存儲與查詢功能,可保存測試檢定結果;可以進行基本參數(shù)設定、通信端口設置、數(shù)據(jù)導入導出、人員信息管理和登錄權限設定等。

        按照上述功能要求,測控軟件可分為系統(tǒng)登錄、儀器管理、測試管理、檢定管理、通信模塊、系統(tǒng)信息維護和歷史數(shù)據(jù)查詢等7大模塊,系統(tǒng)各主要功能模塊如圖9所示。

        1)系統(tǒng)登錄模塊:判定用戶身份,實現(xiàn)分權限登錄以及注銷功能;

        2)儀器管理模塊:在進行測試檢定前,對被檢儀器辨識信息與計量性能等進行登記并可進行修改、刪除等管理維護操作;

        3)測試管理模塊:根據(jù)任務要求,對測試檢定流程進行監(jiān)控與管理,并對所得數(shù)據(jù)進行初步處理;系統(tǒng)執(zhí)行測試任務時,其它功能模塊將被禁止;

        4)檢定管理模塊:對相關儀器的檢定規(guī)程進行管理,并能按照儀器檢定規(guī)程的規(guī)定,自動執(zhí)行檢定任務,對實驗數(shù)據(jù)進行處理并給出檢定結果;系統(tǒng)執(zhí)行檢定任務時,其它功能模塊將被禁止;

        5)通信模塊:測試和檢定管理模塊實現(xiàn)的基礎,主要與FPGA進行通信,實現(xiàn)對標準裝置的監(jiān)控功能,獲得標準器測量數(shù)據(jù);

        6)系統(tǒng)信息維護模塊:人員管理功能,一般權限賬戶實現(xiàn)個人信息和密碼的維護及更新,管理員賬戶除此功能外還能對系統(tǒng)登錄人員進行管理;對數(shù)據(jù)的備份與還原功能;對上位機與下位機通信端口配置功能;

        7)歷史數(shù)據(jù)查詢模塊:對測試檢定數(shù)據(jù)、結果進行查詢與管理,審核員可以對結果進行審核,審核通過后可生成測試報告、檢定證書等。

        圖9 測控系統(tǒng)軟件功能模塊

        2.4 數(shù)據(jù)處理方法

        為獲得更準確的測量結果,F(xiàn)P系列流速儀采用累加平均的數(shù)據(jù)處理方式,即顯示自測量開始時刻至最近一次數(shù)據(jù)更新時刻整個時間段內的平均流速。測控系統(tǒng)需計算勻速運動時被檢儀器各采樣時刻之間的平均流速值以及檢定裝置測得的標準流速值。

        以流速檢定點v0=4.5 m/s為例,說明該裝置的數(shù)據(jù)讀取及處理方法。伺服系統(tǒng)帶動被檢儀器加速至檢定流速v0=4.5 m/s,此后進行勻速運動。隨著測量時間的延長,被檢儀器示值逐漸接近于檢定流速。根據(jù)伺服系統(tǒng)的相關參數(shù)和流速儀的測量特性,可得實驗裝置的標準速度曲線和被檢儀器的示值變化曲線如圖10所示。

        圖10 速度變化曲線

        在勻速段內,設ti時刻編碼器測得角度值為αi,則在[ti,ti+1]時間段內,實驗裝置的平均運動速度為:

        (2)

        設實驗裝置的勻速運行段可分為N秒,則標準流速值為:

        (3)

        設tj時刻被檢儀器示數(shù)為vj,則在[tj,tj+1]時間段內,被檢儀器測得的平均流速:

        (4)

        計算整個測量過程中各個時間段內測量誤差的平均值,可求得被檢儀器的系統(tǒng)誤差Δv:

        (5)

        3 檢定系統(tǒng)測量誤差分析

        3.1 函數(shù)隨機誤差數(shù)學模型

        間接測量是指測量與被測量相關的其他量,通過已有函數(shù)關系計算出被測量的過程。因此,間接測量誤差是各直接被測量測量誤差的函數(shù),稱為函數(shù)誤差[24]。

        在該系統(tǒng)中,計算標準流速值v0的數(shù)學模型如公式(6)所示:

        (6)

        式中,v0為各檢定點標準流速值;α為轉動角度;R為轉動半徑;T為采樣時間;

        其標準流速值v0為間接被測量,是直接被測量α、R和T的函數(shù)。作為測量標準裝置,其系統(tǒng)誤差可不予考慮,本文將重點討論間接測量的函數(shù)隨機誤差。

        隨機誤差是指測量過程中一系列有關因素的微小隨機波動造成的誤差,常用測量的標準差來表征其離散程度。函數(shù)隨機誤差的合成常采用方和根方法,公式如下:

        (7)

        式中,σ為間接被測量的標準差;σi為各直接被測量的標準差;ai為各直接被測量誤差傳遞系數(shù);n為直接被測量個數(shù);ρij為各直接被測量的相關系數(shù);

        在該系統(tǒng)中,直接被測量α、R和T互不相關,則相關系數(shù)ρij=0。根據(jù)式(6)和(7),可求得標準流速值v0的測量標準差:

        (8)

        3.2 各直接被測量的標準差

        1)角度測量標準差:根據(jù)AFS60A型光電編碼器的技術指標,其最大測量誤差為0.03°,轉化為弧度為Δα=1.67×10-4π。設該誤差服從正態(tài)分布,取置信概率為99%,置信因數(shù)k=3,則角度測量標準差σα=5.57×10-5π。

        2)半徑測量標準差:裝置選用BOSCH GLM150型激光測距儀,其最大測量誤差為ΔR=10-3m。設該誤差服從正態(tài)分布,取置信概率為99%,置信因數(shù)k=3,則半徑測量標準差σR=3.3×10-4m。

        3)時間測量標準差:裝置選用Xilinx Spartan-6系列FPGA器件,設定時鐘頻率為100 MHz。因流速儀示值更新時刻與光電編碼器采樣時刻無法實現(xiàn)完全同步,則時間不同步造成的最大偏差為ΔT=10-8s。設該誤差服從正態(tài)分布,取置信概率為99%,置信因數(shù)k=3,則時間測量標準差σT=3.3×10-9s。

        3.3 合成標準差

        當檢定速度取最大值時,運動時間T最小,此時T的取值范圍為T<5 s。由上文可知,α的最大取值為2π,R的取值為2.8 m,由此可獲得標準流速值v0的最大測量標準差σv0≈4.26×10-4m/s。取置信概率為99%,則標準流速值v0的擴展不確定度為Uv0=3σv0=1.28×10-3m/s,遠小于實驗裝置預期的擴展不確定度0.01 m/s。因此檢定系統(tǒng)計量特性滿足設計要求,可作為FP系列流速儀檢定的標準裝置。

        4 結論

        本文提出了一種小型輕便式流速儀檢定系統(tǒng)設計方案,并對其結構組成和工作流程進行了介紹,依據(jù)阻塞效應等約束參數(shù)設計了環(huán)形水槽的幾何尺寸,對測控系統(tǒng)的軟硬件功能和控制邏輯進行了深入分析,設計了采用FPGA進行伺服系統(tǒng)控制和信號采集的方案,實現(xiàn)了測控軟件與FPGA模塊和無線攝像機的數(shù)據(jù)通信,并對實驗裝置的測量誤差進行了分析。結果表明,標準流速值測量結果的的擴展不確定度為1.28×10-3m/s,遠小于預期的擴展不確定度0.01 m/s。因此實驗裝置的計量特性滿足設計要求,可作為FP系列流速儀檢定的標準裝置。

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        Design of Small and Portable Verification System for Hydrometric Propeller

        Zhang Long, Ye Song, Zhou Shudao, Wang Min

        (College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, China)

        In order to meet the measurement requirement of the FP series hydrometric propellers,a design scheme of a portable test and verification system is presented in this paper.The geometric parameter of the annular flume is designed based on the constraint conditions such as uniform motion time. FPGA and upper monitor are used as the core of data processing and control which can control the rotation speed of servo motor accurately.The communication mode between photoelectric encoder and wireless camera with upper monitor is designed. Consequently, the standard flow velocity value and the flow probe indication value can be read into the upper monitor.In addition, the processing methods of test data and the structure of control software are analyzed.Furthermore, the measurement error of the experimental device is studied. The results show that the expanded uncertainty of standard flow velocity is 1.28×10-3m/s, which meets the design requirement of the calibrating device. In other words, the device can be used as the calibration standard device of FP series hydrometric propellers.

        FP series hydrometric propellers; verification system; servo control; data acquisition; error analysis

        2017-02-21;

        2017-03-21。

        國家自然科學基金(40976062);江蘇省自然科學基金(BK2012513);國家自然科學基金青年基金(41406107)。

        張 龍(1992-),男,山東濰坊人,碩士研究生,主要從事海洋水文儀器及其計量技術方向的研究。

        葉 松(1970-),男,江蘇南京人,副教授,碩士生導師,主要從事海洋水文儀器及其計量技術方向的研究。

        1671-4598(2017)12-0034-05

        10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.009

        TH764

        A

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