多元气体校准仪的偏差自动检测系统研究

李媛，刘文秀

（天津市生态环境监测中心，天津，300191）

0 引言

在环境空气质量自动监测系统中，多元气体校准仪发挥着极其重要的作用，而多元气体校准仪检测数据的精准度对整个监测工作产生着重要的影响，因此在环境空气质量自动监测系统中，多元气体校准仪的性能起着至关重要的作用。如何保证多元气体校准仪的性能满足要求成为环境空气质量领域极其关心的问题。当多元气体校准仪存在检测结果偏差较大的问题时，会严重影响空气质量监测的结果。因此，在多元气体校准仪应用之前需要对气体校准仪进行流量偏差检测，以保证所使用的多元气体校准仪的流量偏差符合要求。

本文基于对多元气体校准仪的偏差检测系统进行自动检测的方法，由原有的人工逐个检测方法改为自动检测，进而大幅提高检测效率。

1 实现方法

1.1 系统的组成

多元气体校准仪的流量偏差检测系统包括：校准仪101、流量计102、工控机103、多串口通信卡104、数字量采集器105、开关电源106、电磁阀107和接口转换器108。

校准仪为多个；每个校准仪的气体入口均与零气源连通，每个校准仪的气体出口均与流量计的气体入口连通；在每个校准仪的气体入口处均设置有一个电磁阀；工控机的通信接口与多串口通信卡的总线接口连接，多串口通信卡的多个端口分别与流量计、数字量采集器和多个校准仪电连接；数字量采集器的多个输出接口分别与多个电磁阀电连接；校准仪用于控制并采集管道内的流量大小；工控机用于向校准仪输出流量指令并采集所述校准仪的流量大小，还用于打开待测校准仪所对应的电磁阀，关闭除待测校准仪所对应的电磁阀以外的电磁阀，并采集所述流量计的流量值；在同一时刻，最多只有一个电磁阀处于打开状态。

流量计进行平行试验的系统中，多串口通信卡的型号为MOAX CP-168U，数字量采集器的型号为C2000 MD88；校准仪的数量为3个，多串口通信卡的COM3～COM5接口分别连接一个校准仪；多串口通信卡的COM4接口与所述流量计电连接；多串口通信卡的COM10接口通过接口转换器与数字量采集器连接。

1.2 实现过程

1.2.1 流量值测定流程

打开待测校准仪的气体入口处的电磁阀，关闭除待测校准仪以外的校准仪的气体入口处的电磁阀。向待测校准仪通入零气，同时向待测校准仪发送预设的流量指令，使待测校准仪按照预设的流量指令调整开合程度；实时获取待测校准仪检测的流量值，根据待测校准仪检测的流量值判断流量是否稳定。

当流量稳定后获取流量稳定后的待测校准仪与流量计检测到的流量值；判断是否所有的校准仪均完成检测，得到第一判断结果；若第一判断结果表示否，则更换待测校准仪并返回步骤“向待测校准仪发送流量指令，使待测校准仪按照流量指令调整开合程度”；若第一判断结果表示是，则根据流量稳定后的待测校准仪与流量计检测到的流量值判断各个校准仪的检测偏差。

实时获取待测校准仪检测的流量值，根据待测校准仪检测的流量值判断流量是否稳定，具体包括：向待测校准仪发送流量指令的时刻为初始时刻；实时并连续获取所述校准仪的流量值，得到实时流量序列；判断当前时刻距离所述初始时刻的时长是否大于第一预设时长，得到第二判断结果；若第二判断结果表示否，则继续获取校准仪的流量值；若第二判断结果表示是，则判断当前时刻与距离当前时刻的时长为第二预设时长的时刻之间的时间段的流量值是否在预设范围内，得到第三判断结果；第二预设时长小于所述第一预设时长；若第三判断结果表示是，则确定所述第一判断结果为流量稳定；若第三判断结果表示否，则获取下一流量值，并更新当前时刻为下一流量值所对应的时刻；判断更新后的当前时刻距离所述初始时刻的时长是否小于第三预设时长，得到第四判断结果；所述第三预设时长大于所述第一预设时长；若第四判断结果表示是，则返回步骤“判断当前时刻与距离当前时刻的时长为第二预设时长的时刻之间的时间段的流量值是否在预设范围内”；若第四判断结果表示否，则确定所述第一判断结果为流量异常，发出故障报警。

向校准仪发送所述预设的流量指令，使所述待测校准仪按照预设的流量指令调整开合程度，具体包括：每隔第四预设时长向待测校准仪发送一次预设的流量指令，发送顺序为按照预设流量值从低到高的顺序依次发送。

1.2.2 流量值判定方法

多元气体校准仪流量的偏差检测方法，是根据流量稳定后的待测校准仪与流量计检测到的流量值判断各个校准仪的流量偏差是否合格。

利用线性回归算法，即Excel软件中的slope函数和intercept函数计算流量稳定后待测校准仪检测到的流量值与流量稳定后流量计检测到的流量值之间的斜率和截距；利用相关性函数，即Excel软件中的correl函数计算流量稳定后待测校准仪检测到的流量值与流量稳定后流量计检测到的流量值之间的相关系数。将斜率、截距和相关系数均与对应的预设阈值范围进行对比，进而确定待测校准仪的流量检测偏差是否合格。

2 数据分析

该实验以美国热电公司的多元气体校准仪146I为例，对3台146I的零气质量流量计分别进行2、3、4、5、6、7、8 L/min7个点的流量自动检测，每个流量值检测三次，检测结果见表1和图1。

图1 多元气体校准仪的偏差检测系统连接图

表1 多元气体校准仪流量偏差检测结果统计 单位：（L/min）

图1 不同标准流量值下流量偏差检测结果

结果显示，3台多元气体校准仪146I流量值的准确度测试结果中1#校准仪3个流量值超出了规范中要求的+1%的范围，分别为：2.953、2.963和3.954（L/min）；2#校准仪4个流量超标值，分别为：2.966、3.954、3.959、3.955和4.945（L/min）；3#校准仪流量值均能达到规范要求。3台校准仪的截距a、斜率b和相关系数r的值均能满足a<满量程+1%、0.99≤b≤1.01和r>0.9999的指标要求。

1#校准仪流量自动检测结果中，14%流量值的准确度不合格；2#校准仪19%流量值的准确度不合格；2#校准仪的流量值全部合格。针对检测结果，可以对1#和3#校准仪零气质量流量计未达到指标要求的流量点，3、4和5 L/min的流量点进行调节后再次进行自动检测。

3 结论

多元气体校准仪的偏差检测系统进行自动检测的方法，可以大幅提高检测效率。构建多元气体校准仪的偏差检测系统，对流量偏差进行维稳判定，利用线性回归算法获得流量偏差的指标结果，通过实验数据再次验证该方法可以精准针对流量值准确度不合格的流量点进行调节后再次进行自动检测，进而可以将自动检测取代原有的人工逐个检测方法。