CN219474669U - 一种基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准***，包括按照树形拓扑结构分布安装的标准仪器仪表和若干个被校准仪器仪表、以及若干个手持移动通信同步数据采集定位终端、云服务器数据处理平台和卫星同步授时定位平台；标准仪器仪表安装在根节点处，被校准仪器仪表安装在各分支节点处，并且标准仪器仪表和被校准仪器仪表均为测量同一体系能量流动分支的相应量值的仪器仪表；标准仪器仪表和被校准仪器仪表的外表面均分别贴附有与其相对应的唯一标识二维码。本实用新型简单实用、易实现、构建成本低、校准效率高、性能稳定，能实现对被校准仪器仪表实时在线、广域远程校准，具有同步时间精度高、数据采集同步误差小等功能特征。
Description
技术领域
本实用新型属于工业计量技术领域，涉及工业计量领域的在线仪器仪表(传感器)校准***，尤其涉及了一种基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准***。
背景技术
通常情况下对仪器仪表(传感器)的校准，标准器与被校准器之间是一对一、或单节点多个相同测量范围(量程)的仪器仪表(传感器)进行生产线下或实验室环境下进行校准。大规模工业生产体系，仪器仪表通常是树形拓扑多节点、多层级分布安装在工业流程的各环节，实现对电能、流量、压力、温湿度等物理量精确采集。仪器仪表在工业过程中受环境因素影响老化失准在所难免，需要经常对其准确度进行测试校准。但仪器仪表从生产线上拆装送检，往往对正常的生产造成影响，也增加了仪器仪表运行维护的成本。另外，工业生产的工艺流程中传输线路、管路的埋设布局上比较复杂、节点间距离远，安装检测设备及铺设数据采集网络投入大，而通过人工进行数据处理工作量大，因网络延时和干扰造成同步性差，数据处理困难。
工业现场的电能、热能、水能等能量流动，在各环节节点的输入和输出传递遵循能量守恒定律，即同一时间段第i节点计量累积增量ΔEi理论上等于第i+1层级各节点计量累积增量求和∑ΔE(i+1)即(ΔEi＝∑ΔE(i+1))。因此，只需要保证总节点的仪器仪表有足够的准确度，即可实现对其下级所有节点上仪器仪表的测试校准，可有效降低检测成本，提高检测效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有仪器仪表(传感器)校准中存在的在线远程广域校准方法手段上的不足，提供了一种简单实用、易实现、构建成本低、性能稳定，能实现对被校准仪器仪表(传感器)实时在线、广域远程的基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准***。该在线仪器仪表校准***针对在工业环境的计量过程中，能量传输总是以树形拓扑结构逐级分发传递的特点，通过云计算机对采集到的各节点计量数值进行树形分支的拓扑分析，实施能量流动的动态实时平衡监测的同时，可对当前在线计量仪器仪表精度等级进行校准、对其测量范围(量程)与能耗使用情况是否匹配进行判定，确定最优精度等级匹配方案；同时还可对存在的工业能耗泄漏和异常损耗进行预警。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准***，包括按照树形拓扑结构分布安装的标准仪器仪表和若干个被校准仪器仪表、以及若干个手持移动通信同步数据采集定位终端(简称：同步采集定位终端)、云服务器数据处理平台(简称：云平台)、卫星同步授时定位平台；所述标准仪器仪表安装在根节点处，所述被校准仪器仪表安装在各分支节点处，并且所述标准仪器仪表和所述被校准仪器仪表均为测量同一体系的能量流动分支的相应量值的仪器仪表；所述标准仪器仪表和所述被校准仪器仪表的外表面均分别贴附有与其相对应的唯一标识二维码；所述手持移动通信同步数据采集定位终端，用于扫描识别采集仪器仪表上的测量数据以及仪器仪表上的唯一标识二维码，并将测量数据及标识数据传输给云服务器数据处理平台。
本实用新型中，标准仪器仪表(传感器)测得高准确度等级的标准比较值，用于计算被校准仪器仪表(传感器)的测得值的误差；能量流动量值间具有平衡关系，即同一时间段各节点上测得的量值是其下属各分支上测得量值的总和，各层级仪器仪表(传感器)测量的能量按树形分支关系流动，所述标准仪器仪表(传感器)位置处于各分支节点的顶端(即根节点)，所述被校准的仪器仪表(传感器)通常为多层级树形分支结构，但不局限于树形分支结构，还可以是其他能量流动平衡的网络结构。
所述采集到的标准仪器仪表(传感器)、被校准的仪器仪表(传感器)的测得量值与仪器仪表(传感器)对应的扫描的定位地点(经纬度坐标)、触发时间等参数，结合能量流动平衡关系(即节点上测得的量值是其下属各分支上测得量值的总和)，由云平台计算出各被校准的仪器仪表(传感器)的实际测量误差，如果被校准的仪器仪表(传感器)实际测量误差小于其允许误差准确度等级则符合要求，否则不符合要求。
所述能量包含但不局限于电量、热量等可以换算为能量当量的其他物理量；所述云平台可以是单一的数据处理节点，也可以是分布式多节点的数据处理平台。
本实用新型进一步说明，所述同步采集定位终端的数据采集时间由卫星同步授时定位平台(卫星授时定位***，如北斗***、GPS***等)进行同步授时，完成测量数据的同步采集操作，不受地面通信网络通信延时时间的影响。同步采集定位终端采集到的数据(扫描唯一标识二维码和扫描采集测量读数)与仪器仪表(传感器)对应的扫描的定位地点(经纬度坐标)、授时时间严格绑定相互对应关系；同步采集定位终端采集到的数据可分别在终端和云服务器数据处理平台完成相应识别和计算处理，并在同步采集定位终端或云服务器数据处理平台的网络终端显示计算结果。
本实用新型进一步说明，所述唯一标识二维码记载有其所贴附的仪器仪表的名称、型号规格、编号、准确度等级(器具允许误差)、检定/校准编号和有效时限等技术参数以及经纬度坐标信息。
在本实用新型中，通过同步采集定位终端和云平台，对各节点设定同步采样时刻和测量时间间隔；进行能量测量物理量采集时，确保数据采集以设定的拍照时刻，严格与卫星授时同步，按设定的时刻扫描各测量节点二维码，获取各节点计量标识信息的同时，对计量器具显示物理量的数字图像识别转换成采集检测数据，与GPS定位信息合并上传云平台服务器分析计算。
在本实用新型中，通过所述云平台对实时测量值、定位参数计算获得的能耗计量节点的拓扑关系，自动生成工业生产现场环境的各能流节点的拓扑网络图。根据各节点的从属关系，对仪器仪表进行测试校准，评估仪器仪表的准确性。
在本实用新型中，所述的标准仪器仪表(传感器)、被校准的仪器仪表(传感器)信息进行二维码标识后，在设定的时间间隔和采集频次下检测各节点能流计量的累积增量。如果出现不同节点的累积增量的相近的累积增量ΔE，可在程序设计上通过自动增加检测频次、调整采集时间间距的方法，区分出不同器具的累积增量对应的拓扑节点位置。
由于拓扑结构中树根节点的累积增量数值等于下一级各分支计量累积增量的总和。对传输线路、管路埋设布局复杂的工业现场，尽管有时无法勘察传输线路的具体连接情况，但仍可根据能流传输过程的平衡关系(能量守恒规律)、树形拓扑结构逐级分发传递的特点，通过计算机对采集到的各个计量节点的计量数据进行遍历验算，搜寻并找出节点累积增量等于各分支累积增量之和的汇集节点，确定节点在拓扑序列的相互从属关系，结合GPS定位信息绘制出直观可视的树形分支拓扑结构图。
在本实用新型中，所述的被校准表与标准表的误差关系：如果在拓扑结构的第i级根节点安装的是标准计量器具，对其后连接的第i+1级的所有工作计量器具同时进行校准比对，只要满足上一级标准计量器具的相对允许误差εi不大于其所连接的后一级各计量器具相对允许误差(εi+1)j的三分之一，同时测得的后一级相对误差δj不大于其允许误差的三分之一，即可判断在线对被校准计量器具达到准确度要求，否则认为被校准器具超差。
在本实用新型中，所述的被校准计量器具在运行时计量累积数值是各器具相同采样时间间距Δt的函数，因此有以下关系式：
根据计量器具的误差是仪器的固有属性，不受测量采样时间间距Δt影响。因此如果第i级根节点后连接有k台计量器具，即可通过k次采样得到以下方程组：
(ΔEi)1、(ΔEi)2……(ΔEi)k分别为第i级节点的k次计量累积增量测得值；
(ΔE1)1、(ΔE1)2……(ΔE1)k分别为第i+1级的第1台计量器具对应的k次计量累积增量测得值；
(ΔEk)1、(ΔEk)2……(ΔEk)k分别为第i+1级的第k台计量器具对应的k次计量累积增量测得值。
这些测得值均为独立事件，因此：
上式表明通过测量第i节点(ΔEi)的值可以求解第i+1节点第j台计量器具(ΔEj)的误差为δj，即实现用上一级节点的计量器具的准确度确定下一级第j台计量器具的在误差δj范围内的实测值。
由(4)(5)(6)式解得：
如果解得的δ1、δ2…δk小于与其对应的计量器具的准确度等级允许误差的三分之一，则表明该被校准器具计量性能工作正常；否则表明器具异常或存在能耗泄漏或线路损耗超差，需进行检查维护。
所述的工业现场在线校准与实验室校准存在的另一个显著区别就是实验室能严格按照检定规程或校准规范提供稳定可复现的实验环境条件，比如温度、湿度、电磁辐射、线路谐波干扰等条件是稳定可控的，而工业现场由于环境条件比较复杂，环境参数对校准的影响是偶发性的，往往存在不可预见性。
考虑到这些环境因素的影响在足够长的观测时间范围内，其偶发性影响与检测时间间隔Δt无相关性。因此，在适当增加检测频次、调整采集时间间距，通过足够长的观测时间拟合(一般为几天)的情况下，式(4)、(5)、(6)、(7)仍然成立，因而只要保证作为标准的根节点计量器具使用环境条件满足要求，环境波动产生的误差因素是可以消除的。
本实用新型进一步说明，所述的标准仪器仪表(传感器)和被校准的仪器仪表(传感器)所测量的能量流动关系不局限于树形分支结构。对于其他能量流动平衡的网络结构，可通过在相应节点增加标准仪器仪表(传感器)进行网络切分(如图3)，将标准仪器仪表(传感器)A1测得的流经L支路的电能，追加到被校准仪器仪表(传感器)B2测得值中，相应从被校准仪器仪表(传感器)B1测得值中扣除，即可将能量流动网络切分为若干(如图3为两个)树形分支结构分别进行校准。
本实用新型的有益效果：
本实用新型简单实用、易实现、构建成本低、校准效率高、性能稳定，能实现对被校准仪器仪表(传感器)实时在线、广域远程校准，具有同步时间精度高、数据采集同步误差小等功能特征。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的***结构示意图。
图2是能量流动平衡传递拓扑结构示意图。
图3是非树形拓扑网络的***结构切分为若干个树形分支***结构示意图。
图4是本实用新型在应用实例中节点遍历验算后的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准***，包括按照树形拓扑结构分布安装的标准仪器仪表A和若干个被校准仪器仪表B1，B2···Bk、以及若干个同步采集定位终端C1，C2···Ck+1、云服务器数据处理平台D(简称：云平台D)和卫星同步授时定位平台；所述标准仪器仪表A安装在根节点处，所述被校准仪器仪表B1，B2···Bk安装在各分支节点处，并且所述标准仪器仪表A和所述被校准仪器仪表B1，B2···Bk均为测量同一体系能量流动分支的相应量值的仪器仪表；所述标准仪器仪表A和所述被校准仪器仪表B1，B2···Bk的外表面均分别贴附有与其相对应的唯一标识二维码；所述同步采集定位终端C1，C2···Ck+1，用于扫描识别采集仪器仪表上的测量数据以及仪器仪表上的唯一标识二维码，并将测量数据及标识数据传输给云平台D。
在本实施例中，所述同步采集定位终端C1，C2···Ck+1的数据采集时间由卫星同步授时定位平台进行授时，并由云平台D设定同步触发时刻和测量时间间隔。
在本实施例中，所述唯一标识二维码记载有其所贴附的仪器仪表的名称、型号规格、编号、准确度等级、检定/校准编号和有效时限以及经纬度坐标信息。
应用实例1：
某用能企业全节点、全覆盖在线电能计量器具扫码采集到的实验原始数据如表1所示。
对表1计量原始数据进行计算机树形拓扑分支分析得到各节点拓扑连接如图4所示。
从图4可以看出22号电能表，可以在线校准19号、4号电能表及其以下各层级的电能表；4号电能表可以校准3号、2号、1号电能表，可与16号电能表比对；16号电能表，可以在线校准9号、10号、18号电能表，以此类推。
表1某用能企业电能表原始数据采集情况
连续数据采集10(天)同步时间误差≤2秒
一般情况下，对于标准仪器仪表的下一级，直接相连有k台被校准的仪器仪表，需进行k次以上的等时间间距的数据采集，然后用最小二乘法按(8)式求解各被校准仪器仪表的测量误差值δ1、δ2…、δk。
本实用新型提出的基于能流平衡仪器仪表在线测试及校准方法，通过同步采集定位终端实现卫星同步定位仪器仪表设备的时钟和位置，确保数据采集以设定的拍照时刻，严格与卫星授时同步，具有数据采集同步性好，能简单快速地分析计量器具配备合理性，排查损耗异常和泄漏的特点。同时，可实现大批量、大规模、域广覆盖、实时远程地对在线仪器仪表的校准，尤其对我国2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和的远景目标实现，该***在规模化工业能耗审计及碳排放强度检测，具有重要的现实意义。
显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本实用新型所作的举例，而并非对本实用新型实施的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准***，其特征在于：包括按照树形拓扑结构分布安装的标准仪器仪表和若干个的被校准仪器仪表、以及若干个手持移动通信同步数据采集定位终端、云服务器数据处理平台、卫星同步授时定位平台；
所述标准仪器仪表安装在根节点处，所述被校准仪器仪表安装在各分支节点处，并且所述标准仪器仪表和所述被校准仪器仪表均为测量同一体系的能量流动分支的相应量值的仪器仪表；所述标准仪器仪表和所述被校准仪器仪表的外表面均分别贴附有与其相对应的唯一标识二维码；
所述手持移动通信同步数据采集定位终端，用于扫描识别采集仪器仪表上的测量数据以及仪器仪表上的唯一标识二维码，并将测量数据及标识数据传输给云服务器数据处理平台。
2.根据权利要求1所述的基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准***，其特征在于：所述手持移动通信同步数据采集定位终端的数据采集时间由卫星同步授时定位平台进行授时，完成测量数据的同步采集操作。
3.根据权利要求1或2所述的基于能量流动平衡的在线仪器仪表校准***，其特征在于：所述唯一标识二维码记载有其所贴附的仪器仪表的名称、型号规格、编号、准确度等级、检定/校准编号和有效时限，以及经纬度坐标信息。
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