基于热仿真与BP神经网络的表面测温修正方法与流程

本发明涉及接触式温度测量与测温误差补偿领域，尤其涉及基于热仿真与bp神经网络的表面测温修正方法。

背景技术：

1、接触式表面温度传感器广泛用于低温储运设备、石化装置、压力容器及高温管道的运行监测。实际测量时，传感器与被测体之间的接触传热、传感器封装向周围流体的对流散热、与周围表面的辐射换热以及感温元件的热惯性共同影响原始温度示值，且上述影响随环境温度、流体状态、接触压力、材料热物性和结构尺寸而变化。

2、现有表面测温方法多采用实验室静态校准系数或针对单一温区、单一安装状态建立经验修正关系，难以覆盖-60～600℃范围内温差方向、对流强度、辐射边界和接触状态的组合变化。仅依据有限实测样本训练单一总误差模型时，各类传热误差缺少可辨识标签，模型难以输出主导误差来源；仅使用传热仿真结果时，又可能因材料参数、接触状态和现场边界偏差而产生仿真域与实测域之间的系统残差。

3、此外，持续在线调整神经网络全部参数容易受到错误参考值、域外工况和长期累积更新的影响而发生补偿漂移。现有技术通常未同时限定参考温度的可溯源状态、可信覆盖区间宽度、分量一致性残差、更新幅度及离线参数回退条件，因而难以在输出修正温度的同时给出可信边界并维持在线补偿稳定性。

4、因此，需要一种能够解决上述现有技术不足的基于热仿真与bp神经网络的表面测温修正方法。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出基于热仿真与bp神经网络的表面测温修正方法，针对现有技术中静态校准难以处理传导、对流、辐射、接触与动态滞后的工况耦合，仿真误差分量与实测总误差缺少统一校准链，并且在线学习易发生补偿漂移的问题，提出了采集表面测温工况特征，以瞬态共轭传热仿真数据形成分量标签并训练多输出bp神经网络，以可溯源参考表面温度试验残差校准输出端参数和工况权重，合成总补偿量、主导误差类型及可信覆盖区间，并根据在线校准判据对参数进行限幅更新或冻结的技术方案，本发明具备改善跨温区、跨环境测温修正一致性，识别主导误差并抑制在线补偿漂移的技术效果。

2、本发明提供了一种基于热仿真与bp神经网络的表面测温修正方法，包括：

3、s1、采集接触式表面温度传感器的原始温度示值及其时间变化率、环境温度、局部对流状态、周围辐射温度、接触状态和传感器及被测体材料结构参数，形成工况特征向量；

4、s2、将所述工况特征向量输入基于瞬态共轭传热仿真数据训练得到的、经可溯源参考表面温度试验数据校准的多输出bp神经网络，输出接触与导热、对流、辐射和动态滞后误差分量及对应的非负工况权重；

5、s3、按所述非负工况权重合成各误差分量，得到总补偿量和各误差分量的贡献量，将所述总补偿量加至所述原始温度示值得到修正表面温度；

6、s4、按贡献量绝对值排序确定主导误差类型，并依据工况匹配的实测残差分布确定所述修正表面温度的可信覆盖区间；

7、s5、获得可溯源参考表面温度时，依据所述可溯源参考表面温度、所述修正表面温度、所述可信覆盖区间和所述总补偿量设置在线校准判据；未获得时，将所述判据设置为不满足预设更新条件；

8、s6、按所述判据，满足所述预设更新条件时限幅更新误差分量输出端参数或所述非负工况权重，不满足时冻结参数。

9、可选的，s1包括：由传感器采集电路获得所述原始温度示值并按相邻采样时刻的示值差与采样时间间隔确定所述时间变化率；

10、由环境温度传感器获得所述环境温度，由流速传感器、流体温度传感器或基于流动边界条件的换热计算获得表征流体温度、流速和对流换热系数中至少一项的所述局部对流状态，由辐射温度传感器或周围表面温度及发射率计算获得所述周围辐射温度；

11、以接触压力、接触面积和接触热阻中至少一项表征所述接触状态，并将传感器封装尺寸、感温元件位置、材料导热系数和热容量以及被测体厚度、导热系数和热容量作为所述材料与结构参数；

12、按照离线训练样本中各参数的取值范围对各参数进行归一化，形成所述工况特征向量。

13、可选的，s2包括：所述瞬态共轭传热仿真数据通过如下方式获得：建立包含被测体、接触层、传感器封装、感温元件、周围流体和辐射边界的有限元瞬态共轭传热模型，在-60～600℃的被测表面温度范围内组合设置环境温度、流体状态、辐射边界、接触状态及材料与结构参数；

14、分别计算未安装传感器时的未扰动表面温度和安装传感器后的感温元件温度，并以所述未扰动表面温度与所述感温元件温度之差作为总误差标签；

15、提取接触边界导热热流、传感器外表面对流热流、传感器外表面辐射热流和感温元件瞬态蓄热量，按照预设边界热流分离顺序换算并归一化各热流对应的等效温差，形成接触与导热误差分量、对流误差分量、辐射误差分量和动态滞后误差分量的分量标签，并使各分量标签的合成值与所述总误差标签相对应；

16、进一步的，所述多输出bp神经网络包括接收所述工况特征向量的共享隐藏层、分别输出四种误差分量的四个误差分量输出端以及输出所述非负工况权重的工况权重模块；

17、所述工况权重模块至少根据原始温度示值与环境温度之差、所述时间变化率、由所述局部对流状态归一化得到的对流换热状态量、由所述周围辐射温度归一化得到的辐射换热状态量和由所述接触状态归一化得到的接触传热状态量生成四个非负数，并对所述四个非负数进行和为一的归一化；

18、训练损失包括各误差分量与相应分量标签之间的分量损失、各误差分量按所述非负工况权重合成的误差与所述总误差标签之间的一致性损失以及违反相应边界热流方向的符号约束损失；

19、进一步的，所述可溯源参考表面温度试验数据按照温区、原始温度示值与环境温度的温差方向、对流换热系数区间和接触状态区间划分为多个工况单元；

20、在每一工况单元内，将可溯源参考表面温度与同步取得的原始温度示值之差作为实测总误差，将各误差分量按所述非负工况权重求和得到所述总补偿量，并将所述实测总误差与所述总补偿量之差作为配对残差；

21、在保持所述共享隐藏层不变的条件下，根据所述配对残差校准各误差分量输出端的偏置、尺度以及所述非负工况权重中的至少一项，得到与各工况单元对应的离线校准参数。

22、可选的，s3包括：对每一误差分量应用当前工况单元对应的偏置和尺度，将校准后的误差分量与对应的非负工况权重相乘得到该误差分量的贡献量，并对四种误差分量的贡献量求和得到所述总补偿量；

23、当所述工况特征向量处于相邻多个工况单元的边界区域时，根据所述工况特征向量到各相邻工况单元中心的归一化距离对各相邻工况单元的离线校准参数进行插值，并利用插值得到的参数计算所述总补偿量。

24、可选的，s4包括：将各贡献量按照绝对值降序排列，并将排列首位的贡献量对应的误差分量确定为所述主导误差类型；

25、从每一工况单元的可溯源参考表面温度试验数据中留出未用于所述离线校准参数求取的残差样本，按照预设目标覆盖概率确定所述残差样本绝对值的经验分位数，并以所述修正表面温度减去和加上所述经验分位数得到所述可信覆盖区间；

26、在当前工况同时落入两个以上相邻工况单元的适用范围时，将所述相邻工况单元的经验分位数按照数值降序排列，并采用排列首位的经验分位数扩展所述可信覆盖区间。

27、可选的，s5包括：验证所述可溯源参考表面温度的校准证书标识、有效期和测量不确定度，得到参考可溯源状态；

28、计算所述可信覆盖区间的上限与下限之差，得到覆盖区间宽度；

29、计算所述可溯源参考表面温度与所述原始温度示值之差，并减去所述总补偿量，得到分量一致性残差；

30、将所述参考可溯源状态、所述覆盖区间宽度和所述分量一致性残差组成所述在线校准判据。

31、可选的，s6包括：将所述参考可溯源状态为有效、所述覆盖区间宽度不大于由离线验证数据确定的宽度阈值、所述分量一致性残差的绝对值不大于由离线验证数据确定的一致性阈值且所述工况特征向量仅落入一个离线校准参数适用范围设置为所述预设更新条件；

32、在满足所述预设更新条件时，以所述分量一致性残差减小为目标更新与该适用范围关联的误差分量输出端偏置、尺度或非负工况权重，并将每次更新量限制在由离线验证数据确定的对应参数更新幅度内；

33、在不满足所述预设更新条件时停止更新，并在存在当前采样时刻前已调用且适用范围覆盖当前工况的离线校准参数时继续调用该参数，同时保持输出所述修正表面温度和所述可信覆盖区间；

34、进一步的，为每一离线校准参数版本设置版本标识、工况特征向量适用范围和验证时间；

35、当所述工况特征向量超出当前版本的适用范围、连续达到由离线验证数据确定的预设采样次数不满足所述预设更新条件或调用在线更新参数后所述在线校准判据由满足所述预设更新条件变为不满足所述预设更新条件时，撤销在线更新后的误差分量输出端参数或非负工况权重，回退并依据所述版本标识调用最近一次通过离线验证且适用范围覆盖当前工况的离线校准参数；

36、不存在适用范围覆盖当前工况的离线校准参数时，冻结参数，先输出当前工况超出可信覆盖范围的状态标识并停止将步骤s4计算得到的区间作为可信覆盖区间输出。

37、本发明的有益效果是：

38、1、通过瞬态共轭传热模型形成接触与导热、对流、辐射和动态滞后误差分量标签，并由多输出bp神经网络结合非负工况权重进行合成，使总补偿量能够随传热状态变化而调整，同时可由分量贡献量确定主导误差类型。

39、2、通过在工况单元内以可溯源实测总误差与总补偿量之间的配对残差校准输出端偏置、尺度或工况权重，能够修正仿真边界与现场条件之间的系统差异，并通过留出残差经验分位数给出修正表面温度的可信覆盖区间。

40、3、通过以参考可溯源状态、覆盖区间宽度、分量一致性残差和离线参数适用范围共同控制在线更新，对更新幅度进行限制，并在条件不满足或工况越界时冻结、撤销或回退参数，可降低错误参考、域外工况和长期在线更新引起的补偿漂移。