一种气体流量的软测量系统研究

　　1　引言

　　流量信号是工业生产过程中一个非常重要的参数。传统的方法是用流量计直接测量流量,由于要使用与管径相当的插入部件,对流体的流动状态会造成影响,而且会产生较大的压力损失,节能效果差。评价流量计的优劣,主要是有高的测量精度,同时要有节能、环保的作用,并能满足自动测量的要求。软测量(Soft-Sensing Technique)是一种利用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息去估计不可测或难测变量的方法。软测量技术是在成熟的硬件传感器基础上,以计算机技术为核心,通过软测量模型运算处理而完成的。以软测量技术为基础,实现软测量功能的实体可称为软仪表(Soft Sensor),具有功能强、通用性好、灵活性强、性能价格比高、适用范围宽等独特优点。虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪表种类,它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合,它最大的特点是用户可以设计自己的仪器。虚拟仪器的硬件主要功能是数据的采集和转换,而它的软件在仪器的开发中才起到核心的作用。因此,虚拟仪器体现了“软件即仪器”的概念,软件在仪器中充当了以往由硬件实现的角色,由于减少了许多随时间可能漂移,需要定期校准的分立式模拟硬件,加上标准化总线的使用,使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。

　　2　软测量原理及测量系统组成

　　2·1　流量测量原理

　　特定管道截面上的流速大小直接与流量相关,可以反映出流量的变化。圆管中紊流流动,是工程技术领域最常遇到的流动状态。在水力光滑管条件下,当流体达到充分紊流时,管道截面上的流速分布会满足一定的分布规律(即数学模型);此时管道轴心处的流体流速为截面上的最大流速,由它的大小就可以确定管道截面上流速的分布具体形式。根据圆形管道的体积流量公式：

可以积分算出体积流量的大小,式中v(r)为流速分布公式。

　　常用的紊流流速分布模型主要有3种:指数分布模型、对数分布模型和对数-线性分布模型。由于在不同雷诺数下上述3种模型有不同的表达形式,在管道满足水力光滑和流动达到充分紊流时,可以认为流速分布是雷诺数的函数:

　　详细分析可参阅参考文献[1]。由此可以得出气体体积流量的大小满足以下方程组:

　　以上方程组为非线性方程组,不能直接用代数方法解出结果。但由此方程组可以得到qv= F(qv)的函数,它满足xn+1= f(xn)的迭代形式,可以用迭代计算的方法求解此方程组。实验结果表明,迭代过程收敛,即可以求解流量值,且收敛速度很快。