專利名稱：一種負壓氣體的流量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種負壓氣體的流量測量方法。該方法能實現(xiàn)對負壓狀態(tài)(絕壓小于 lOOkPa)下氣體流量的標(biāo)定與測量。屬于氣體流量測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
負壓氣體流量測量常見于需要負壓氣流的過程，如環(huán)境模擬器中大氣環(huán)境的產(chǎn)生 過程，卷煙的生產(chǎn)過程等。負壓氣體的流量測量具有如下特點1流量密度小，限制了部分流量計的使用。對于渦街流量計相應(yīng)的氣流推力小，無 法正常使用，對于超聲流量計也會產(chǎn)生阻抗匹配的困難。2不允許引入明顯的壓力損失。負壓管道上安裝流量計后增大了阻力，產(chǎn)生較大的 壓損將使動力損耗大大增加，不利于節(jié)能。所以孔板流量計、渦輪流量計、容積式流量計等 都無法適用。3流量計在負壓管道上安裝后，如果存在泄漏，很難覺察，不僅會浪費動力，而且會 嚴(yán)重破壞內(nèi)部氣體環(huán)境。綜上雖然當(dāng)前關(guān)于氣體流量測量的方法多種多樣，但是基于這些方法設(shè)計的流量 計一般僅針對表壓為正壓的情形。當(dāng)氣流壓力小于40kPa時，當(dāng)前市場上在售的流量計基 本上都無法滿足測量要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種負壓氣體的流量測量方法，尤其是絕壓小于40kPa的深 度負壓狀態(tài)下的氣體流量測量方法。發(fā)明通過流量標(biāo)定裝置確保了獲取樣本數(shù)據(jù)的可靠 性，通過對模型的分析確保了方法的可行性。為現(xiàn)階段深度負壓狀態(tài)流量測量手段近乎完 全缺失的問題提供了 一種解決方案。在流量調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)閥必不可少。負壓情形下，氣體通過調(diào)節(jié)閥的流量主要取 決于四個因素閥前壓力P1、閥后壓力P2、流量系數(shù)1^、氣流溫度T。利用調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特 點，如果建立起流量與四者的關(guān)系模型，調(diào)節(jié)閥本身即可以充當(dāng)流量計，那么通過測量上述 四者的量值，就可以間接確定負壓情形下的流量。建立模型需要多組數(shù)據(jù)樣本，由于當(dāng)前 沒有合適的流量計能夠進行絕壓小于40kPa時氣體流量的測量和標(biāo)定，所以無法確定流量 值。為此本文基于動態(tài)平衡原理提出了一種流量標(biāo)定方法，獲取了可靠的數(shù)據(jù)樣本，然后將 這些樣本作為經(jīng)驗知識對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)即能根據(jù)4個測量值計算出 相應(yīng)的流量，從而實現(xiàn)對負壓狀態(tài)下的流量測量。本發(fā)明一種負壓氣體的流量測量方法，該方法具體步驟如下步驟一得到流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量的綜合表達式。見圖1，在負壓情形下，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量的大小主要取決于閥門上游壓力P1、下 游壓力P2、氣流溫度T、流量系數(shù)&4個變量(其他相關(guān)參數(shù)近乎為定值)。因為當(dāng)閥門開 度0發(fā)生變化時，Kv值也會相應(yīng)改變，故負壓情形下的氣體流量從根本上取決于PpPyKCM個獨立變量。流量與閥門上游壓力P1、下游壓力P2、氣流溫度T、閥門開度0的綜合函數(shù)關(guān) 系可以表達為Q = f(P17 P2, T, 0)(1)確定函數(shù)關(guān)系的首要前提是采取一定的方法獲得有關(guān)流量與4個變量的有效數(shù) 據(jù)樣本。步驟二 建立流量標(biāo)定系統(tǒng)。由于負壓狀態(tài)下，特別是絕壓小于40kPa時，欠缺進行氣體流量測量和標(biāo)定的手 段，所以無法確定流量值。為此本發(fā)明基于動態(tài)平衡原理設(shè)計了一套流量標(biāo)定裝置。如圖 2所示該裝置由氣源容腔CO、壓力容腔C1/C2、緩沖腔C3、流量計F1、流量調(diào)節(jié)閥VI、粗調(diào) 閥V0/V2、精調(diào)閥V3/V4、泄壓閥V5 V8、壓力傳感器S1 S3和真空泵組成。利用該裝置流量調(diào)節(jié)閥VI為任一開度時均能夠?qū)崿F(xiàn)對壓力容腔CI、C2獨立的壓 力控制，即實現(xiàn)裝置在維持一定流量的情況下達到平衡狀態(tài)。每一個壓力容腔上均安裝一個壓力傳感器與泄壓閥。流量計安裝在氣源容腔CO 與壓力容腔C1之間。粗調(diào)閥V0、精調(diào)閥V3安裝在壓力容腔C1的上游，調(diào)節(jié)壓力容腔C1的 壓力，粗調(diào)閥V2、精調(diào)閥V4安裝壓力容腔C2的下游，調(diào)節(jié)壓力容腔C2的壓力，流量調(diào)節(jié)閥 VI充當(dāng)流量計，在一次實驗過程中其開度保持不變。假定&，？1，？2，？3分別為氣源容腔0)， 壓力容腔C1/C2，緩沖腔C3內(nèi)氣流場的壓力。因PQ為穩(wěn)定的氣源壓力，其在實驗過程中始 終保持不變，考慮到Pi，P2為負壓，將Po設(shè)定為正壓，從而滿足常規(guī)流量計使用條件。當(dāng)Po， P” P2，P3均不再變化，整個系統(tǒng)進入動態(tài)平衡，則流量計的讀數(shù)即為氣體流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥VI 的流量值。步驟三開展流量標(biāo)定實驗，獲取流量與4個變量的有效樣本數(shù)據(jù)。利用流量標(biāo)定裝置，通過改變PpPyKO中的一個或多個參量，待系統(tǒng)達到動態(tài)平 衡，記錄實際相對應(yīng)的流量值，如此得到一系列4輸入、1輸出數(shù)據(jù)，并加以整理。步驟四基于實驗數(shù)據(jù)針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。根據(jù)式(1)，流量Q與閥前壓力 Pi，閥后壓力p2，閥門開度0，氣流溫度T之間的關(guān)系是非線性的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性函數(shù)具 有很強的逼近能力，并具有一定的泛化能力。一個典型的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 其數(shù)學(xué)關(guān)系式可以表示為 其中Xi為輸入，Yj為隱層輸出，zk為輸出，whiJ為輸入層到隱層的連接權(quán)值，bj為 隱層神經(jīng)元的閾值，woJk為隱層到輸出層的連接權(quán)值，ck為輸出層閾值，fy，fz為激勵函數(shù)。 利用步驟三獲得的實驗數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，確定連接各層的權(quán)值及各個神經(jīng)元的閾 值即可得到流量Q與閥前壓力Pp閥后壓力P2，閥門開度0，氣流溫度T與的關(guān)系表達式，從 而實現(xiàn)對負壓狀態(tài)下的流量測量。
本發(fā)明的優(yōu)點及功效1、為負壓狀態(tài)下，特別是深度負壓狀態(tài)下的流量測量提供了一種可行的解決方案。2、經(jīng)濟。調(diào)節(jié)閥在流量調(diào)節(jié)回路必不可少，調(diào)節(jié)閥自身充當(dāng)流量計，就不需要再購 置其他流量計，節(jié)省了費用。3、節(jié)能。由于沒有流量計安裝在管線中，整個管線的壓降損失小，處于末端的真空 泵能夠消耗更少的能量。4、增強氣密性。由于管線內(nèi)氣體處于負壓狀態(tài)，故管線易滲漏，不引入流量計，有 利于增強整個管線的氣密性。
圖1流量控制模型示意2負壓狀態(tài)下氣體流量標(biāo)定系統(tǒng)示意3三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明流程框中符號說明如下P1 調(diào)節(jié)閥上游壓力；P2 調(diào)節(jié)閥下游壓力；0 閥門開度百分比；Q 氣體流量；CO 氣源容腔；C1/C2 壓力容腔；C3 緩沖腔；F1 流量計；VI 流量調(diào)節(jié)閥；V0/V2 粗調(diào)閥；V3/V4 精調(diào)閥；V5 V8 泄壓閥；S1 S3 壓力傳感器；Xi(i = 1,2, -I)輸入層第i個神經(jīng)元輸入；y」(j = 1,2, -J)隱層第j個神 經(jīng)元輸出；Zk(k = 1,2,輸出層第k個神經(jīng)元輸出。
具體實施例方式本發(fā)明一種負壓氣體的流量測量方法，該方法具體步驟如下步驟一得到流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量的綜合表達式。見圖1，在負壓情形下，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量的大小主要取決于閥門上游壓力P1、下 游壓力P2、氣流溫度T、流量系數(shù)&4個變量(其他相關(guān)參數(shù)近乎為定值)。因為當(dāng)閥門開 度0發(fā)生變化時，Kv值也會相應(yīng)改變，故負壓情形下的氣體流量從根本上取決于PpPyKCM 個獨立變量。流量與閥門上游壓力P1、下游壓力P2、氣流溫度T、閥門開度0的綜合函數(shù)關(guān) 系可以表達為Q = f(P17 P2, T, 0)(1)確定函數(shù)關(guān)系的首要前提是采取一定的方法獲得有關(guān)流量與4個變量的有效數(shù) 據(jù)樣本。步驟二 建立流量標(biāo)定系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示該裝置由氣源容腔CO、壓力容腔 C1/C2、緩沖腔C3、流量計F1、流量調(diào)節(jié)閥VI、粗調(diào)閥V0/V2、精調(diào)閥V3/V4、泄壓閥V5 V8、 壓力傳感器S1 S3和真空泵組成。每一個壓力容腔上均安裝一個壓力傳感器與泄壓閥。流量計安裝在氣源容腔CO 與壓力容腔C1之間。粗調(diào)閥V0、精調(diào)閥V3安裝在壓力容腔C1的上游，調(diào)節(jié)壓力容腔C1的壓力，粗調(diào)閥V2、精調(diào)V4安裝壓力容腔C2的下游，調(diào)節(jié)壓力容腔C2的壓力，流量調(diào)節(jié)閥VI 充當(dāng)流量計，在一次實驗過程中其開度保持不變。假定Po，P” P2，P3分別為氣源容腔CO、壓 力容腔C1、C2，緩沖腔C3內(nèi)氣流場的壓力。因PQ為穩(wěn)定的氣源壓力，其在實驗過程中始終 保持不變，考慮到P” P2為負壓，將Po設(shè)定為正壓，從而滿足常規(guī)流量計使用條件。由于氣流溫度T與閥門開度0是可以預(yù)先設(shè)定的，故系統(tǒng)的關(guān)鍵點即是實現(xiàn)對Pp P2的快速精密控制。為此采用粗調(diào)與精調(diào)相結(jié)合的控制策略在起始階段，采用粗調(diào)閥確保 控制的快速性；當(dāng)容腔內(nèi)壓力接近設(shè)定值，采用精調(diào)閥實現(xiàn)控制的準(zhǔn)確性。兩閥協(xié)調(diào)配合實 現(xiàn)對Pi、P2壓力的控制。當(dāng)&，？1，？2，？3均不再變化，整個系統(tǒng)進入動態(tài)平衡，則流量計的讀 數(shù)即為氣體流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥VI的流量值。步驟三開展流量標(biāo)定實驗，獲取流量與4個變量的有效樣本數(shù)據(jù)。利用流量標(biāo)定裝置，通過改變PpPyKO中的一個或多個參量，待系統(tǒng)達到動態(tài)平 衡，記錄實際相對應(yīng)的流量值，如此得到一系列4輸入、1輸出數(shù)據(jù)，并加以整理。一部分作 為訓(xùn)練使用，一部分作為測試用。步驟四基于實驗數(shù)據(jù)針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。構(gòu)建一個三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，其輸入為Pp P2、T、0共4個變量，輸出為Q，
隱層神經(jīng)元數(shù)目根據(jù)經(jīng)驗嘗試確定，一般最少為輸入量個數(shù)(I)的21+1倍。對于隱層神經(jīng)元通常選擇選用f(x) = l/(l+e_x)或f (x) = tan(l/(l+e-x))或f(x) = log(l/(l+e_x))等傳遞函數(shù)，輸出層則根據(jù)輸出量的范圍選擇S型傳遞函 數(shù)或線性函數(shù)。依據(jù)樣本，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練選用Levenberg-MarquardtOiO算法，定義其性能指數(shù)
為 式中P為樣本個數(shù)，K為輸出個數(shù)，dsk為第s個樣本輸入時第k個量的期望輸出， zsk為相應(yīng)的實際輸出。W=[”，。，... ？為網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值^滿值所組成的向量⑶為所有權(quán) 值與閾值的個數(shù)總和。式4可以改寫為 其中
為累積誤差向量，向量元素esk = zsk-dsk。由式5，Jacobian矩陣定義為
設(shè)WN為第N次迭代的權(quán)值與閾值所組成的向量，則新的權(quán)值與閾值為
其中I為單位矩陣，y為大于0的學(xué)習(xí)參數(shù)。將式(3)、(4)合并整理為 利用由式(6)得到的權(quán)值、閾值計算出相應(yīng)的流量，將計算結(jié)果與實際結(jié)果(基于 動態(tài)平衡原理得到的測試樣本數(shù)據(jù))進行對比，若效果理想，則說明式(7)能反映流量Q與 PpPpKO之間的關(guān)系。通過測量PpPyLO就能計算相應(yīng)的流量。若效果不佳可以通過 增加神經(jīng)元數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，嘗試其他傳遞函數(shù)或網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法等手段進行改進提高。圖4為本發(fā)明流程框圖，實踐證明本發(fā)明為現(xiàn)階段深度負壓狀態(tài)流量測量，提供 了一條確實可靠的途徑。
權(quán)利要求
一種負壓氣體的流量測量方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一得到流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量的綜合表達式；在負壓情形下，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量的大小取決于閥門上游壓力P1、下游壓力P2、氣流溫度T和流量系數(shù)KV4個變量；當(dāng)閥門開度O發(fā)生變化時，KV值也會相應(yīng)改變，故負壓情形下的氣體流量從根本上取決于P1、P2、T、O4個獨立變量；流量與閥門上游壓力P1、下游壓力P2、氣流溫度T、閥門開度O的綜合函數(shù)關(guān)系可以表達為Q＝f(P1，P2，T，O) (1)步驟二建立流量標(biāo)定裝置；該裝置由氣源容腔C0、壓力容腔C1/C2、緩沖腔C3、流量計F1、流量調(diào)節(jié)閥V1、粗調(diào)閥V0/V2、精調(diào)閥V3/V4、泄壓閥V5～V8、壓力傳感器S1～S3和真空泵組成；利用該裝置流量調(diào)節(jié)閥V1為任一開度時均能夠?qū)崿F(xiàn)對壓力容腔C1、C2獨立的壓力控制，即實現(xiàn)整個裝置在維持一定流量的情況下達到平衡狀態(tài)；每一個壓力容腔上均安裝一個壓力傳感器與泄壓閥，流量計安裝在氣源容腔C0與壓力容腔C1之間，粗調(diào)閥V0、精調(diào)閥V3安裝在壓力容腔C1的上游，調(diào)節(jié)壓力容腔C1的壓力，粗調(diào)閥V2、精調(diào)閥V4安裝壓力容腔C2的下游，調(diào)節(jié)壓力容腔C2的壓力，流量調(diào)節(jié)閥V1充當(dāng)流量計，在一次實驗過程中其開度保持不變；設(shè)P0，P1，P2，P3分別為氣源容腔C0、壓力容腔C1、C2，緩沖腔C3內(nèi)氣流場的壓力，因P0為穩(wěn)定的氣源壓力，其在實驗過程中始終保持不變，考慮到P1，P2為負壓，將P0設(shè)定為正壓，從而滿足常規(guī)流量計使用條件，當(dāng)P0，P1，P2，P3均不再變化，整個系統(tǒng)進入動態(tài)平衡，則流量計的讀數(shù)即為氣體流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥V1的流量值；步驟三開展流量標(biāo)定實驗，取得流量與4個變量的有效樣本數(shù)據(jù)；利用流量標(biāo)定裝置，通過改變P1、P2、T、O中的一個、多個參量，待系統(tǒng)達到動態(tài)平衡，記錄實際相對應(yīng)的流量值，如此得到一系列4輸入、1輸出數(shù)據(jù)，并加以整理；步驟四基于實驗數(shù)據(jù)針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練；根據(jù)式(1)，流量Q與閥前壓力P1，閥后壓力P2，閥門開度O，氣流溫度T之間的關(guān)系是非線性的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性函數(shù)具有很強的逼近能力和泛化能力；一個典型的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其結(jié)構(gòu)，其數(shù)學(xué)關(guān)系式可以表示為 <mrow><msub> <mi>z</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>f</mi> <mi>z</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mi>J</mi></mrow> </munderover> <msub><mi>y</mi><mi>j</mi> </msub> <msub><mi>w</mi><mi>ojk</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>c</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>y</mi> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>f</mi> <mi>y</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mi>I</mi></mrow> </munderover> <msub><mi>x</mi><mi>i</mi> </msub> <msub><mi>w</mi><mi>hij</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>b</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中xi為輸入，yj為隱層輸出，zk為輸出，whij為輸入層到隱層的連接權(quán)值，bj為隱層神經(jīng)元的閾值，wojk為隱層到輸出層的連接權(quán)值，ck為輸出層閾值，fy，fz為激勵函數(shù)；利用步驟三獲得的實驗數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，確定連接各層的權(quán)值及各個神經(jīng)元的閾值即可得到流量Q與閥前壓力P1，閥后壓力P2，閥門開度O，氣流溫度T與的關(guān)系表達式，從而實現(xiàn)對負壓狀態(tài)下的流量測量。
全文摘要
本發(fā)明一種負壓氣體的流量測量方法，該方法有四大步驟步驟一得到流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量的綜合表達式Q＝f(P1，P2，T，O)；步驟二建立流量標(biāo)定系統(tǒng)；步驟三開展流量標(biāo)定實驗，取得流量與4個變量的有效樣本數(shù)據(jù)；步驟四基于實驗數(shù)據(jù)針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練；確定連接各層的權(quán)值及各個神經(jīng)元的閾值即可得到流量Q與閥前壓力P1，閥后壓力P2，閥門開度O，氣流溫度T與的關(guān)系表達式，從而實現(xiàn)對負壓狀態(tài)下的流量測量。本發(fā)明構(gòu)思科學(xué)，經(jīng)濟節(jié)能實用，為現(xiàn)階段深度負壓狀態(tài)流量測量手段近乎完全缺失的狀況，提供了一條確實可靠的途徑。
文檔編號G01F1/34GK101865710SQ201010191449
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者孟曉風(fēng), 董登峰, 賀曉雷, 高巍 申請人:北京航空航天大學(xué)