基于函數鏈神經網絡的管道煤氣流量計量系統

[摘 要]：在管道煤氣計量系統測量中引入了管道煤氣相對濕度修正，并對采用濕度傳感器轉換相對濕度信號，利用函數鏈神經網絡對管道煤氣工況溫度下所對應的水蒸汽飽和壓力進行了擬合，得到了基于函數鏈神經網絡的管道煤氣流量計量模型和在線計量系統，從而可以大大簡化管道煤氣流量計量軟件，在流量計設計范圍內可以快速準確地實現管道煤氣流量實時在線計量。實際應用結果表明：該計量系統測量管道煤氣流量誤差為±0.7％。
關鍵詞：函數鏈神經網絡；管道；煤氣流量；測量；軟件
0 引言
隨著管道煤氣應用的日趨廣泛，管道煤氣流量計量問題也日益突出。對組分復雜，流 速變化范圍很大的管道煤氣流量如何進行準確計量，是擺在城市生活管道煤氣以及工業環境管道煤氣流量計量研究者面前的一大難題。根據近幾年來的文獻報道，在管道煤氣流量計量中，涉及濕煤氣流量計量中儀表計量誤差以及如何修正問題，取得了一些研究成果。由于經過水洗工藝而得到的管道煤氣中為含有水蒸汽的多組分且較臟的濕煤氣，當管道煤氣的溫度和壓力發生變化時，煤氣中所含的水蒸汽的密度與飽和水蒸汽分壓力同時變化，一般是通過測量某一工況下管道煤氣的壓力p₁和溫度T₁，并建立溫度T₁下相對應的水蒸汽飽和壓力p_max的數據庫來間接計算管道煤氣的密度，這必然會帶來較大的計量誤差和影響計量速度，而文獻[10]采用水的蒸汽壓方程得出了水蒸汽飽和壓力p_max與工況溫度T₁的函數關系，能快速并且較準確計量出管道煤氣流量，但仍存在有一定程度的誤差。因此，本文采用函數鏈神經網絡對管道煤氣工況溫度下所對應的水蒸汽飽和壓力進行了擬合，有利于快速準確地對管道煤氣進行在線測量。
1 管道煤氣流量計量模型
1.1管道煤氣標準孔板流量計量模型

由煤氣質量流量計算式（1）可知，要想獲得管道煤氣的真實流量，煤氣密度的確定與差壓處于同等重要地位，如果煤氣密度測量不準確，則即使高精度的差壓測量也不會給煤氣質量流量與煤氣體積流量的測量帶來高精度；相反，會使管道煤氣計量結果存在較大誤差。由于管道煤氣為多組分且較臟的濕煤氣，目前，無法在線測量其密度與相對濕度，一般是通過測量某一工況下的壓力p₁和溫度T₁來間接計算濕煤氣的密度。
管道煤氣是由于煤氣和水蒸汽組成的混合物，要確定它的密度，除了必須知道它在某一狀態下的壓力與溫度外，還必須知道管道煤氣中所含水蒸汽的量，即管道煤氣的相對濕度。若將管道煤氣中的水蒸汽視為理想氣體，則水蒸汽的密度p_s和相對濕度滿足以下關系

1．2水蒸汽飽和蒸汽壓的函數鏈神經網絡擬合

基于函數鏈神經網絡的管道煤氣流量計量原理如圖3所示。

2 管道煤氣流量計量系統
采用如圖1所示的管道煤氣流量系統
2．1 系統硬件
（1）計量元件
采用標準節流件一標準孔板作為檢測元件。
（2）微機
微型計算機采用金長城S400型，外部設備包括鍵盤、打印機、顯示器和磁盤驅動。
（3）外圍設備
采用配套的12位A/D轉換器插件板，可以直接將它插人主機的標準插座。
（4）自動化儀表
采用DBC型電動差壓變送器轉換差壓信號，采用．DDZ-Ⅱ型溫度變送器轉換溫度信號，采用SM-2型濕度傳感器[6]轉換濕度信號，采用DDZ-Ⅱ型壓力變送器轉換壓力信號，將差壓信號轉換為0～10mA的直流電流信號；此外，將以上4種傳感器的輸出信號經電流-電壓轉換器轉換為1～5 VDC。

2．2數據預處理
管道煤氣流量計量系統所采集的數據不可避免地將受到（如，傳感器噪聲、變送器噪聲、信號轉換噪聲等）各種噪聲的干擾，從而可能導致測量信號的波動和跳動。為了所采集所得到測量信號數據具有真實性，采用數學處理法進行數據預處理。
針對測量信號所出現的跳動性和波動性，分別采用剔除跳變信號算法及遞推平均濾波算法，具體算法如下：
（1）剔除跳變信號算法
當|Y（n）－y（n－1）|>D，則=Y（n）=y(n-1)，式中Y（n）為當前測量實時采樣數據，y（n-1）為上一次測量采樣、處理后的數據；D為給定的域值。
當|Y（n）－y（n－1）|<D，則當前測量實時采樣數據利用遞推平均濾波算法進行第二次濾波處理。
（2）遞推平均濾波算法
為了濾去在規定范圍內測溫信號較小的噪聲干擾，可以采取以下方法濾波處理式中m為采樣次數；y（n）為測量信號預處理結果；Y（n-i+1）為第n-i+1次測量采樣數據，i=l，2，…，m。
這樣，測量采樣數據經上述預處理后即變得比較平穩和真實，為得到真實可靠的管道煤氣流量計量結果創造了條件。
2．3 系統軟件
微機測量系統應用軟件包括以下3個部分：
（1）測量數據的標度轉換程序
自動化儀表檢測的各種物理量都是通過傳感器變為電信號，再經過一定的處理，送給A/D轉換器進行A/D轉換，從而得到與被測物理量相對應的數字量。對于溫度、壓差、壓力以及相對濕度等物理量，最后得到的都是相同的數字量，因此，在儀表中同樣的數字量表示不同物理量的不同值，故必須通過一定的技術處理，將這些數字量轉換為不同的物理量。本程序采用VISUAL FORTRAN和匯編語言混合編寫而成。
（2）水蒸汽飽和壓力的函數鏈神經網絡擬合程序
把干飽和水蒸汽中0～60℃所對應的飽和壓力利用VISUAL BlASIC6.0編寫函數鏈神經網絡擬合程序，當已測出管道煤氣中工況溫度時，就能根據擬合公式快速求出所對應的水蒸汽飽和壓力。
（3）管道煤氣流量打印程序
管道煤氣流量打印程序的打印內容有日期、溫度、壓力、壓差以及相對濕度等，采用VISUAL FORTRAN編寫而成。
此外，為了清除由于工況條件變化而引起的測量誤差，對全部工況變量、全部中間變量以及工況變量的全部范圍都進行了補償。本管道煤氣計量系統應用軟件采用VISUAL BASIC6.0和匯編語言混合編寫而成，充分利用了2種語言的編程優點，比較簡便實用。并采用隨機文本文件保存原始數據，因此，能方便地查找到以前的測量記錄。
2．4 應用