基于函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道煤氣流量計量系統(tǒng)

[摘 要]：在管道煤氣計量系統(tǒng)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(zhuǎn)換相對濕度信號，利用函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對管道煤氣工況溫度下所對應(yīng)的水蒸汽飽和壓力進(jìn)行了擬合，得到了基于函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道煤氣流量計量模型和在線計量系統(tǒng)，從而可以大大簡化管道煤氣流量計量軟件，在流量計設(shè)計范圍內(nèi)可以快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)管道煤氣流量實時在線計量。實際應(yīng)用結(jié)果表明：該計量系統(tǒng)測量管道煤氣流量誤差為±0.7％。
關(guān)鍵詞：函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；管道；煤氣流量；測量；軟件
0 引言
隨著管道煤氣應(yīng)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(fù)雜，流 速變化范圍很大的管道煤氣流量如何進(jìn)行準(zhǔn)確計量，是擺在城市生活管道煤氣以及工業(yè)環(huán)境管道煤氣流量計量研究者面前的一大難題。根據(jù)近幾年來的文獻(xiàn)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(jīng)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(dāng)管道煤氣的溫度和壓力發(fā)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(yīng)的水蒸汽飽和壓力p_max的數(shù)據(jù)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(xiàn)[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(shù)關(guān)系，能快速并且較準(zhǔn)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(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對管道煤氣工況溫度下所對應(yīng)的水蒸汽飽和壓力進(jìn)行了擬合，有利于快速準(zhǔn)確地對管道煤氣進(jìn)行在線測量。
1 管道煤氣流量計量模型
1.1管道煤氣標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計量模型

由煤氣質(zhì)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(zhǔn)確，則即使高精度的差壓測量也不會給煤氣質(zhì)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(jié)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(tài)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(guān)系

1．2水蒸汽飽和蒸汽壓的函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合

基于函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)
采用如圖1所示的管道煤氣流量系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)硬件
（1）計量元件
采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件一標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備包括鍵盤、打印機、顯示器和磁盤驅(qū)動。
（3）外圍設(shè)備
采用配套的12位A/D轉(zhuǎn)換器插件板，可以直接將它插人主機的標(biāo)準(zhǔn)插座。
（4）自動化儀表
采用DBC型電動差壓變送器轉(zhuǎn)換差壓信號，采用．DDZ-Ⅱ型溫度變送器轉(zhuǎn)換溫度信號，采用SM-2型濕度傳感器[6]轉(zhuǎn)換濕度信號，采用DDZ-Ⅱ型壓力變送器轉(zhuǎn)換壓力信號，將差壓信號轉(zhuǎn)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(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為1～5 VDC。

2．2數(shù)據(jù)預(yù)處理
管道煤氣流量計量系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)不可避免地將受到（如，傳感器噪聲、變送器噪聲、信號轉(zhuǎn)換噪聲等）各種噪聲的干擾，從而可能導(dǎo)致測量信號的波動和跳動。為了所采集所得到測量信號數(shù)據(jù)具有真實性，采用數(shù)學(xué)處理法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。
針對測量信號所出現(xiàn)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(dāng)|Y（n）－y（n－1）|>D，則=Y（n）=y(n-1)，式中Y（n）為當(dāng)前測量實時采樣數(shù)據(jù)，y（n-1）為上一次測量采樣、處理后的數(shù)據(jù)；D為給定的域值。
當(dāng)|Y（n）－y（n－1）|<D，則當(dāng)前測量實時采樣數(shù)據(jù)利用遞推平均濾波算法進(jìn)行第二次濾波處理。
（2）遞推平均濾波算法
為了濾去在規(guī)定范圍內(nèi)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(shù)；y（n）為測量信號預(yù)處理結(jié)果；Y（n-i+1）為第n-i+1次測量采樣數(shù)據(jù)，i=l，2，…，m。
這樣，測量采樣數(shù)據(jù)經(jīng)上述預(yù)處理后即變得比較平穩(wěn)和真實，為得到真實可靠的管道煤氣流量計量結(jié)果創(chuàng)造了條件。
2．3 系統(tǒng)軟件
微機測量系統(tǒng)應(yīng)用軟件包括以下3個部分：
（1）測量數(shù)據(jù)的標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序
自動化儀表檢測的各種物理量都是通過傳感器變?yōu)殡娦盘枺俳?jīng)過一定的處理，送給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而得到與被測物理量相對應(yīng)的數(shù)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(shù)字量，因此，在儀表中同樣的數(shù)字量表示不同物理量的不同值，故必須通過一定的技術(shù)處理，將這些數(shù)字量轉(zhuǎn)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(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合程序
把干飽和水蒸汽中0～60℃所對應(yīng)的飽和壓力利用VISUAL BlASIC6.0編寫函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合程序，當(dāng)已測出管道煤氣中工況溫度時，就能根據(jù)擬合公式快速求出所對應(yīng)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(nèi)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(jìn)行了補償。本管道煤氣計量系統(tǒng)應(yīng)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(yōu)點，比較簡便實用。并采用隨機文本文件保存原始數(shù)據(jù)，因此，能方便地查找到以前的測量記錄。
2．4 應(yīng)用