CN107063370B

CN107063370B - 一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法

Info

Publication number: CN107063370B
Application number: CN201710254008.4A
Authority: CN
Inventors: 林奎成; 唐恺; 王中成
Original assignee: Institute of Materials of CAEP
Current assignee: Institute of Materials of CAEP
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: CN107063370A

Abstract

本发明公开了一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法，先基于原始测量值计算i时刻的测量值增量，然后结合卡尔曼滤波算法递推计算稳态响应值的补偿，然后计算i时刻之前的多次原始测量值递推所得的稳态响应值的均值，然后从计算获得的数据队列中剔除异常值，并用其前后时刻的平均值取代，从而快速响应出最终测量结果。本发明在不增加额外硬件的情况下，通过算法将热分布式气体质量流量计的响应时间大大缩短，经实验证实可缩短90％的响应时间，有效增强了热分布式气体质量流量计的测量响应速度，明显提高其动态测量特性。

Description

一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地讲，是涉及一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法。

背景技术

热分布式气体质量流量计主要用于中小型管道中的小流量流体测量，其原理是利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布，从而实现流速测量。典型热分布式气体质量流量计如图1所示，在一根小口径薄壁测量管的外壁上，绕制两对具有高温度系数的电阻丝，组成惠斯顿电桥。电桥输入为直流恒定电流。通电后，电阻丝所产生的热量加热测量管和其内部的气体，气体流过时，热量通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给管内流体，导致上游温度下降，下游温度上升，电桥不平衡，从而引起输出信号变化，测量变化值并推算管内气体流动速率。

当恒定流速和温度的流体经过热分布式质量流量计时，流量计电桥的原温度平衡将被打破，建立新的平衡。新平衡态建立所需时间即为流量计稳态响应时间。流量计内流体运动状态一般为层流，流体与电阻丝之间的热平衡主要靠热传导完成，平衡时间较长，一般在数十秒量级，往往难以满足实时响应的需求。针对稳态响应时间过长的问题，现有技术一般采用微分电路补偿方式予以改善，但这需要在流量计的信号提取电路中增加补偿电路，并需要对流量计响应时间常数进行精确的测量。引入补偿电路将会增大流量计信号受干扰的风险，并增加硬件成本。

热分布式气体质量流量计的响应过程是一个热传导过程，其电桥稳态响应结果E₀与电桥的瞬态输出E_t之间的随时间变化关系可以表示为：

式(1)中τ₀表示热传导时间常数。对公式(1)微分可得：

将公式(2)带入公式(1)可得：

根据式(3)可以得到流量计瞬态输出E_t与稳态响应结果E₀的递推关系式，即：

其中，U_i表示i时刻的测量值，ΔU表示i时刻与其前一次测量值(i-1时刻)之间的增量，Δt表示两次测量之间的时间间隔。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法，该方法为软件补偿方法，不增加流量计硬件成本，具有成本低、可调性好等特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法，包括如下步骤：

(S1)根据所述热分布式气体质量流量计的原始测量值计算i时刻对应的测量值增量ΔU＝U_i-U_i-1，其中，U_i表示i时刻的原始测量值；

(S2)根据i时刻和与之固定的测量时间间隔Δt的前一时刻的两次原始测量值，结合卡尔曼滤波算法递推计算该i时刻的原始测量值所对应的递推稳态响应值并由此实现所述热分布式气体质量流量计响应测量的结果的递推补偿；

(S3)计算该i时刻之前N次由原始测量值递推得到的稳态响应值的平均值

(S4)缓存该i时刻的递推稳态响应值和平均值并计算该i时刻之后P个时刻的稳态响应值和稳态响应值的平均值

(S5)剔除所计算得到的数列中的异常值，并以其前后两个时刻的递推稳态响应值的平均值取代；

其中，判定异常值的方法为：

预设误差百分比阈值η，当i时刻所计算得到的递推稳态响应值均小于或均大于时，认为该值为异常值；

(S6)输出补偿结果。

具体地，所述步骤(S2)中采用卡尔曼滤波算法递推计算所述稳态响应值的过程如下：

(S2.1)基于卡尔曼滤波算法建立所述热分布式气体质量流量计在i时刻的状态方程和观测方程：

状态方程

观测方程E₀(k)＝E(k)+v(k)……(6)

其中，w(k)和v(k)分别是均值为零、方差为Q(k)和R(k)的相互独立的过程噪声和量测噪声；

(S2.2)所述热分布式气体质量流量计响应补偿的时间更新方程为：

P(k+1|k)＝F·P(k|k)·F^T+Q(k+1)……(8)

其中，表示热分布式气体质量流量计原始测量值的先验估计值，P(k)表示测量协方差；

(S2.3)由此获得量测更新方程：

K(k+1)＝P(k+1|k)·(P(k+1|k)+R(k+1))^-1……(9)

P(k+1|k+1)＝(I-K(k+1))P(k+1|k)……(11)。

具体地，所述步骤(S3)中稳态响应值的平均值由下式计算获得：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在不增加额外硬件的情况下，通过算法将热分布式气体质量流量计的响应时间大大缩短，经实验证实可缩短90％的响应时间，有效增强了热分布式气体质量流量计的测量响应速度，明显提高其动态测量特性，本发明设计新颖，构思独特，应用性好，成本低廉，具有良好的应用前景，适合推广应用。

附图说明

图1为典型热分布式气体质量流量计的结构示意图。

图2为本发明的流程示意图。

图3为本发明-实施例中仿真实验结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图2所示，该热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法，包括如下步骤：

(S1)根据所述热分布式气体质量流量计的原始测量值计算i时刻对应的测量值增量ΔU＝U_i-U_i-1，其中，U_i表示i时刻的原始测量值。

(S2)根据i时刻和与之固定的测量时间间隔Δt的前一时刻的两次原始测量值，结合卡尔曼滤波算法递推计算该i时刻的原始测量值所对应的递推稳态响应值具体地，

状态方程

观测方程E₀(k)＝E(k)+v(k)……(6)

P(k+1|k)＝F·P(k|k)·F^T+Q(k+1)……(8)

(S2.3)由此获得量测更新方程：

K(k+1)＝P(k+1|k)·(P(k+1|k)+R(k+1))^-1……(9)

P(k+1|k+1)＝(I-K(k+1))P(k+1|k)……(11)；

由此实现所述热分布式气体质量流量计响应测量的结果的递推补偿。

(S3)计算该i时刻之前N次由原始测量值递推得到的稳态响应值的平均值其中，

其中，判定异常值的方法为：

预设误差百分比阈值η，当i时刻所计算得到的递推稳态响应值均小于或均大于时，认为该值为异常值。

(S6)输出补偿结果。

由于热分布式气体质量流量计响应呈指数变化，故采用阶跃响应模型仿真验证本发明所提出方法的有效性。假定流量计时间响应常数为20s，测量结果采样时间间隔为0.5s，测量误差为1％。如图3所示，假定通过流量在第50s时，出现阶跃变化。该状况下，流量计实际输出达到理想输出的90％时，所需时间为46.5s，而补偿后输出达到理想输出的90％仅需5s。表1列出了几种不同时间常数所对应的补偿结果，补偿后响应时间为补偿前的10％左右。仿真实验表明，所提出的方法能够有效提升热分布式气体流量计响应速度。

表1不同时间常数下的补偿结果

由此可见，本发明可以在不增加额外硬件的情况下，缩短90％的响应时间，有效地增强了热分布式气体质量流量计时间响应速度，改善其动态测量特性。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

其中，判定异常值的方法为：

(S6)输出补偿结果。

2.根据权利要求1所述的一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法，其特征在于，所述步骤(S2)中采用卡尔曼滤波算法递推计算所述稳态响应值的过程如下：

状态方程

观测方程E₀(k)＝E₀(k)＝E(k)+v(k)……(6)

P(k+1|k)＝F·P(k|k)·F^T+Q(k+1)……(8)

(S2.3)由此获得量测更新方程：

K(k+1)＝P(k+1|k)·(P(k+1|k)+R(k+1))^-1……(9)

P(k+1|k+1)＝(I-K(k+1))P(k+1|k)……(11)。

3.根据权利要求1所述的一种热分布式气体质量流量计的时间响应补偿方法，其特征在于，所述步骤(S3)中稳态响应值的平均值由下式计算获得：