CN112903158A - 基于应用的容器负载用量精确计量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于应用的容器负载用量精确计量系统，包括转速测量系统、扭矩测量系统、计算单元和功率控制单元，所述转速测量系统提供转速信息，所述计算单元用于接收转速测量系统提供的转速信息，所述扭矩测量系统提供扭矩信息，所述扭矩测量系统将扭矩信息提供给计算单元，所述计算单元对转速信息和扭矩信息进行计算处理，并将处理结果提供给功率控制单元，所述功率控制单元对接收的信息进行处理。本发明涉及计量技术领域，具体为一种能精确计量容器负载功率耗用情况，不仅具有在扭矩跟随模式下使用面积微元计算方式计算容器功率吸收情况，也具有扭矩保持模式下，通过机构的动态调整，利用特定算法，使容器负载达到恒扭矩计量状态。

Description

基于应用的容器负载用量精确计量系统

技术领域

本发明涉及计量技术领域，具体为基于应用的容器负载用量精确计量系统。

背景技术

负载，又称负荷、载荷。物理含义指将电能转换成其他形式能量的装置，是一切用电器的统称。例如电灯泡、电动机、电炉等都叫负载，它们分别将电能转化成光能、机械能、热能等。另一方面，对电力系统、电气设备本身来说，它们承受载荷都有一定限度，一般都在其铭牌上标注。超过这个限度就叫过载，过载是不允许的，它是引起事故的重要原因。负载或负荷，也可以进一步解释为动力设备(如电力设备)在运行时所产生、转换、消耗的功率，例如发电机在运行时的负荷就是指当时所发出的KW或KVA数。有时也指动力设备的其他出力。例如，汽轮机在运行中的负荷即指当时所产生的轴功率千瓦数；发电机或电动机在运行中的负荷就是指当时所发出或消耗的电功率千瓦数；蒸汽锅炉在运行中的负荷习惯上常指当时所产生的蒸发量千克每小时或吨每小时数。按用户的不同，有电力负荷和供热负荷两大类。前者又有工业负荷、农业负荷、交通运输负荷、公共事业负荷和生活照明负荷等；后者主要有工业供热负荷和采暖供热负荷两种。当实际负荷与额定负荷相等时，称为“满负荷”或“全负荷”；小于额定负荷时，称为“低负荷”；超过额定负荷时则称为“过负荷”。随着工业科技的发展，容器类负载广泛应用于各行各业，容器类负载区别于传统的负载形式。容器类负载通常装载有流体介质，利用不同的原理进行能量的相互转换，具有功率测量的功能，例如，动力机通过联轴节带动主轴上的转子组件同步旋转，搅动了容器内的水。由于转子组件旋转所产生离心力及转子凹坑的作用，水在容器侧壁与转子凹坑之间产生强烈的水涡流，它给外壳一转动力矩，使动力机的转矩由转子传给外壳，装在外壳壳体上的动力臂将随着转动一角度，从而将制动力矩传给与制动臂连接的拉压力传感器，通过电子数显装置显示其制动力矩的大小。容器内的水需要循环控制和温度控制，通过电动排水阀控制蝶阀开度，或通过自动调节装置控制排水执行器，由排水执行器控制蝶阀开度，以改变容器内水的压力大小来改变吸收功率的大小。目前，在实际应用中，功率计算的形式主要以扭矩和转速作为参数计算得来，此种计算方式简单快速，但是此种计算方式是基于转速恒定和扭矩恒定等理想状态下的，计算结果和实际值存在较大偏差，特别是在动力机变工况的情况下，计算结果偏差较大。

发明内容

针对上述情况，为克服当前的技术缺陷，本发明提供了基于应用的容器负载用量精确计量系统，本发明是一种能精确计量容器负载功率耗用情况，不仅具有在扭矩跟随模式下使用面积微元计算方式计算容器功率吸收情况，也具有扭矩保持模式下，通过机构的动态调整，利用特定算法，使容器负载达到恒扭矩计量状态。

本发明的技术方案如下：基于应用的容器负载用量精确计量系统，通过特定计算方法计算功率和所耗功，基于应用的容器负载用量精确计量系统包括转速测量系统、扭矩测量系统、计算单元和功率控制单元，所述转速测量系统包括速度传感器、滤波电路、速度比较放大器和速度处理器，所述速度传感器采用磁电式转速传感器，利用磁阻元件来做转速测量，磁阻元件有一个特性，就是其阻抗值会随着磁场的强弱而变化，通常磁电式传感器内装有磁性铁，使传感器预先带有一定的磁场，当金属的检测齿轮靠近传感元件时，齿轮的齿顶与齿谷所产生的磁场变化使得传感元件的磁阻抗也跟着变化，所述滤波电路采用有源滤波器，有源滤波器将过滤信号中的高频分量，所述速度比较放大器采用多级运算放大器结构，所述速度处理器用来检测速度信号，所述扭矩测量系统包括扭矩传感器、桥式检测电路和扭矩处理器，所述扭矩传感器采用高精度应变式压力传感器，安装于容器负载壳体和底座之间，桥式检测电路使用惠斯登电桥结构，在桥臂上设有温度补偿电阻，减少因温度引起的测量偏差，所述计算单元将采用将接收速度处理器和扭矩处理器发送来的信号，将信号进行计算处理，并将计算结果发送至功率控制单元，详细计算步骤如下：速度处理器发送来的值为离散的速度值，所述速度值为动力机输出轴的转速，转速是实时变化的，扭矩处理器发送来的值是离散的扭矩值，扭矩值与容器的外形尺寸和径向力相关，容器的外形尺寸是常量，径向力是变量，径向力主要决定于动力机的特性，以具有多磁极的直流电机作为动力机，径向力波动小，以普通柴油机做为动力机，径向力波动大，因普通柴油机采用四冲程压燃式点火方式，四个冲程中只有做功冲程做对外发出功率，此时径向力峰值出现，在压缩冲程中，普通柴油机需要对空气进行压缩，在压缩冲程末端径向力峰谷出现，速度值和转速值经采样处理后均是离散的，因得益于速度采样和转速采样的频率很高，保证了后续的计算精度，计算时采用面积微元计算法，在单位周期内，对速度值和转速值进行记录和积分操作，积分结果作为功率值，所述功率控制单元包括容器、电控阀门和中央控制器，所述电控阀门控制容器出水口的开度，所述电控阀门受中央控制器控制，所述中央控制器接受计算单元的功率值信号，所述中央控制器依据设定功率值和计算单元的功率值进行电控阀门的调节操作，通过对电控阀门的调节，改变容器内的水压，控制水在容器侧壁与转子凹坑之间产生水涡流的剧烈程度，从而到达控制扭矩的目的，所述动力机拥有自己的速度调节装置，当动力机的输出扭矩增加，所述动力机输出轴转速会下降，所述动力机自身的速度调节装置提高动力机的输出转速，此时容器接受的功率小于设定功率，所述电控阀门仍然会减小开度，继续增加容器内水的压力，所述动力机的输出扭矩增加，所述动力机输出轴转速会下降，如此循环，直至进入最小精度控制范围，所述中央控制器提供了两种控制模式，一种是扭矩跟随模式，另一种是扭矩保持模式，所述扭矩跟随模式采用恒定电控阀门开度的方式，使扭矩跟随动力机发生变化，所述中央控制器通过计算单元反馈的信息实时计算功率值，计算结果与实际功率误差极小，此种模式依托动力机的工作特性，反应了动力机自身在无扰动的情况下的功率输出特征，在中央控制器处于扭矩保持模式下，所述电控阀门开度是实时受控的，保证容器接收的扭矩值是恒定的，所以动力机的输出扭矩也是恒定的，但动力机的转速是变化的，因动力机自身的工作特性，例如动力机动力输出非线性，自身具有功率吸收环节，动力机无法保证转速恒定，在动力机非动力输出时间区间内，必须牺牲转速以获得恒定扭矩输出。

进一步地，所述扭矩跟随模式的具体实现方法如下：通过中央控制器控制电控阀门，使容器出水口的开度恒定，动力机在设计工况下运行，依托动力机的工作特性，当转速不恒定时，扭矩输出也不恒定，容器接收的扭矩也不恒定，容器所吸收的功率也是变化的，计算单元采用面积微元计算法，采用公式1对容器吸收的功率进行计算，采用公式2对容器吸收的能量进行计算：

dE＝t_QdP 公式2

进一步地，所述扭矩保持模式的具体实现方法如下：通过中央控制器控制电控阀门，使容器出水口的开度实时改变，以改变容器内水的压力大小，以保持容器接收的扭矩恒定，然而，根据控制理论知识，通过改变容器出水口的开度调节来稳定容器接收的扭矩的方式是存在静差的，现采用如下技术减小静差，通常动力机的输出特性带有周期性，在扭矩跟随模式下，动力机的输出扭矩呈现周期性，将动力机固定功率输出，使容器出水口的开度保持特定位置，所述计算单元将记录动力机多周期的扭矩和转速信息，以最小步距改变容器出水口的开度，所述计算单元将记录动力机多周期的扭矩和转速信息，为减少实验步骤，将容器出水口的开度调整范围设定为待测扭矩值的±10％内，便可得出动力机固定功率输出对应的容器出水口的开度与扭矩在多周期内的关系，使用模型预测算法控制，预测并修正容器出水口的开度：

以当前过程输出测量值与模型计算值只差修正模型预测值：

y_p(k+j)＝y_m(k+j)+β_j[y(k)-y_m(k)]j＝1，2，…，P

最后，计算单元仍然采用面积微元计算法，对容器吸收的功率进行计算，对容器吸收的总能量进行计算。

本发明取得的有益效果如下：一种完整的系统解决方案，应用广泛，基于应用的容器负载用量精确计量系统既包括现实物质世界的事物，也包括事物之间相互的关系，容纳不特定的技术，加快了工程应用中建模效率，约束了事物处理的主体，保持了计算过程的完整性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为本发明基于应用的容器负载用量精确计量系统的逻辑结构框图；

图2为本发明基于应用的容器负载用量精确计量系统的容器机构剖面示意图。

其中，1、转子组件，2、容器，3、电控阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1～2所示，本发明采取的技术方案如下：基于应用的容器负载用量精确计量系统，使用时，动力机与转子组件1连接，容器2内开启水循环，并保持水温恒定，对于输出脉动小的动力机采用扭矩跟随模式，计算单元采用面积微元计算法，对容器2吸收的功率进行计算，对容器2吸收的总能量进行计算，计算结果和实际偏差较小，对于输出脉动大的动力机采用扭矩保持模式，在扭矩保持的过程中，使用模型预测算法，电控阀门3实时调整位置，保证扭矩在设计范围内波动，此计算方式克服了脉动输出对功率测量的影响，保证了功率测量精度，保证了的总功耗计量的准确性。

要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物料或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物料或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.基于应用的容器负载用量精确计量系统，其特征在于，包括转速测量系统、扭矩测量系统、计算单元和功率控制单元，所述转速测量系统提供转速信息，所述计算单元用于接收转速测量系统提供的转速信息，所述扭矩测量系统提供扭矩信息，所述扭矩测量系统将扭矩信息提供给计算单元，所述计算单元对转速信息和扭矩信息进行计算处理，并将处理结果提供给功率控制单元，所述功率控制单元对接收的信息进行处理；所述转速测量系统包括速度传感器、滤波电路、速度比较放大器和速度处理器，所述速度传感器对速度进行采样，所述速度传感器将速度采样结果提供给滤波电路，所述滤波电路将过滤掉速度采样结果中的高频分量，所述滤波电路将滤波后的速度采样结果提供给速度比较放大器，所述速度比较放大器将滤波电路提供的速度采样结果进行放大，所述速度比较放大器将放大后的速度采样结果提供给速度处理器，所述速度处理器将接收的速度采样结果进行离散化处理，所述速度处理器将离散化处理后的速度采样结果提供给计算单元；所述扭矩测量系统包括扭矩传感器、桥式检测电路和扭矩处理器，所述扭矩传感器对扭矩进行采样，所述扭矩传感器将扭矩采样结果提供给桥式检测电路，所述桥式检测电路对扭矩采样结果进行电压变换，所述桥式检测电路将经电压变换后的扭矩采样结果提供给扭矩处理器，所述扭矩处理器将接收的扭矩采样结果进行离散化处理，所述扭矩处理器将离散化后的扭矩采样结果提供给计算单元，所述计算单元将速度处理器提供速度采样结果和扭矩处理器提供的扭矩采样结果进行计算处理，并将计算结果发送至功率控制单元，所述计算单元具体计算方法如下：采用面积微元计算法，在单位周期内，对速度处理器提供的速度采样结果和扭矩处理器提供的扭矩采样结果进行记录和积分操作，积分结果作为功率值，所述功率控制单元包括容器、电控阀门和中央控制器，所述电控阀门设于容器上，所述中央控制器接收来自计算单元的计算结果，所述中央控制器为电控阀门提供动作指令，所述电控阀门控制容器出水口的开度，所述中央控制器提供了两种控制模式，一种是扭矩跟随模式，另一种是扭矩保持模式。

2.根据权利要求1所述的基于应用的容器负载用量精确计量系统，其特征在于，所述扭矩跟随模式的具体实现方法如下：(1)通过中央控制器控制电控阀门，使容器出水口的开度恒定，(2)动力机在设计工况下运行，依托动力机的工作特性，计算单元采用面积微元计算法，采用公式1对容器吸收的功率进行计算，采用公式2对容器吸收的能量进行计算：

dE＝t_QdP (公式2)

3.根据权利要求1所述的基于应用的容器负载用量精确计量系统，其特征在于，所述扭矩保持模式的具体实现方法如下：

(1)通过中央控制器控制电控阀门，使容器出水口的开度实时改变，以改变容器内水的压力大小，以保持容器接收的扭矩恒定；

(2)在扭矩跟随模式下，将动力机固定功率输出，使容器出水口的开度保持特定位置，所述计算单元将记录动力机多周期的扭矩和转速信息，以最小步距改变容器出水口的开度，所述计算单元将记录动力机多周期的扭矩和转速信息，为减少实验步骤，将容器出水口的开度调整范围设定为待测扭矩值的±10％内，得出动力机固定功率输出对应的容器出水口的开度与扭矩在多周期内的关系；

(3)使用模型预测算法控制，预测并修正容器出水口的开度：

(4)以当前过程输出测量值与模型计算值只差修正模型预测值：

y_p(k+j)＝y_m(k+j)+β_j[y(k)-y_m(k)]j＝1，2，…，P

(5)计算单元仍然采用面积微元计算法，对容器吸收的功率进行计算，对容器吸收的总能量进行计算。

4.根据权利要求1所述的基于应用的容器负载用量精确计量系统，其特征在于，所述滤波电路采用有源滤波器。

5.根据权利要求1所述的基于应用的容器负载用量精确计量系统，其特征在于，所述速度比较放大器采用多级运算放大器结构。

6.根据权利要求1所述的基于应用的容器负载用量精确计量系统，其特征在于，所述扭矩传感器采用高精度应变式压力传感器，所述桥式检测电路使用惠斯登电桥结构。

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