CN113447087A - 基于三压力传感器动态优化的流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三压力传感器动态优化的流量测量方法，该方法利用安装在测试直管两端固定位置处的压力传感器和中间位置的压力传感器，分别测量安装点位置处的实时流体压强，然后通过流量解算估计器实时估计出管路中流体的实时动态流量，响应速度快，测量精确度高，能够有效地排除环境中振动等的噪声干扰，抗干扰能力强。

Description

基于三压力传感器动态优化的流量测量方法

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，尤其涉及一种基于三压力传感器动态优化的流量测量装置及方法。

背景技术

现有的流量测量方法一般有以下几种：压差式、涡轮式、涡阶式、超声波式、激光等，但这些方法均存在一定的缺陷。压差式、涡轮式、涡阶式等流量测量方法需要在管道中设置节流孔、涡轮或涡阶发生器，会给管道中流动的流体带来节流损失，对流体的流动形态带来影响。同时，涡轮或涡阶发生器方法测量流体流量的精度受到涡轮齿数的精度限制，无法对流体的动态流量进行精确测量。超声波与激光等方法则受环境中的振动影响，在振动环境下存在较大的误差。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明实施例提供了一种基于三压力传感器动态优化的流量测量装置及方法，基于压力传感器进行动态优化，结构简单紧凑，动态效应高，抗干扰能力强。

一方面，本发明实施例提供一种基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，包括：测试直管、流量解算估计器和三个压力传感器；

所述测试直管具有等截面通道，用于提供被测量流体流过的通路；第一压力传感器和第二压力传感器分别设置在所述测试直管两端的边缘处，用于测量所述测试直管内流体两端的边界压力；第三压力传感器设置在所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间的所述测试直管的边缘处，用于测量所述测试直管内流体中部的监测压力；

所述流量解算估计器与三个压力传感器分别连接，用于根据所述边界压力和所述监测压力获得所述测试直管的流量。

另一方面，本发明实施例还提供一种基于三压力传感器动态优化的流量测量方法，所述方法应用于上述的基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，所述方法包括：

获取所述测试直管内流体两端的边界压力，以及所述测试直管内流体中部的监测压力；

基于所述边界压力获取所述测试直管内流体中部的预测压力；

基于所述预测压力和所述监测压力对管路流体动力学模块进行优化，使所述预测压力不断接近所述监测压力；以及

基于所述边界压力和优化后的管路流体动力学模块，获得所述测试直管内流体的流量。

本发明实施例的基于三压力传感器动态优化的流量测量装置包括测试直管、流量解算估计器和三个压力传感器，结构简单紧凑、安装方便。基于三压力传感器动态优化的流量测量方法利用安装在测试直管两端固定位置处的压力传感器和中间位置的压力传感器，分别测量安装点位置处的实时流体压强，然后通过流量解算估计器实时估计出管路中流体的实时动态流量，响应速度快，测量精确度高，能够有效地排除环境中振动等的噪声干扰，抗干扰能力强。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为本发明实施例基于三压力传感器动态优化的流量测量装置的一种示例性结构示意图；

图2为本发明实施例流量解算估计器的一种示例性结构示意图；

图3为本发明实施例基于三压力传感器动态优化的流量测量方法的一种示例性流程示意图；

附图说明：

1-测试直管；21-第一压力传感器；22-第二压力传感器；23-第三压力传感器；3-流量解算估计器。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。

本发明实施例提供的方法可以由相关的处理器执行，且下文均以处理器作为执行主体为例进行说明。其中，执行主体可以根据具体案例进行调整，如服务器、电子设备、计算机等。

本发明实施例的一方面，提供了一种基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，参见图1所示，一种基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，包括测试直管1、压力传感器和流量解算估计器3。

测试直管1具有等截面通道，用于提供被测量流体流过的通路。也就是说测试直管1是一段固定长度、等截面的直管道，提供被测量流体流过的通路，同时为压力传感器的安装提供固定的安装点。在测量直管中，流体从一端流入，另一端流出，经过的管路截面积没有变化。管内流体的流量是待测对象。压力传感器设有三个，两个压力传感器分别安装在测试直管1的两端边界(边缘)处，可称为边界压力传感器；另一个压力传感器安装于两个边界压力传感器之间的测试直管上的某个位置处，可称为监测压力传感器。边界压力传感器以固定距离配置在测试直管边界，监测压力传感器位于边界压力传感器之间，对安装位置处的流体压强进行实时地测量。相邻的压力传感器在测试直管1上的固定距离即相邻两传感器之间的相对距离可以根据实际测量需要由操作人员灵活设置。具体的，第一压力传感器21和第二压力传感器22分别设置在测试直管1两端的边界处，用于测量测试直管1内流体两端的边界压力；第三压力传感器23设置在第一压力传感器21和第二压力传感器22之间的测试直管1处，用于测量测试直管1内流体中部的监测压力。

流量解算估计器3分别与三个压力传感器连接，接收三个压力传感器的测量值，用于根据边界压力和监测压力获得测试直管1中流体的流量。流量解算估计器3采集边界压力传感器测得的流体压力值作为边界输入，并采集监测压力传感器测得的流体压力值作为修正依据，利用流量解算估计器3进行实时动态优化，最优估计出准确的管道流量。流量解算估计器3可以采用集成电路模块来形成，里面集成设置有实现不同功能的模块。

可选的，压力传感器采用非侵入方式测量测试直管1中流体的压力。采用非侵入式的压力测量，不影响流体流动状态，有助于测量精确的动态流量。

可选的，如图2所示，流量解算估计器3包括管路流体动力学模块、动态优化模块和流量解算模块，管路流体动力学模块中集成有管路流体动力学模型。

管路流体动力学模块基于边界压力得到测试直管1内流体中部的预测压力。

动态优化模块基于预测压力和监测压力对管路流体动力学模块进行优化，也就是对管路流体动力学模块中的管路流体动力学模型进行优化(以下同)，使预测压力不断接近监测压力，也就是使预测压力和监测压力的差值不断减小并最终落入在参考范围(可根据实际的精度需求自行设定)内。也就是说，将测得的监测压力信息作为修正依据，利用动态优化算法对管路流体动力学模块进行动态优化，使得监测压力的估计值逼近真实值。

流量解算模块基于边界压力和优化后的管路流体动力学模块，获得测试直管1内流体的流量。

本发明实施例的另一方面，如图3所示，提供了一种基于三压力传感器动态优化的流量测量方法，应用于上述公开的基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，该方法包括：

获取测试直管1内流体两端的边界压力，以及测试直管1内流体中部的监测压力。通过第一压力传感器21和第二压力传感器22测量得到测试直管1内流体两端的边界压力。通过第三压力传感器23得到测试直管1内流体中部的监测压力。

基于边界压力得到测试直管1内流体中部的预测压力。该步骤可以通过流量解算估计器3来执行，将得到的两个边界压力的值输入到管路流体动力学模块，计算得到测试直管1内流体中部的预测压力，也就是当前时刻监测压力传感器位置处的流体压力。

基于预测压力和监测压力对管路流体动力学模块进行优化，使预测压力不断接近监测压力。该步骤可以通过流量解算估计器3来执行，动态优化模块基于预测压力和监测压力对管路流体动力学模块进行优化，使预测压力不断接近监测压力。也就是说，将测得的监测压力信息作为修正依据，利用动态优化算法对管路流体动力学模块进行动态优化，使得监测压力的估计值逼近真实值。

基于边界压力和优化后的管路流体动力学模块，获得测试直管1内流体的流量。通过上步骤的优化，使管路流体动力学模块更加准确，从而能够根据实时的边界压力准确得到测试直管1内流体的流量。另外，可选的，可以将获取的流量数据输出至人机交互设备进行查看和分析。

需要说明的使，对于流量解算估计器3中的管路流体动力学模块和流量解算算法，需要设置计算时间间隔和空间网格划分：

1)确定2个边界压力传感器和1个监测压力传感器的安装位置，测量相邻压力传感器的距离，并保存至流量解算估计器3。

2)流量解算估计器3设置测试直管1与流体的参数、划分空间网格以及设置算法运算时间步长。

3)设置动态优化算法参数。

在测量开始时，需要对流体压力与流量作初始化，但是流量解算估计器3所采用的最优估计算法不依赖流量初始值，最终求解的结果不受流量初始值的影响，即可接受任意的流体流量初始值。因此，也不需要额外的流量计辅助。

可选的，基于边界压力得到测试直管1内流体中部的预测压力包括：

将边界压力输入管路流体动力学模块，利用特征线法对管路流体动力学方程进行求解，得到预测压力。具体包括：将边界压力输入管路流体动力学模块，其中包含对流体动力学方程的处理与求解：首先利用特征线法对方程进行处理，使其变为可解的常微分方程；其次对其进行求解，得到预测压力与边界压力关系式；最后将边界压力输入，作为边界条件，解算得到预测压力。

可选的，基于预测压力和监测压力对管路流体动力学模块进行优化使预测压力不断接近监测压力，包括：

基于监测压力和预测压力，通过优化算法模块，计算算法模型和观测模型在实验条件下的不确定度，基于此不确定度得到监测压力和观测压力权重，进一步在预测压力和监测压力间进行加权平均，由此得到更准确的预测压力值并对管路流体动力学模块进行修正，使得预测压力不断接近准确的管路压力也即所述监测压力。

也就是说，基于第一和第二压力传感器得到的边界压力值，代入管路动力学模型，得到测量直管第三压力传感器处的预测压力；结合优化算法模型，在解算过程中对模型中的参数等进行不断修正，使得预测压力不断接近第三压力传感器得到的监测压力，直到误差在可接受范围内，优化过程结束。

可选的，基于所述边界压力和管路流体动力学模块，获得所述测试直管内流体的流量，包括：

基于所述边界压力和优化后的管路流体动力学模块，首先解算得到所述预测压力和初步的直管内流体流量；其次在对所述预测压力的不断修正和管路流体动力学模块优化的同时，使得同样从管路流体动力学方程解算得到的直管内流体流量不断接近真实值。

由以上公开内容可知，本发明实施例的基于三压力传感器动态优化的流量测量装置和方法的原理为根据当前时刻边界压力传感器和监测压力传感器的压力值，最优估计出测试直管1中流体当前时刻的流量值，具体包括：

1)采集当前时刻边界压力传感器测得的流体压力值；

2)流量解算估计器3采集到当前时刻的边界压力作为外部条件代入管路流体动力学模块，并根据管路流体动力学模块计算得到当前时刻监测压力传感器位置的压力；

3)采集当前时刻监测压力传感器测得的真实流体压力；

4)流量解算估计器3将真实的监测压力作为参考，利用动态优化算法模型进行状态更新，直至步骤2)计算的压力与步骤3)计算的压力接近；

5)利用动态优化后的管路流体动力学模块，基于两端边界压力测量值，准确解算测试直管1的流量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，其特征在于，包括：测试直管、流量解算估计器和三个压力传感器；

所述测试直管具有等截面通道，用于提供被测量流体流过的通路；第一压力传感器和第二压力传感器分别设置在所述测试直管两端的边界处，用于测量所述测试直管内流体两端的边界压力；第三压力传感器设置在所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间的所述测试直管处，用于测量所述测试直管内流体中部的监测压力；

所述流量解算估计器与三个压力传感器分别连接，用于根据所述边界压力和所述监测压力获得所述测试直管的流量。

2.根据权利要求1所述的基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，其特征在于，所述压力传感器采用非侵入方式测量所述测试直管中流体的压力。

3.根据权利要求1所述的基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，其特征在于，所述流量解算估计器中集成有管路流体动力学模块、动态优化模块和流量解算模块；

所述管路流体动力学模块，被配置为基于所述边界压力获取所述测试直管内流体中部的预测压力；

所述动态优化模块，被配置为基于所述预测压力和所述监测压力优化所述管路流体动力学模块，使所述预测压力不断接近所述监测压力；

所述流量解算模块，被配置为基于所述边界压力和优化后的管路流体动力学模块，获得所述测试直管内流体的流量。

4.一种基于三压力传感器动态优化的流量测量方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1所述的基于三压力传感器动态优化的流量测量装置，所述方法包括：

获取所述测试直管内流体两端的边界压力，以及所述测试直管内流体中部的监测压力；

基于所述边界压力获取所述测试直管内流体中部的预测压力；

基于所述预测压力和所述监测压力对管路流体动力学模块进行优化，使所述预测压力不断接近所述监测压力；

基于所述边界压力和优化后的管路流体动力学模块，获得所述测试直管内流体的流量。

5.根据权利要求4所述的基于三压力传感器动态优化的流量测量方法，其特征在于，基于所述边界压力得到所述测试直管内流体中部的预测压力包括：

将所述边界压力输入所述管路流体动力学模块，利用特征线法对管路流体动力学方程进行求解，得到所述预测压力。

6.根据权利要求4所述的基于三压力传感器动态优化的流量测量方法，其特征在于，基于所述预测压力和所述监测压力对管路流体动力学模块进行优化使所述预测压力不断接近所述监测压力。

7.根据权利要求4所述的基于三压力传感器动态优化的流量测量方法，其特征在于，基于所述边界压力和优化后的管路流体动力学模块，获得所述测试直管内流体的流量，包括：

基于所述边界压力和管路流体动力学模块，解算得到所述预测压力和初步的直管内流体流量；

对所述预测压力进行修正并优化管路流体动力学模块；

使从管路流体动力学方程解算得到的直管内流体流量不断接近真实值。

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