基于函数链神经网络的管道煤气流量计量系统

[摘 要]：在管道煤气计量系统测量中引入了管道煤气相对湿度修正，并对采用湿度传感器转换相对湿度信号，利用函数链神经网络对管道煤气工况温度下所对应的水蒸汽饱和压力进行了拟合，得到了基于函数链神经网络的管道煤气流量计量模型和在线计量系统，从而可以大大简化管道煤气流量计量软件，在流量计设计范围内可以快速准确地实现管道煤气流量实时在线计量。实际应用结果表明：该计量系统测量管道煤气流量误差为±0.7％。
关键词：函数链神经网络；管道；煤气流量；测量；软件
0 引言
    随着管道煤气应用的日趋广泛，管道煤气流量计量问题也日益突出。对组分复杂，流 速变化范围很大的管道煤气流量如何进行准确计量，是摆在城市生活管道煤气以及工业环境管道煤气流量计量研究者面前的一大难题。根据近几年来的文献报道，在管道煤气流量计量中，涉及湿煤气流量计量中仪表计量误差以及如何修正问题，取得了一些研究成果。由于经过水洗工艺而得到的管道煤气中为含有水蒸汽的多组分且较脏的湿煤气，当管道煤气的温度和压力发生变化时，煤气中所含的水蒸汽的密度与饱和水蒸汽分压力同时变化，一般是通过测量某一工况下管道煤气的压力p₁和温度T₁，并建立温度T₁下相对应的水蒸汽饱和压力p_max的数据库来间接计算管道煤气的密度，这必然会带来较大的计量误差和影响计量速度，而文献[10]采用水的蒸汽压方程得出了水蒸汽饱和压力p_max与工况温度T₁的函数关系，能快速并且较准确计量出管道煤气流量，但仍存在有一定程度的误差。因此，本文采用函数链神经网络对管道煤气工况温度下所对应的水蒸汽饱和压力进行了拟合，有利于快速准确地对管道煤气进行在线测量。
1 管道煤气流量计量模型
1.1管道煤气标准孔板流量计量模型

    由煤气质量流量计算式（1）可知，要想获得管道煤气的真实流量，煤气密度的确定与差压处于同等重要地位，如果煤气密度测量不准确，则即使高精度的差压测量也不会给煤气质量流量与煤气体积流量的测量带来高精度；相反，会使管道煤气计量结果存在较大误差。由于管道煤气为多组分且较脏的湿煤气，目前，无法在线测量其密度与相对湿度，一般是通过测量某一工况下的压力p₁和温度T₁来间接计算湿煤气的密度。
    管道煤气是由于煤气和水蒸汽组成的混合物，要确定它的密度，除了必须知道它在某一状态下的压力与温度外，还必须知道管道煤气中所含水蒸汽的量，即管道煤气的相对湿度。若将管道煤气中的水蒸汽视为理想气体，则水蒸汽的密度p_s和相对湿度满足以下关系

1．2水蒸汽饱和蒸汽压的函数链神经网络拟合

基于函数链神经网络的管道煤气流量计量原理如图3所示。

2 管道煤气流量计量系统
采用如图1所示的管道煤气流量系统
2．1 系统硬件
（1）计量元件
采用标准节流件一标准孔板作为检测元件。
（2）微机
微型计算机采用金长城S400型，外部设备包括键盘、打印机、显示器和磁盘驱动。
（3）外围设备
采用配套的12位A/D转换器插件板，可以直接将它插人主机的标准插座。
（4）自动化仪表
采用DBC型电动差压变送器转换差压信号，采用．DDZ-Ⅱ型温度变送器转换温度信号，采用SM-2型湿度传感器[6]转换湿度信号，采用DDZ-Ⅱ型压力变送器转换压力信号，将差压信号转换为0～10mA的直流电流信号；此外，将以上4种传感器的输出信号经电流-电压转换器转换为1～5 VDC。

2．2数据预处理
    管道煤气流量计量系统所采集的数据不可避免地将受到（如，传感器噪声、变送器噪声、信号转换噪声等）各种噪声的干扰，从而可能导致测量信号的波动和跳动。为了所采集所得到测量信号数据具有真实性，采用数学处理法进行数据预处理。
针对测量信号所出现的跳动性和波动性，分别采用剔除跳变信号算法及递推平均滤波算法，具体算法如下：
（1）剔除跳变信号算法
当|Y（n）－y（n－1）|>D，则=Y（n）=y(n-1)，式中Y（n）为当前测量实时采样数据，y（n-1）为上一次测量采样、处理后的数据；D为给定的域值。
当|Y（n）－y（n－1）|<D，则当前测量实时采样数据利用递推平均滤波算法进行第二次滤波处理。
（2）递推平均滤波算法
为了滤去在规定范围内测温信号较小的噪声干扰，可以采取以下方法滤波处理式中m为采样次数；y（n）为测量信号预处理结果；Y（n-i+1）为第n-i+1次测量采样数据，i=l，2，…，m。
这样，测量采样数据经上述预处理后即变得比较平稳和真实，为得到真实可靠的管道煤气流量计量结果创造了条件。
2．3 系统软件
微机测量系统应用软件包括以下3个部分：
（1）测量数据的标度转换程序
    自动化仪表检测的各种物理量都是通过传感器变为电信号，再经过一定的处理，送给A/D转换器进行A/D转换，从而得到与被测物理量相对应的数字量。对于温度、压差、压力以及相对湿度等物理量，最后得到的都是相同的数字量，因此，在仪表中同样的数字量表示不同物理量的不同值，故必须通过一定的技术处理，将这些数字量转换为不同的物理量。本程序采用VISUAL FORTRAN和汇编语言混合编写而成。
（2）水蒸汽饱和压力的函数链神经网络拟合程序
    把干饱和水蒸汽中0～60℃所对应的饱和压力利用VISUAL BlASIC6.0编写函数链神经网络拟合程序，当已测出管道煤气中工况温度时，就能根据拟合公式快速求出所对应的水蒸汽饱和压力。
（3）管道煤气流量打印程序
    管道煤气流量打印程序的打印内容有日期、温度、压力、压差以及相对湿度等，采用VISUAL FORTRAN编写而成。
    此外，为了清除由于工况条件变化而引起的测量误差，对全部工况变量、全部中间变量以及工况变量的全部范围都进行了补偿。本管道煤气计量系统应用软件采用VISUAL BASIC6.0和汇编语言混合编写而成，充分利用了2种语言的编程优点，比较简便实用。并采用随机文本文件保存原始数据，因此，能方便地查找到以前的测量记录。
2．4 应用