软测量技术在锌液流量测量中的应用23124.pdf

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1、 测控技术 O.I.Automation 2005 年第 24 卷第 3 期 Measurement and Control Technique 2005,Vol.24,No.3 771006-1576200503-0077-02 李建军1，盛洁波2（1.湖南工学院 电气与信息工程系，湖南 衡阳 421008；2.湖南工学院 基础课部，湖南 衡阳 421008）0.1s10 TP274.5 A Application of Soft Sensor Technique in Flow Measurement of Liquid Zinc LI Jian-jun 1,SHENG Jie-bo 2(

2、1.Dept.of Electricity&Information Engineering,Hunan Institute of Technology,Hengyang 421008,China;2.Dept.of Foundation Course,Hunan Institute of Technology,Hengyang 421008,China)Abstract:Flow measurement of liquid zinc based on soft sensor technique is that weighing sensor is used,according to the p

3、roportion of liquid zinc height and weigh,also proposed the sample period 0.1s,digital filter is made as every 10 experiment points,and then calculate the output value of weigh and to get flow of liquid zinc.Taking experiment of water and liquid zinc as an example,and nonlinear mathematics model bet

4、ween flow and weight was fitted with two-time polynomial at the sample space inside,furthermore,it was processed with the soft sensor technique,the hard direct measured problem of the liquid zinc was resolved.Keywords:Flow measurement of liquid zinc;Soft sensor technique;Weighing method;Mathematics

5、model 1 软 测 量 技 术 也 称 软 仪 表 技 术（Soft Sensor Technique），即利用易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量之间的数学关系，通过数学计算和估计，实现待测过程变量的测量。锌精馏过程中，液态粗锌从熔化炉加入到铅塔时的流量是非常重要的参数，其稳定与否，影响精馏塔寿命以及产品产量和质量。由于锌液温度高达 600640，具有较强的腐蚀性，常用的流量检测装置不适用。利用软测量技术，用称重法通过测量锌液的重量来计算锌液的流量，解决了锌液难以直接测量的问题。2 2.1 控制系统结构 锌液流量检测控制系统以 89C52 单片机为核心设计，含 A/D 采样、看门狗、

6、参数的读取保存、数据显示、面板给定、通信接口等功能模块。其核心部位称重传感器，将重量转换为对应的电信号，本系统采用了美国 SENSORTRONICS 公司 60001S 型拉压传感器。而锌液的流量则是利用软测量技术，使用称重法测量锌液的重量。其逻辑框图如图 1。2.2 软仪表的原理 本 软 测 量 技 术 采 用 推 断 控 制（Inferential Control），包括估计器和控制器的设计如图 2。图中的变量均可是向量，Yr表被控变量的设定值。/A/D MCU 1 U YFYrYi 2 控制器和软仪表相互独立，其设计可独立进行。如果软仪表能达到一定精度，能够“代替”硬仪表实现某种参数的测

7、量，则能与反馈控制算法结合构成基于软仪表的控制。2.3 称重法的基本原理 以图 3 为例，流体由图中测量桶的上方流入，从右下方的圆形孔口流出。测量桶的下方用三个称重传感器将重量转变为电信号。由于锌液表面的氧化锌相对于测量桶中的锌液重量非常小。如果测量桶的形状规整，在温度与压强变化不大的情况下可以认为流体的密度基本恒定，这样液面高度就将与重量成正比。重量的变化将影响流量，是一种非线性的关系。可通过测量桶中的锌液重量获得流量，将氧化锌的重量作为干扰修正模型。这种通过称量 收稿日期：2004-11-01；修回日期：2005-05-02作者简介：李建军（1968-），男，副教授，在读硕士，1990 毕

8、业于南京航空航天大学，从事电子电力、电力测量等研究。测控技术 O.I.Automation 2005年第24卷第3期 Measurement and Control Technique 2005,Vol.24,No.3 78测量桶中流体的重量来计算流量就是称重法。H 3 2.4 数学建模 以实验数据为基础，选择二次多项式在样本空间内拟合流量与重量之间的非线性数学模型：2210 xbxbby+=其中：自变量 x 代表重量，因变量 y 代表流量。b0,b1,b2,为待辨识参数。将样本数据通过计算变成新变量的样本。上式转换为：22110 xbxbby+=其中 x2为将重量平方后的新的因变量。3 选取

9、常温下的水作为实验的流体。实验分两个方面的内容：首先让水通过直径不同的孔口作自由出流，得到每个孔口的流量与重量之间的关系曲线，观察孔径对流量的影响；然后用不同粘度的流体在同一个孔口下作自由出流，观察粘度对流量曲线的影响。见图 4 图 5。8000 6000 4000 2000 0 2 4 6 8 10 1216cm13cm 12cm10cm4 1 3 5 7 9 11 138500 6500 4500 2500(/)5 4 实验装置为长方体的流槽，其尺寸为 300400200mm，侧面距离底面 15cm 处开一直径为13mm 圆孔，流槽的下面压有 3 只称重传感器。先在流槽中装满粗锌液，然后打

10、开孔口，让流槽中的锌液自由出流。用计算机采样重量信号。采样周期为 0.1 秒，每 10 个点进行数字滤波后得到一个重量输出值。实验直到流槽中粗锌液的液位与孔口持平即总重量不再变化时停止。如果重量间隔取的合适，则相邻的两个重量值之差即可认为流量。虽然样本数据会有一些波动，但总的趋势能够反映重量对流量的影响，具有统计意义。在这种方法下进行了 4 次实验。从图 6 可以看出四次实验重量的变化曲线重复性很好，说明流量的变化规律基本一致。由于每次开始装入流槽中的粗锌液重量略有不同，所以在实验起始阶段各条曲线略有不同。当锌液液面到达孔口以下时，称重装置测量的重量不再发生变化，此时的重量为皮重，它包括流槽和

11、剩余锌液的总重。0 20 40 60 80 100 120 14015013512010590()()6 通过数学建模的方法，可以得到四次实验的流量模型如表 1。1 1 111 y2.6184+0.9108x-0.0085x2 2 104 y2.3867+0.9633x-0.0098x2 3 117 y2.5708+0.8845x-0.0079x2 4 90 y2.8821+0.9003x-0.0067x2 上述实验证明，该数学模型正确。由此可以得到粗锌液流量和重量之间存在如下关系：QC0+C1G+C2G2 式中：Q锌液的流量；G锌液的重量；C0、C1、C2辨识得到的三个常数 1,.M.:,2001.2,.M.:,1985.3.M.:,1994.4,.PID-FuzzyJ.,1996,(5):30-34.5,.J.,1998,(2):16-19.6,.J.,2001,20(4):10-13.7,.J.,2002,(4).8,.M.:,1981.