阅读说明：本技术 一种流量计量方法、装置及系统 (flow metering method, device and system ) 是由 史晋峰 吴彦强 张鹏 郑亮 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种流量计量方法、装置及系统,依据目标流量的流量范围确定目标流量计量设备,所述目标流量计量设备包括高频差压扫描阀、节流装置以及所述高频差压扫描阀与所述节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路；利用所述高频差压扫描阀采集所述目标流量通过所述节流装置在不同采样点在所述高压测量管路和所述低压测量管路之间的差压值；将不同采样点的所述差压值输入所述目标流量计量设备预先标定的流量标定模型中进行计算,得到目标流量在不同采样点的流量值,实现了对高动态短周期流量的精确测量。(The invention provides a flow measuring method, a device and a system, which determine target flow measuring equipment according to the flow range of target flow, wherein the target flow measuring equipment comprises a high-frequency differential pressure scanning valve, a throttling device, and a high-pressure measuring pipeline and a low-pressure measuring pipeline between the high-frequency differential pressure scanning valve and the throttling device; collecting differential pressure values of the target flow between the high-pressure measuring pipeline and the low-pressure measuring pipeline at different sampling points through the throttling device by using the high-frequency differential pressure scanning valve; and inputting the differential pressure values of different sampling points into a flow calibration model calibrated in advance by the target flow metering equipment for calculation to obtain flow values of the target flow at different sampling points, thereby realizing accurate measurement of high-dynamic short-period flow.)

一种流量计量方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及流量计量技术领域，更具体的，涉及一种流量计量方法、装置及系统。

背景技术

高动态短周期的流量变化过程请参阅图1，需要在0.2秒内完成一次加注过程的流量准确计量。其中，0-0.1秒内液体介质流量从0t/h线性增加到20t/h；0.1-0.15秒内液体介质流量保持稳定；0.15-0.2秒内液体介质流量从20t/h线性减小到0t/h，从而完成周期为0.2秒的液体介质流量的准确计量。

现有的成熟流量计产品有电磁流量计、超声流量计、涡轮流量计、科氏力流量计等不同测量原理的产品，但是上述流量计产品的流量测量频率效应慢，通常测量的最高频率为10Hz，即：1秒内对外仅输出10次流量测量信号，可见，该类产品适用于过程测量场合，不适用于高动态短周期内的动态流量的测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种流量计量方法、装置及系统，实现对高动态短周期流量的精确测量。

为了实现上述发明目的，本发明提供的具体技术方案如下：

一种流量计量方法，包括：

依据目标流量的流量范围确定目标流量计量设备，所述目标流量计量设备包括高频差压扫描阀、节流装置以及所述高频差压扫描阀与所述节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路；

利用所述高频差压扫描阀采集所述目标流量通过所述节流装置在不同采样点在所述高压测量管路和所述低压测量管路之间的差压值；

将不同采样点的所述差压值输入所述目标流量计量设备预先标定的流量标定模型中进行计算，得到目标流量在不同采样点的流量值。

可选的，所述目标流量计量设备至少为1个，每个目标流量计量设备分别对应一个流量标定模型。

可选的，所述方法还包括：

获取所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数；

构建流量标定模型，通过所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，对流量标定模型中的参数值进行计算，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

可选的，所述获取所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，包括：

设置稳态工况下的标定流量点；

控制液体介质动力源输出需要标定的流量值；

采集所述目标流量计量设备在稳态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数；

设置动态工况下的标定流量点；

控制所述液体介质动力源输出需要标定的流量值的变化阶跃量；

采集所述目标流量计量设备在动态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数。

可选的，所述构建流量标定模型，通过所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，对流量标定模型中的参数值进行计算，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型，包括：

构建基于平均滑动自回归模型的流量标定模型，并设置流量标定模型的优化约束条件；

依据稳态工况下和动态工况下每个标定流量点的流量-压差特定参数，利用最小二乘参数辨识算法计算满足所述优化约束条件的流量标定模型的参数，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

一种流量计量装置，包括：

流量计量设备确定单元，用于依据目标流量的流量范围确定目标流量计量设备，所述目标流量计量设备包括高频差压扫描阀、节流装置以及所述高频差压扫描阀与所述节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路；

差压值采集单元，用于利用所述高频差压扫描阀采集所述目标流量通过所述节流装置在不同采样点在所述高压测量管路和所述低压测量管路之间的差压值；

流量值计算单元，用于将不同采样点的所述差压值输入所述目标流量计量设备预先标定的流量标定模型中进行计算，得到目标流量在不同采样点的流量值。

可选的，所述目标流量计量设备至少为1个，每个目标流量计量设备分别对应一个流量标定模型。

可选的，所述装置还包括：

标定记录参数获取单元，用于获取所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数；

流量标定模型构建单元，用于构建流量标定模型，通过所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，对流量标定模型中的参数值进行计算，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

可选的，所述标定记录参数获取单元，具体用于：

设置稳态工况下的标定流量点；

控制液体介质动力源输出需要标定的流量值；

采集所述目标流量计量设备在稳态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数；

设置动态工况下的标定流量点；

控制所述液体介质动力源输出需要标定的流量值的变化阶跃量；

采集所述目标流量计量设备在动态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数。

可选的，所述流量标定模型构建单元，具体用于：

构建基于平均滑动自回归模型的流量标定模型，并设置流量标定模型的优化约束条件；

依据稳态工况下和动态工况下每个标定流量点的流量-压差特定参数，利用最小二乘参数辨识算法计算满足所述优化约束条件的流量标定模型的参数，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

一种流量计量系统，包括：标定系统计算机、至少一个流量计量设备、液体介质动力源和液体介质负载设备；

所述流量计量设备包括高频差压扫描阀、节流装置以及所述高频差压扫描阀与所述节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路；

所述标定系统计算机用于执行如上述中任意一项所述的一种流量计量方法。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明公开的流量计量方法，基于流量计量设备的高频差压扫描阀和节流装置满足了流量计量的高频率响应计量需求，在获取不同采样点的压差值后，利用预先标定的流量标定模型，实现了高动态短周期流量变化过程中流量的准确计量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为高动态短周期的流量变化过程示意图；

图2为本发明实施例公开了一种流量计量方法的流程示意图；

图3为本发明实施例公开的流量计量设备的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种获取稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数的方法的流程示意图；

图5为本发明实施例公开的一种流量计量装置的结构示意图；

图6为本发明实施例公开的一种流量计量系统的结构示意图。

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。

发明人对目前常用的流量计量设备进行了研究发现：目前常用的流量计量设备普遍存在响应频率低的问题，如电磁流量计，通过流量与电压之间的转化实现流量计量，由于磁滞特性的原因，导致励磁频率低的问题；科氏力流量计，通过流量与科氏力之间的转化实现流量计量，由于测量管结构安全性和测量准确性的原因，需要通过降低激励频率，提高谐振幅值，进一步提高产品相位差的测量准确性，导致激励频率低的问题；涡轮流量计，通过流量与转速之间的转化实现流量计量，由于产品自身转动惯量的原因，导致流量变化时，需要较长时间实现转速的变化，导致响应频率低的问题。

为了解决上述流量计量设备普遍存在响应频率低的问题，本实施例公开了一种流量计量方法，应用于流量计量系统中的标定系统计算机，其中，流量计量系统包括：标定系统计算机、至少一个流量计量设备、液体介质动力源和液体介质负载设备。请参阅图2，本实施例公开的流量计量方法具体包括以下步骤：

S101：依据目标流量的流量范围确定目标流量计量设备，所述目标流量计量设备包括高频差压扫描阀、节流装置以及所述高频差压扫描阀与所述节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路；

请参阅图3，图3为流量计量设备的结构示意图。

由于流量计量设备的计量范围有限，因此，对不同流量范围的流量进行计量时可能需要不同数量的流量计量设备，目标流量计量设备的数量可以为1个或一个以上，若目标流量的流量范围为1-500L/min，需要3个目标流量计量设备配合完成全范围的流量计量，其中，第一流量计量设备的计量范围为1-10L/min，第二流量计量设备的计量范围为10-80L/min，第三流量计量设备的计量范围为80-500L/min。

其中，确定目标流量计量设备的实现方式可以为：接通目标流量计量设备与标定系统计算机之间的信号总线，切断系统中除目标流量计量设备与标定系统计算机之间的信号总线。

S102：利用所述高频差压扫描阀采集所述目标流量通过所述节流装置在不同采样点在所述高压测量管路和所述低压测量管路之间的差压值；

需要说明的是，当目标流量计量设备有多个时，依次利用每个目标流量计量设备对目标流量在高动态短周期内的流量值进行计量。

以上述3个目标流量计量设备为例，在利用第一流量计量设备进行计量时，标定系统计算机、液体介质动力源、第一流量计量设备和液体介质负载设备形成一个计量系统，标定系统计算机控制液体介质动力源输出第一流量计量设备的计量范围的目标流量，第一流量计量设备的高频差压扫描阀采集目标流量通过节流装置在不同采样点在高压测量管路和低压测量管路之间的差压值。

S103：将不同采样点的所述差压值输入所述目标流量计量设备预先标定的流量标定模型中进行计算，得到目标流量在不同采样点的流量值。

其中，流量标定模型可以为基于平均滑动自回归模型的流量标定模型。

平均滑动自回归模型如下：

其中，Q表示流量，ΔP表示差压，k表示时间特性参数，表示k时刻的流量，ΔP_k表示k时刻的差压，i表示用于参数辨识的k时刻以前的流量Q数量，Q_k-i表示k时刻之前第i个时间点的流量，j表示用于参数辨识的k时刻以前的差压ΔP数量，ΔP_k-j表示k时刻之前第j个时间点的差压。a_i和b_j表示与变量Q_k-i和ΔP_k-j相关联的待辨识参数。

需要说明的是，在对目标流量进行计量之前，需要对目标流量计量设备进行标定，得到目标流量计量设备的流量标定模型。

具体的，首先需要获取所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，然后构建流量标定模型，通过所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，对流量标定模型中的参数值进行计算，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

请参阅图4，获取目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数的过程如下：

S401：设置稳态工况下的标定流量点；

标定流量点的数量越多后续流量计量的准确性越高，如流量范围:10L/min-100L/min，标定流量点为：10L/min、20L/min、30L/min、40L/min、50L/min、60L/min、70L/min、80L/min、90L/min和100L/min。

S402：控制液体介质动力源输出需要标定的流量值；

在标定系统计算机中输入需要标定的具体流量值，通过控制液体介质动力源实现液体介质流量运行在标定流量点。

S403：采集目标流量计量设备在稳态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数；

采集目标流量计量设备的差压值、位移、体积、流量参数，并将每个标定流量点在60秒时间内的流量-差压特性参数存入系统流量数据库，其中，流量-差压特性参数表示流量与差压的之间的对应关系。

S404：设置动态工况下的标定流量点；

当目标流量计量设备在稳态工况下的所有标定流量点的流量-压差特性参数全部采集完成时，设置动态工况下的标定流量点，如：稳态工况下的标定流量点为：10L/min、20L/min、30L/min、40L/min、50L/min、60L/min、70L/min、80L/min、90L/min和100L/min。则动态工况下的标定流量点的数量为9个，即任意两个相邻稳态工况下的标定流量点之间的过度过程。

S405：控制所述液体介质动力源输出需要标定的流量值的变化阶跃量；

S406：采集所述目标流量计量设备在动态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数。

采集每个标定流量点的过渡过程中流量计量设备的差压值、位移、体积、流量参数，并将60秒内(过渡过程前和过渡过程后各30秒)的流量-差压特性参数存入系统流量数据库。

依据稳态工况下和动态工况下每个标定流量点的流量-压差特定参数，利用最小二乘参数辨识算法计算流量标定模型的参数，其中，构建的流量标定模型为：

设置流量标定模型的优化约束条件，使真实流量值和计算得到的流量值的差的平方最小，即保证真实流量值和计算得到的流量值之间的偏离度最小，具体的，优化约束条件的表达式如下：

结合上述流量标定模型，上述优化约束条件的表达式如下：

利用最小二乘参数辨识算法计算计算满足所述优化约束条件的流量标定模型的参数，具体的，对a_i和b_j求偏导数，并将偏导数置于0，得到的矩阵方程如下：

通过求解上述矩阵，得到a_i和b_j的值，从而得到目标流量计量设备的流量标定模型。

基于上述实施例公开的一种流量计量方法，本实施例对应公开了一种流量计量装置，请参阅图5，该装置包括：

流量计量设备确定单元501，用于依据目标流量的流量范围确定目标流量计量设备，所述目标流量计量设备包括高频差压扫描阀、节流装置以及所述高频差压扫描阀与所述节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路；

差压值采集单元502，用于利用所述高频差压扫描阀采集所述目标流量通过所述节流装置在不同采样点在所述高压测量管路和所述低压测量管路之间的差压值；

流量值计算单元503，用于将不同采样点的所述差压值输入所述目标流量计量设备预先标定的流量标定模型中进行计算，得到目标流量在不同采样点的流量值。

可选的，所述目标流量计量设备至少为1个，每个目标流量计量设备分别对应一个流量标定模型。

可选的，所述装置还包括：

标定记录参数获取单元，用于获取所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数；

流量标定模型构建单元，用于构建流量标定模型，通过所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，对流量标定模型中的参数值进行计算，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

可选的，所述标定记录参数获取单元，具体用于：

设置稳态工况下的标定流量点；

控制液体介质动力源输出需要标定的流量值；

采集所述目标流量计量设备在稳态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数；

设置动态工况下的标定流量点；

控制所述液体介质动力源输出需要标定的流量值的变化阶跃量；

采集所述目标流量计量设备在动态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数。

可选的，所述流量标定模型构建单元，具体用于：

构建基于平均滑动自回归模型的流量标定模型，并设置流量标定模型的优化约束条件；

依据稳态工况下和动态工况下每个标定流量点的流量-压差特定参数，利用最小二乘参数辨识算法计算满足所述优化约束条件的流量标定模型的参数，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

本发明还公开了一种流量计量系统，包括：标定系统计算机、至少一个流量计量设备、液体介质动力源和液体介质负载设备；

所述流量计量设备包括高频差压扫描阀、节流装置以及所述高频差压扫描阀与所述节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路；

所述标定系统计算机用于执行如下流量计量方法：

依据目标流量的流量范围确定目标流量计量设备，所述目标流量计量设备包括高频差压扫描阀、节流装置以及所述高频差压扫描阀与所述节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路；

利用所述高频差压扫描阀采集所述目标流量通过所述节流装置在不同采样点在所述高压测量管路和所述低压测量管路之间的差压值；

将不同采样点的所述差压值输入所述目标流量计量设备预先标定的流量标定模型中进行计算，得到目标流量在不同采样点的流量值。

进一步，所述目标流量计量设备至少为1个，每个目标流量计量设备分别对应一个流量标定模型。

进一步，所述方法还包括：

获取所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数；

构建流量标定模型，通过所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，对流量标定模型中的参数值进行计算，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

进一步，所述获取所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，包括：

设置稳态工况下的标定流量点；

控制液体介质动力源输出需要标定的流量值；

采集所述目标流量计量设备在稳态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数；

设置动态工况下的标定流量点；

控制所述液体介质动力源输出需要标定的流量值的变化阶跃量；

采集所述目标流量计量设备在动态工况下的每个标定流量点的流量-压差特性参数。

进一步，所述构建流量标定模型，通过所述目标流量计量设备在稳态流量工况和动态流量工况下的标定记录参数，对流量标定模型中的参数值进行计算，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型，包括：

构建基于平均滑动自回归模型的流量标定模型，并设置流量标定模型的优化约束条件；

依据稳态工况下和动态工况下每个标定流量点的流量-压差特定参数，利用最小二乘参数辨识算法计算满足所述优化约束条件的流量标定模型的参数，得到所述目标流量计量设备的流量标定模型。

具体的，若目标流量的流量范围为1-500L/min，由于流量计量设备的计量范围有限，需要3个流量计量设备配合完成全范围的流量计量，其中，第一流量计量设备的计量范围为1-10L/min，第二流量计量设备的计量范围为10-80L/min，第三流量计量设备的计量范围为80-500L/min，请参阅图6，图示出了包括3个流量计量设备的流量计量系统，第一流量计量设备包括第一高频差压扫描阀、第一节流装置以及第一高频差压扫描阀、第一节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路，第二流量计量设备包括第二高频差压扫描阀、第二节流装置以及第二高频差压扫描阀、第二节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路，第三流量计量设备包括第三高频差压扫描阀、第三节流装置以及第三高频差压扫描阀、第三节流装置之间的高压测量管路和低压测量管路。

需要说明的是，图6仅为本发明所公开的流量计量系统的一个示例，本发明所公开的流量计量系统中的流量计量设备的数量并不以此为限，流量计量设备的数量可以为一个或一个以上。

在标定阶段，标定系统计算机依次对3个流量计量设备的流量标定模型进行标定，以第一流量计量设备为例，标定系统计算机首先设置稳态工况下的标定流量点，然后向液体介质动力源发出控制指令，控制液体介质动力源输出当前标定流量点需要标定的流量值，采集第一流量计量设备的差压值、位移、体积、流量参数，并将当前标定流量点在60秒时间内的流量-差压特性参数存入系统流量数据库，然后控制液体介质动力源输出下一标定流量点需要标定的流量值，直到所有稳态工况下的标定流量点的标定全部完成。标定系统计算机然后设置动态工况下的标定流量点，控制液体介质动力源输出当前标定流量点需要标定的流量值的变化阶跃量，采集第一流量计量设备的差压值、位移、体积、流量参数，并将当前标定流量点在60秒时间内的流量-差压特性参数存入系统流量数据库，然后控制液体介质动力源输出下一标定流量点需要标定的流量值的变化阶跃量，直到所有动态工况下的标定流量点的标定全部完成。最后依据稳态工况下和动态工况下每个标定流量点的流量-压差特定参数，利用最小二乘参数辨识算法计算满足优化约束条件的流量标定模型的参数，得到第一流量计量设备的流量标定模型。与第一流量计量设备同理，依次完成第二流量计量设备-和第三流量计量设备的流量标定模型的标定。

在计量阶段，标定系统计算机控制液体介质动力源输出目标流量，在高动态短周期的流量变化过程中，分别第一利用流量计量设备、第二流量计量设备和第三流量计量设备的高频差压扫描阀采集目标流量通过第一流量计量设备、第二流量计量设备和第三流量计量设备在不同采样点的差压值，将不同采样点第一流量计量设备的差压值输入第一流量计量设备的流量标定模型中进行计算，将不同采样点第二流量计量设备的差压值输入第二流量计量设备的流量标定模型中进行计算，将不同采样点第三流量计量设备的差压值输入第三流量计量设备的流量标定模型中进行计算，得到目标流量在不同采样点的流量值。

本实施例公开的流量计量系统，基于流量计量设备的高频差压扫描阀和节流装置满足了流量计量的高频率响应计量需求，在获取不同采样点的压差值后，利用预先标定的流量标定模型，实现了高动态短周期流量变化过程中流量的准确计量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。