專利名稱：用于電阻映象的調(diào)整模型的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于估算代表燃燒容器電特性數(shù)據(jù)的方法，更具體說，涉及使得用這些數(shù)據(jù)的計(jì)算中的誤差最小的調(diào)整模型。
燃燒容器壁，經(jīng)常由一系列填充熱交換介質(zhì)(典型上是水)的熱交換管組成，可以被稱為“水壁”。礦物質(zhì)會(huì)積累在水管的內(nèi)表面，形成稱為鍋垢的層。水垢妨礙從燃燒容器壁到熱交換介質(zhì)的熱傳遞，削弱鍋爐效率。熱在燃燒容器中積累，提高燃燒室壁的工作溫度。較高的工作溫度會(huì)危險(xiǎn)地?fù)p害燃燒室壁，造成過早的故障。
水壁的一側(cè)面對(duì)燃燒室而受到燃燒產(chǎn)物影響。燃燒產(chǎn)物會(huì)包括熱氣體、灰燼和腐蝕性燃燒副產(chǎn)物。如煤炭這樣的燃料的燃燒造成灰燼沉積在水壁的內(nèi)表面，削弱從燃燒容器中的加熱氣體到水管的熱傳遞。在燃燒容器壁上的灰燼或爐渣敷層削弱效率，因此必須定期除去。
由于消耗的礦物燃料沉積的灰燼中的腐蝕性材料或者例如廢料轉(zhuǎn)化能量工廠中消耗的固體廢物引起的物理剝蝕，燃燒容器壁能夠隨時(shí)間腐蝕。這種腐蝕減小管的壁厚。必須維持燃燒容器壁在能可靠地經(jīng)受水管中高壓的最小厚度上。
典型地，燃燒容器的適當(dāng)維護(hù)需要為檢查、清理和關(guān)鍵部件的修理而定期停爐。如果要不危及安全避免與工廠停爐有關(guān)的花費(fèi)，必須為探查危險(xiǎn)狀況而小心地監(jiān)測(cè)和評(píng)定燃燒容器內(nèi)的物理和工作狀況。由于這些原因，會(huì)是希望有的是，提供非插入式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它們?cè)u(píng)定燃燒容器本身關(guān)鍵部分的物理特性以確定該燃燒容器的那部分的溫度、熱通量和厚度。
一個(gè)可能的監(jiān)測(cè)解決辦法會(huì)是根據(jù)其與材料(典型上是碳鋼)有關(guān)的已知的物理定律，燃燒容器壁和水管由這種材料構(gòu)制。例如，已經(jīng)知道，導(dǎo)體中的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比，與導(dǎo)體的橫截面積成反比。如在這里使用的術(shù)語電阻率被定義為由一種材料對(duì)該電流提供的電阻乘電流的橫截面積和每單位電流路徑長(zhǎng)度，或者電導(dǎo)率的倒數(shù)。按照己知定律，導(dǎo)體的電阻率隨導(dǎo)體的溫度增加。材料二維片片電阻率術(shù)語被定義為每單位厚度的電阻率。
已經(jīng)知道，例如，如美國專利No.3,721,897中所披露的，將恒定電流通過燃燒室壁的一部分并測(cè)量跨在壁的已知長(zhǎng)度上的電壓降?？梢岳迷摵愣娏骱蜏y(cè)量電壓計(jì)算燃燒容器壁的那部分的電阻。將在燃燒容器工作期間進(jìn)行的測(cè)量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并與原始電阻測(cè)量進(jìn)行比較。增加的電阻指示減少的燃燒容器壁面積。如果電阻增加超過預(yù)定點(diǎn)，指示不安全狀況，即水壁嚴(yán)重變薄，并認(rèn)為有理由非預(yù)定停爐。另一方面，通過指示工廠在正常工作，在線監(jiān)測(cè)可以延長(zhǎng)預(yù)定停爐之間的期間。
對(duì)于這些測(cè)量體制，方便地以二維矩陣形式布置燃燒容器壁上的用于加電流源、轉(zhuǎn)換器和電壓測(cè)量的結(jié)點(diǎn)。迭代地將電流加到該矩陣中的不同位置和從這些不同位置插進(jìn)。對(duì)于每個(gè)電流源/轉(zhuǎn)換器配置，測(cè)量在整個(gè)矩陣的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行和估算以便確定燃燒容器壁的若干關(guān)心方面中的任何一個(gè)。
在理想條件下，可以以一個(gè)準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)準(zhǔn)確度將導(dǎo)致燃燒容器的物理和工作狀況的可靠指示。然而，給定測(cè)量裝置的有限準(zhǔn)確度和鍋爐內(nèi)的工作條件波動(dòng)，計(jì)算的指示經(jīng)常含有不可接受級(jí)別的誤差?？傊?，在本專業(yè)中有這樣需要，即，減小誤差含量并由此增加根據(jù)燃燒容器物理特性的測(cè)量計(jì)算的燃燒容器估算的準(zhǔn)確度。
發(fā)明概要按照本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施例包括一個(gè)調(diào)整模型。當(dāng)這個(gè)調(diào)整模型應(yīng)用到從燃燒容器壁上有效等間隔結(jié)點(diǎn)的二維網(wǎng)格收集的數(shù)據(jù)上時(shí)，導(dǎo)致利用這些數(shù)據(jù)的計(jì)算中的誤差級(jí)別最低。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，將接觸接點(diǎn)的網(wǎng)格或二維網(wǎng)絡(luò)布置在燃燒容器水壁的外表面上。將已知電流從多個(gè)源到多個(gè)轉(zhuǎn)換器迭代地強(qiáng)加到網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)轉(zhuǎn)換器。在每個(gè)電流源/轉(zhuǎn)換器的迭代期間，在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行電壓測(cè)量。這些電壓測(cè)量包括一些用在計(jì)算中的數(shù)據(jù)，用于確定在被估算的那部分燃燒容器壁的物理特性的計(jì)算，例如電阻或溫度。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括為使由計(jì)算產(chǎn)生的誤差最小的目的調(diào)整模型應(yīng)用到收集數(shù)據(jù)。認(rèn)識(shí)到為將測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換成計(jì)算電阻率而設(shè)計(jì)的方程式是不穩(wěn)定的，本發(fā)明應(yīng)用第二和第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)到最小二乘方最小化模型。應(yīng)用最陡下降數(shù)值法到結(jié)果的調(diào)整模型以予定的低誤差值收斂產(chǎn)生對(duì)調(diào)整模型的解的電阻率值。有效穩(wěn)定的計(jì)算產(chǎn)生計(jì)算的電阻率值，這個(gè)電阻率值反映燃燒容器壁的物理狀況。
在結(jié)合附圖閱讀優(yōu)選實(shí)施例的說明時(shí)，本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1是包括燒礦物油爐和可以按本發(fā)明的方法工作的燃燒容器的示意剖面圖；圖2是結(jié)點(diǎn)矩陣的示意圖，為按照本發(fā)明的方法提供數(shù)據(jù)可以將這些結(jié)點(diǎn)假定地布置在燃燒容器壁的關(guān)心部分上；圖3是圖1所示燃燒容器水壁的關(guān)心部分的放大透視剖面圖；以及圖4是為按照本發(fā)明的方法提供數(shù)據(jù)布置在燃燒容器壁的關(guān)心部分上的結(jié)點(diǎn)的二維矩陣的示意表示。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明圖1說明示例性動(dòng)力產(chǎn)生設(shè)備10。動(dòng)力產(chǎn)生設(shè)備10具有以燃燒爐12形式的燒礦物燃料的燃燒容器，傳統(tǒng)上它包括水平氣體通路14和返回通路16。燃燒爐12具有由水壁18限定的爐邊。每個(gè)水壁18具有多個(gè)圖3所示的水壁管28。在水壁管28中，熱交換介質(zhì)-即，水-被循環(huán)，并由于在例如煤炭這樣的礦物燃料在燃燒爐12中燃燒期間管28加熱被轉(zhuǎn)換成水流。動(dòng)力產(chǎn)生設(shè)備10可以包括其它常規(guī)部件，例如，用于在水流通過其上的運(yùn)動(dòng)作用下產(chǎn)生電力的渦輪機(jī)。并且，水平氣體通路14和返回通路16可以包括節(jié)熱器、超級(jí)加熱器和再加熱器有選擇的安排。
煤炭饋送裝置20是可以為將煤炭饋送到給料器而工作的，給料器控制到粉碎器24的煤炭流的速率。熱的預(yù)燃空氣經(jīng)導(dǎo)管22也被饋送到粉碎器24，這種空氣攜帶粉碎煤通過粉碎器24并從它出來，之后經(jīng)過煤管道26到幾組煤噴嘴。每組煤噴嘴被安裝在各自的切向點(diǎn)火風(fēng)箱30中，風(fēng)箱30也各自支撐一組輔助空氣噴嘴。風(fēng)箱30將受控空氣流和粉碎煤引入到燃燒爐12，引起旋轉(zhuǎn)火球在那里的形成。旋轉(zhuǎn)火球是造成對(duì)水壁管28的爐邊表面上的沉積有貢獻(xiàn)的材料的釋放類型的燃燒過程。以碳為主的燃燒副產(chǎn)品作為爐渣和/或灰燼在水壁管28的爐邊表面積累。
一個(gè)本專業(yè)普通技術(shù)人員會(huì)理解，某些燃燒容器，例如用天然氣燃燒的燃燒容器，不以用煤炭或固體廢料燃燒的燃燒容器的方式腐蝕或燒損。因此，與礦物燃料燃燒的燃燒容器的一段燃燒容器壁比較，在天然氣燃燒的燃燒容器中結(jié)點(diǎn)之間的一段燃燒容器壁的面積將基本上在時(shí)間上保持不變。所以，在天然氣燃燒的燃燒容器中測(cè)量電壓的波動(dòng)將基本上與由溫度改變引起的那段的增加的電阻有關(guān)。在對(duì)這種類型燃燒容器，即天然氣燃燒的燃燒容器的計(jì)算中，結(jié)點(diǎn)之間的段的面積已知，計(jì)算段電阻的最后所得波動(dòng)可以被變換成準(zhǔn)確的段的溫度測(cè)量。
另一方面，在固體廢料或煤炭燃燒的燃燒容器中，與天然氣燃燒的燃燒容器比較，燃燒容器壁的腐蝕或燒損以有相對(duì)較大的規(guī)則性而發(fā)生。在這些條件下，燃燒容器的鑒定段的溫度和面積兩者產(chǎn)生結(jié)點(diǎn)之間測(cè)量電壓的變化。在這些情況下，必須單獨(dú)測(cè)量溫度以消除計(jì)算中的多重變量。依照補(bǔ)償溫度變化(己知)，計(jì)算電阻的變化可歸因于橫截面積，例如燃燒容器的估算部分厚度的變化。
在上述情況的任何一個(gè)中，由于眾所周知的工作條件下測(cè)量的準(zhǔn)確度和不規(guī)則問題，收集數(shù)據(jù)固有地含有誤差。另外，利用基爾霍夫定律或其到零線積分的擴(kuò)展將測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換成計(jì)算電阻率問題被稱為難處理(不穩(wěn)定)問題，即，小的測(cè)量電壓變化能產(chǎn)生大的計(jì)算電阻率變化。因此，以另外方式會(huì)是可接受的測(cè)量誤差被計(jì)算形式放大，典型上導(dǎo)致具有振蕩性狀的計(jì)算電阻率。
圖2是多個(gè)結(jié)點(diǎn)32形成矩陣34的示意表示。矩陣34能假定地布置在燃燒容器壁的關(guān)心部分上。各個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)32對(duì)之間的水壁段被表示為未知的電阻36，電阻36在圖2上被表示為在各個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)32對(duì)之間延伸的非直線段。為討論目的，矩陣34被處理為在X(水平)和Y(垂直)方向上延伸的二維表面。迭代地利用4線技術(shù)，獲得包含矩陣34中結(jié)點(diǎn)32之間的電壓測(cè)量的數(shù)據(jù)集。4線技術(shù)在矩陣34中各個(gè)位置施加恒電流源38和轉(zhuǎn)換器40(接地)。對(duì)于每次電流源/轉(zhuǎn)換器的迭代，通過連接矩陣34中結(jié)點(diǎn)32之間的電壓表44的導(dǎo)線42進(jìn)行電壓測(cè)量。結(jié)果的電壓測(cè)量組是據(jù)其計(jì)算未知電阻36的數(shù)據(jù)。
計(jì)算電阻性材料(例如碳鋼)的殘留厚度，對(duì)于具有均勻橫截面的等溫材料是相對(duì)簡(jiǎn)單的。然而，計(jì)算水壁中包含的電阻性材料的殘留厚度是相對(duì)比較復(fù)雜。圖3表示圖1所示燃燒爐12的水壁18的關(guān)心部分。水壁包括由所示材料壁板連接的并列布置的各個(gè)水管28。水壁18具有面對(duì)燃燒爐12內(nèi)部的內(nèi)面向表面46。多個(gè)結(jié)點(diǎn)48組成布置在水壁18的外側(cè)表面52上的矩陣50，使得這些結(jié)點(diǎn)不直接遭受輻射熱和其它熱條件，水壁18的內(nèi)面向表面46由于直接遭受燃燒爐12中的礦物燃料燃燒而遭受這些條件。例如，水壁18的內(nèi)面向表面46會(huì)遭受到900℃(900攝氏度)的溫度。結(jié)點(diǎn)48不必是以水壁18上的附加物理結(jié)構(gòu)形式，而可以代替地是水壁上的任意指定的位置。結(jié)點(diǎn)48是示意表示為圓圈的水壁18上位置。矩陣50可以是任何任意指定的結(jié)點(diǎn)48的布置，不必受任何水壁18的限定結(jié)構(gòu)的物理限制。于是，矩陣50在圖3上用折線表示。說明的實(shí)施例中的水管28一般地平行于Y軸取向，并包括內(nèi)表面54。為計(jì)算目的，結(jié)點(diǎn)48在X和Y方向上有效地等距互相間隔開，形成二維矩陣。由此，術(shù)語“有效地等距間隔開”要被理解為既包含在其中相鄰結(jié)點(diǎn)48對(duì)的各個(gè)結(jié)點(diǎn)是處在均勻的相互間隔上的情況，又包含這種情況，在其中結(jié)點(diǎn)48的各個(gè)結(jié)點(diǎn)不是互相物理上等距的，但它們的關(guān)系可以被數(shù)學(xué)上調(diào)整，使得為計(jì)算目的它們?nèi)缤染嚅g隔開的結(jié)點(diǎn)那樣表現(xiàn)，如下面討論的。
來自恒流源38在左上方節(jié)點(diǎn)進(jìn)入的電流具有一個(gè)簡(jiǎn)單的路徑56，用平行于Y軸的圖4上箭頭示意表示。平行于X軸的電流采取相對(duì)較復(fù)雜的路徑58，用圖4上箭頭示意表示。于是，平行于X軸的水壁的片電阻率將不同于平行于Y軸的水壁的片電阻率。然而，可以通過建立平行于Y軸的水壁的片電阻率對(duì)平行于X軸的水壁的片電阻率的比率來補(bǔ)償這個(gè)事實(shí)。這種關(guān)系在時(shí)間和溫度范圍上是足夠一致的，使得它不至于不適當(dāng)?shù)赜绊懡Y(jié)果的計(jì)算。計(jì)算電阻主要地被用來確定在被估算的水壁部分的厚度TH或溫度。
在已經(jīng)結(jié)合圖2和3討論了與燃燒爐的水壁電阻測(cè)量有關(guān)的電和物理現(xiàn)象的同時(shí)，現(xiàn)在參照?qǐng)D4。圖4說明圖2所示的二維矩陣34的數(shù)學(xué)表示。矩陣34被表示為在一邊具有11個(gè)結(jié)點(diǎn)32的二維網(wǎng)格。X和Y軸被劃成在所表示的網(wǎng)格中央有它們的原點(diǎn)X0和Y0。因?yàn)閷?duì)于不規(guī)則網(wǎng)格上的不等間隔的結(jié)點(diǎn)可以利用數(shù)學(xué)修正以調(diào)整網(wǎng)格相對(duì)于X和Y軸的片電阻率，所以網(wǎng)格被表示和數(shù)學(xué)處理為等行距間隔的結(jié)點(diǎn)32的網(wǎng)格。
按照基爾霍夫定律，圍繞任何閉合電路的總電位變化等于零。當(dāng)應(yīng)用到矩陣34時(shí)，基爾霍夫定律要求，對(duì)于任何閉合矩形曲線CC，從CC流出的電流之和必須等于CC里邊的所有電流源之和。
如以前表明的，電流源和轉(zhuǎn)換器的若干次迭代施加到水壁上結(jié)點(diǎn)32的矩陣上。每個(gè)加到矩陣34的電流源和轉(zhuǎn)換器的方式都會(huì)產(chǎn)生不同組的電壓測(cè)量。大數(shù)目的電流源/轉(zhuǎn)換器的迭代會(huì)產(chǎn)生較多組具有增加準(zhǔn)確度的潛力的電壓測(cè)量。然而，已發(fā)現(xiàn)，較小數(shù)目的仔細(xì)選擇的電流源/轉(zhuǎn)換器迭代產(chǎn)生具有可接受的準(zhǔn)確度的結(jié)果。
參照?qǐng)D4，字母NA、NB、ND和NG指定四個(gè)內(nèi)部隅角結(jié)點(diǎn)32。產(chǎn)生可接受結(jié)果的電流源/轉(zhuǎn)換器迭代的一個(gè)樣式或序列包括以下步驟(a)-(h)(a)將電流加到結(jié)點(diǎn)NA上和將轉(zhuǎn)換器加到結(jié)點(diǎn)NB上；(b)進(jìn)行電壓測(cè)量；(c)將電流加到結(jié)點(diǎn)ND上和將轉(zhuǎn)換器加到結(jié)點(diǎn)NG上；(d)進(jìn)行電壓測(cè)量；(e)將電流加到結(jié)點(diǎn)NA上和將轉(zhuǎn)換器加到結(jié)點(diǎn)NG上；(f)進(jìn)行電壓測(cè)量；(g)將電流加到結(jié)點(diǎn)ND上和將轉(zhuǎn)換器加到結(jié)點(diǎn)NB上；以及(h)進(jìn)行電壓測(cè)量。
替換地，另外的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，例如AA可以被用來產(chǎn)生可比較的結(jié)果。上述迭代導(dǎo)致四組電壓測(cè)量。
本發(fā)明的一個(gè)特別重要方面涉及，如何利用電壓數(shù)據(jù)產(chǎn)生對(duì)于在被估算的水壁那部分水壁的電阻率的計(jì)算值。電壓測(cè)量允許用簡(jiǎn)單的減法計(jì)算結(jié)點(diǎn)32之間的電壓降Δu。按照本發(fā)明的一個(gè)特別方面，包括對(duì)于Δu的數(shù)值的數(shù)據(jù)集可以被統(tǒng)計(jì)控制以消除異常值。本發(fā)明的目標(biāo)是減少電阻率計(jì)算中的誤差，并且用這樣統(tǒng)計(jì)方法改進(jìn)輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量已證明是有用的初始步驟。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例在為估算圍繞至少一個(gè)結(jié)點(diǎn)32的閉合矩形曲線CC而設(shè)計(jì)的計(jì)算中利用電壓降數(shù)據(jù)Δu。參照?qǐng)D4，選擇閉合矩形曲線CC的樣式包括所有可能的包括四個(gè)內(nèi)部隅角結(jié)點(diǎn)NA、NB、ND和NG的每一個(gè)的曲線CC。
這通過以只圍繞內(nèi)部隅角結(jié)點(diǎn)NA、NB、ND或NG的每個(gè)隅角中的曲線開始來完成。以下面要說明的方式估算這個(gè)曲線(為討論目的圍繞結(jié)點(diǎn)NB)。然后，擴(kuò)展該曲線例如包圍在X方向的另外結(jié)點(diǎn)。估算這個(gè)新曲線。進(jìn)一步由在該X方向另一個(gè)結(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展該曲線，直到該曲線包圍相對(duì)的隅角結(jié)點(diǎn)為止，現(xiàn)在該曲線包圍從NB到NG的一行結(jié)點(diǎn)32。該過程再以一個(gè)包圍二個(gè)結(jié)點(diǎn)-內(nèi)部隅角結(jié)點(diǎn)NB和y方向上的另一結(jié)點(diǎn)的新曲線CC開始。然后，在x方向擴(kuò)展這個(gè)新曲線CC，并在每次擴(kuò)展后估算它。該曲線CC在y方向被擴(kuò)展并橫跨矩陣，直到所有可能的包含內(nèi)部隅角結(jié)點(diǎn)NB的曲線被估算為止。對(duì)于四個(gè)內(nèi)部隅角結(jié)點(diǎn)NA、NB、ND和NG的每一個(gè)以及對(duì)于每組電壓測(cè)量都重復(fù)這個(gè)過程。
構(gòu)成用于估算每個(gè)曲線CC的基礎(chǔ)的一個(gè)可能有的物理的數(shù)學(xué)模型被敘述如下將水壁作為二維平板處理并假定無通過厚度的電流變化。在水壁上任何點(diǎn)(x、y)規(guī)定的電壓u(x、y)理想上滿足以下沿水壁上的任何矩形二維曲線CC的線積分方程[方程1] 這里，r是在弧長(zhǎng)s的CC上任何點(diǎn)；i(s)是在CC的外法線PP方向上流動(dòng)的在CC上弧長(zhǎng)S的電流；Sc是所有CC內(nèi)的電流源/轉(zhuǎn)換器之和；du/dsn是在點(diǎn)r處垂直曲線的電壓梯度；以及，ρr是在點(diǎn)r處的片電阻率。在這里，弧長(zhǎng)具有從某固定參考點(diǎn)測(cè)量的沿曲線的距離的傳統(tǒng)定義。
利用基爾霍夫定律或它的成為零線積分的推廣將電壓轉(zhuǎn)換成片電阻率被認(rèn)為是難處理的(不穩(wěn)定的)問題小的電壓變化產(chǎn)生大的電阻率變化。利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)解決辦法求解對(duì)每個(gè)曲線CC的線積分將得到具有振蕩性狀的計(jì)算電阻率。出現(xiàn)在測(cè)量中的誤差被方程的不穩(wěn)定性放大到這種程度，即，結(jié)果的計(jì)算電阻率不能以任何適當(dāng)?shù)闹眯哦葋肀皇褂谩，F(xiàn)在說明將集中在為使計(jì)算穩(wěn)定而使用的調(diào)整技術(shù)。
按照基爾霍夫定律，如果測(cè)量電壓是精確的，并且無其它誤差出現(xiàn)，對(duì)于每條曲線CC利用公式[方程2] 計(jì)算片電阻率ρr將產(chǎn)生精確的片電阻率。實(shí)際上，由于許多誤差是過程中固有的，所以，計(jì)算的Jnet(u)經(jīng)常會(huì)有非零正和負(fù)的數(shù)值，造成上述振蕩的計(jì)算電阻率ρ。在這些情況下，數(shù)學(xué)家應(yīng)用技術(shù)“調(diào)整”誤差(使計(jì)算穩(wěn)定)和實(shí)現(xiàn)未知被計(jì)算的更有用的真值估計(jì)，在此情況下未知的在被計(jì)算量是結(jié)點(diǎn)間的片電阻率ρ。
一個(gè)有用的調(diào)整模型是加入到標(biāo)準(zhǔn)最小二乘最小化模型的模型。對(duì)于由在每個(gè)從左到右的結(jié)點(diǎn)行中的M數(shù)目的結(jié)點(diǎn)和在每個(gè)從頂?shù)降椎慕Y(jié)點(diǎn)列中的N數(shù)目的結(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)格，平方對(duì)于每個(gè)可能有的曲線CC計(jì)算的Jnet(u)(消除負(fù)值和產(chǎn)生可微分的誤差函數(shù))和將結(jié)果值相加。結(jié)果最小二乘誤差最小化項(xiàng)如下[方程3]E=Σ#datasets[ΣCurves C(Jnet(u))2]]]>在這里，數(shù)據(jù)集(“#datasets”)數(shù)目的求和∑包括對(duì)于如上述的每次電流源/轉(zhuǎn)換器迭代的一個(gè)數(shù)據(jù)集。定義Jnet(u)的矩形閉合曲線CC被取為所有可能的矩形，包括水壁的四個(gè)隅中的每一個(gè)。這樣一來，在誤差E中相等地加權(quán)所有線性相關(guān)項(xiàng)。
由E定義的目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算組成需要對(duì)許多水壁上曲線CC以及對(duì)于流過每個(gè)曲線CC的凈電流的準(zhǔn)確和穩(wěn)定的計(jì)算組成的審慎選擇[方程4]
模型的成功依賴于如何選擇矩形。每個(gè)矩形包括至少一個(gè)內(nèi)部電壓結(jié)點(diǎn)、無邊界結(jié)點(diǎn)(在矩陣周邊上的結(jié)點(diǎn))和每個(gè)結(jié)點(diǎn)中間的邊位置(見圖4)。在內(nèi)部隅角結(jié)點(diǎn)B開始，曲線CCkj經(jīng)對(duì)于k＝2，...，M-1和j＝2，...，N-1的(k、j)圍繞結(jié)點(diǎn)NB。這產(chǎn)生(M-2)(N-2)個(gè)矩形。對(duì)于每個(gè)偶角重復(fù)這個(gè)產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)集的4(M-2)(N-2)個(gè)矩形。這提供許多比使E最小的MxN個(gè)末知片電阻率{ρkj；k＝1，M；j＝1，N}的唯一解所需要的多的項(xiàng)。然而，如此多的矩形的使用提供包括和除去給出最大誤差源的電流源和轉(zhuǎn)換器位置的曲線。此外，這個(gè)大數(shù)目使電壓測(cè)量中固有的變化性最小。
Jnet(u)公式通過電壓梯度精確定義積分。這允許任何數(shù)值積分方案被使用。所說明的圍繞每個(gè)矩形的線積分的數(shù)值估算使用在電壓結(jié)點(diǎn)中間的r點(diǎn)的立方樣條求積分。這具有模擬測(cè)量電壓之間更精細(xì)網(wǎng)格的存在以及用立方樣條近似任何失去的電壓的優(yōu)點(diǎn)。用Δud/Δsn近似垂直于邊的結(jié)點(diǎn)間的梯度du/dsn。其中，Δud是跨結(jié)點(diǎn)的電壓降，Δsn近是結(jié)點(diǎn)間的距離。
最好把最陡下降數(shù)值方法應(yīng)用到最小二乘誤差最小化項(xiàng)來求解使E值最小的片電阻率?？梢哉J(rèn)識(shí)到，當(dāng)E接近零時(shí)結(jié)果計(jì)算的片電阻率ρ的準(zhǔn)確度增加。有意義的穩(wěn)定性可以在剛敘述的計(jì)算中出現(xiàn)。為使計(jì)算穩(wěn)定調(diào)整是必要的。
可以把未知的片電阻率ρ想像為在矩陣中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)在x和y方向上投影的連續(xù)片段直線。一條直線的一級(jí)差分等于該直線的斜率。直線的二級(jí)差分2為零。對(duì)于跨平行于x軸的等距間隔的點(diǎn)x1、x2、x3的直線，可以用[方程5]表示二級(jí)差分x2ρxρx1-2ρx2+ρx3Δx2≈▿x2ρx]]>在這里，Δx是結(jié)點(diǎn)間的距離，ρx是平行于x軸的未知片電阻率。把同樣方法應(yīng)用到表示y方向上的片電阻率的直線，得到二級(jí)微商y2ρx的估計(jì)值。只利用ρx簡(jiǎn)行化方程，因?yàn)棣褃＝ρx/R，其中R是表示ρx和ρy間的比率的常數(shù)。然后把平方的二級(jí)差分用于如下[方程6]的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)中[(▿x2ρx)2+(▿y2ρx)2]]]>如果二個(gè)估計(jì)的二級(jí)差分(x2ρx、y2ρx)接近零，解的振蕩性狀被衰減并該解被穩(wěn)定。這提供另一個(gè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助最佳化的機(jī)會(huì)。
上面的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)用稱為調(diào)整常數(shù)的常數(shù)γ乘，并加到最小二乘誤差最小化項(xiàng)上，產(chǎn)生以下調(diào)整模型[方程7]E=Σ#datasets[ΣCurves C(Jnet(u))2]+γΣk,j=1M-1,N-1[(▿x2ρx)2+▿y2ρx)2]]]>調(diào)整常數(shù)γ允許提供整個(gè)調(diào)整模型中的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)的權(quán)重的調(diào)整。第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)具有將振蕩變換成局部線性性狀而不降低總的解答性狀的效果。
對(duì)調(diào)整模型的進(jìn)一步提煉認(rèn)識(shí)到，片電阻率ρx、ρy可以不是局部線性的。如果把結(jié)點(diǎn)之間的片電阻率想像為局部拋物線性的，則拋物線將由二次方程定義。二次方程的三級(jí)差分3為零。在r1點(diǎn)近似拋物線片電阻率需要來自四個(gè)平行于x軸等間隔的結(jié)點(diǎn)(x1、x2、x3、x4)的數(shù)據(jù)，并可以被表示如下[方裎8]-ρx1+3ρx2-3ρx3+ρx4Δx3≈▿x3ρx]]>同樣的方法應(yīng)用到在y方向延展的結(jié)點(diǎn)序列，得到三級(jí)微商y3ρx的估計(jì)值。又是，只利用ρx簡(jiǎn)化如上解釋的方程?？梢詰?yīng)用計(jì)算機(jī)輔助誤差最小化到平方的結(jié)果，產(chǎn)生笫三級(jí)誤差最小化項(xiàng)[方程9]≈0]]>笫三級(jí)誤差最小化項(xiàng)可以被加入到如下調(diào)整模型[方程10]E=Σ#datasets[ΣCurves C(Jnet(u))2]+γΣk,j=1M-2,N-2[(▿x3ρx)2+▿y3ρx)2]]]>理想上，測(cè)量電壓Δu會(huì)是對(duì)矩陣上的每個(gè)電壓結(jié)點(diǎn)可得到的，所以四個(gè)連續(xù)電壓測(cè)量Δu可以被加入到每個(gè)笫三級(jí)誤差最小化項(xiàng)的估計(jì)。
在現(xiàn)場(chǎng)，電壓數(shù)據(jù)可以是不完全的。按照本發(fā)明的有意義方面，當(dāng)笫三級(jí)誤差最小化項(xiàng)所需要的數(shù)據(jù)不可得到時(shí)，第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)被替代到調(diào)整模型中。結(jié)果的“混合”調(diào)整模型比如果不完全的笫三級(jí)項(xiàng)從模型省去更準(zhǔn)確。
為使一次和二次項(xiàng)同等準(zhǔn)確應(yīng)該確定γ值。在實(shí)驗(yàn)室條件下，γ的網(wǎng)格歸一化值的1的值已產(chǎn)生良好結(jié)果。1的值給第二級(jí)或第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)等于一次項(xiàng)的權(quán)重的調(diào)整模型中的權(quán)重。在現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)需要時(shí)可以調(diào)整常數(shù)γ的值，以增加或減少調(diào)整模型上的第二或第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)的作用。
最好將如上披露的用于電阻映象的調(diào)整模型加入到在線燃燒容器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在線燃燒容器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部件包括系統(tǒng)計(jì)算機(jī)62和常規(guī)電壓數(shù)據(jù)收集裝置64，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)62可以是，例如，PC(個(gè)人計(jì)算機(jī))為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理裝置，如圖1所示，常規(guī)電壓數(shù)據(jù)收集裝置64用于從布置在燃燒容器壁上的結(jié)點(diǎn)矩陣34收集電壓數(shù)據(jù)。常規(guī)電壓數(shù)據(jù)收集裝置64最好包括數(shù)據(jù)收集組件，數(shù)據(jù)收集組件包括開關(guān)裝置和測(cè)量裝置，它們用于迭代地加多個(gè)電流源/轉(zhuǎn)換器配置到圖3所示的矩陣上，以及用于對(duì)每次電流源/轉(zhuǎn)換器迭代，從而收集對(duì)應(yīng)于矩陣上每個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的電壓降的電壓數(shù)據(jù)。
將電壓數(shù)據(jù)饋送給系統(tǒng)計(jì)算機(jī)62，在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)62中，系統(tǒng)程序以數(shù)字格式組織收集的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序與在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)62中駐留的若干子程序互相作用。上面披露的用于電阻映象的調(diào)整模型是作為電阻映象(ERM)子程序標(biāo)識(shí)的子程序的一部分。在ERM子程序中，電壓數(shù)據(jù)被插入到調(diào)整模型的三個(gè)主要方程以形成目標(biāo)函數(shù)。ERM子程序訪問最佳化子程序，最佳化子程序最好應(yīng)用最陡下降數(shù)值方法到目標(biāo)函數(shù)。按照本發(fā)明，最陡下降數(shù)值方法為接近預(yù)定級(jí)別的誤差E或收斂在預(yù)定級(jí)別的誤差E上而工作。
最陡下降數(shù)值方法必須從未知量的準(zhǔn)確估計(jì)值開始，在此情況下未知量是片電阻率ρ。通過用燃燒容器壁的厚度除用于構(gòu)制燃燒容器壁的材料的電阻率計(jì)算在最佳化子程序中用的ρ的估計(jì)值。用以cm為單位的標(biāo)稱水壁厚度除以Ω-cm為單位的電阻率產(chǎn)生估計(jì)的ρ。將估計(jì)的ρ插入到目標(biāo)函數(shù)作為由最佳化子程序應(yīng)用的最陡下降數(shù)值方法的開始點(diǎn)。
在最陡下降數(shù)值方法在最佳化子程序中的應(yīng)用之前必須建立的另一個(gè)數(shù)值是調(diào)整模型中的可接受級(jí)別的誤差E。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，可接受級(jí)別的誤差E與電壓測(cè)量中的誤差等同。在應(yīng)用中，E的數(shù)值是1/10,000或0.0001，表明4位電壓測(cè)量準(zhǔn)確度。0.0001的數(shù)值也確認(rèn)這樣事實(shí)，即，結(jié)果計(jì)算的準(zhǔn)確度不超出某個(gè)低級(jí)別的E很大地改善。
現(xiàn)在，最佳化子程序具有所有為應(yīng)用最陡下降數(shù)值方法到目標(biāo)函數(shù)和得到片電阻率ρ的計(jì)算值的信息。ERM子程序使用計(jì)算的片電阻率ρ預(yù)測(cè)水壁的溫度或耗蝕，從而依賴于特定的設(shè)備。溫度和/或耗蝕數(shù)據(jù)被饋送到系統(tǒng)計(jì)算機(jī)62。系統(tǒng)計(jì)算機(jī)62將數(shù)據(jù)格式化成方便用戶的圖形或數(shù)字顯示。當(dāng)然，指示危險(xiǎn)情況的結(jié)果能觸發(fā)視聽報(bào)警和/或受影響的燃燒容器的自動(dòng)停爐。
雖然為說明目的已陳述了上述發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)該認(rèn)為上述說明是對(duì)這里發(fā)明的限制。因此，本專業(yè)技術(shù)人員不偏離本發(fā)明的精神和范圍會(huì)想到各種修改、改編和替換。
權(quán)利要求
1.一種通過迭代地施加已知電流到矩陣上并測(cè)量在結(jié)點(diǎn)的電壓并根據(jù)從布置在電阻性材料上的結(jié)點(diǎn)矩陣收集的電壓數(shù)據(jù)計(jì)算電阻性材料電阻率的方法，每次所說的施加已知電流的迭代導(dǎo)致一組測(cè)量電壓，所說的測(cè)量電壓包括誤差E，所說的方法包括這些步驟從所說的測(cè)量電壓準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，所說的數(shù)據(jù)集包括結(jié)點(diǎn)之間的電壓降Δu將所說電壓降Δu作為已知變量輸入應(yīng)用到按照物理定律模擬二維電阻性材料的方程，所說的方程還包括代表多個(gè)未知電阻率的項(xiàng)，并且具有等于零的解，只要所說方程含有準(zhǔn)確的所說未知電阻率的值和存在無誤差E；選擇可接受的E值；以及調(diào)整所說的方程以穩(wěn)定利用所說的方程計(jì)算的所說未知電阻率的值，其中所說的調(diào)整步驟包括加調(diào)整項(xiàng)到所說的方程，所說的調(diào)整項(xiàng)包括乘以第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)的選擇的調(diào)整常數(shù)γ；以及將所說的方程和所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)加入到最小二乘最小化模型和利用基于計(jì)算機(jī)的數(shù)值方法求解導(dǎo)致對(duì)最小二乘最小化模型的全解的在所說的可接受E值以下的電阻率值。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，所說的方程將基爾霍夫定律應(yīng)用到選擇的圍繞至少一個(gè)結(jié)點(diǎn)的閉合矩形曲線CC，所說的方程包括 在這里，r是在弧長(zhǎng)s的CC上的任何點(diǎn)，i(s)是在CC外法線n方向上流動(dòng)的CC上的在弧長(zhǎng)s的電流，SC是所有CC內(nèi)電流源/轉(zhuǎn)換器之和，du/dsn是在點(diǎn)r垂直于曲線的電壓梯度，以及ρr是在r的片電阻率。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所說的E的可接受值與電壓測(cè)量中的誤差等同。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，利用所說的方程估算所有可能有的為包括矩陣的四個(gè)內(nèi)部隅角結(jié)點(diǎn)的每一個(gè)而選擇的曲線CC。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，確定所說的調(diào)整常數(shù)γ，使得所有誤差項(xiàng)都具有相等的準(zhǔn)確度。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)模擬所說的電阻率為經(jīng)四個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)延伸的局部拋物線以及所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)包括所說的拋物線的第三級(jí)微商的估計(jì)值。
7.權(quán)利要求6的方法，其中，所說的估計(jì)值由以下方程定義-ρx1+3ρx2-3ρx3+ρx4Δx3≈▿xρx3]]>這里，X1、X2、X3、X4是平行于矩陣的x或y軸的四個(gè)等間隔的結(jié)點(diǎn)，Δx是結(jié)點(diǎn)間的距離，以及ρx是未知電阻率。
8.權(quán)利要求1的方法，其中，所說的調(diào)整項(xiàng)包括需要比所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)少的數(shù)據(jù)的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)，以及所說調(diào)整步驟還包括當(dāng)沒有足夠用于所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)的數(shù)據(jù)時(shí)用所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)代替所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)模擬所說的電阻率為經(jīng)過三個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)延伸的片段直線，以及所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)包括所說的直線的二級(jí)微商的估計(jì)值。
10.權(quán)利要求9的方法，其中，所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)由以下方程定義ρx1-2ρx2+ρx3Δx2≈▿xρx2]]>這里，X1、X2、X3是平行于矩陣的x或y軸的三個(gè)等距間隔的點(diǎn)，Δx是結(jié)點(diǎn)間的距離，以及ρx是未知電阻率。
11.一種用于調(diào)整在線燃燒容器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的片電阻計(jì)算的最佳化的方法，所說的方法包括這些步驟在最佳化之前加調(diào)整項(xiàng)到計(jì)算上，所說的調(diào)整項(xiàng)包括乘以第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)的調(diào)整常數(shù)γ，所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)模擬所說的片電阻為經(jīng)過測(cè)量矩陣的四個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)延伸的拋物線，以及所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)包括所說的拋物線的第三級(jí)微商的估計(jì)值。
12.權(quán)利要求11的方法，其中，所說的估計(jì)值由以下方程定義-ρx1+3ρx2-3ρx3+ρx4Δx3≈▿xρx3]]>這里，X1、X2、X3、X4是平行于矩陣的x或y軸的四個(gè)等間隔的結(jié)點(diǎn)，Δx是結(jié)點(diǎn)間的距離，以及ρx是未知片電阻率。
13.權(quán)利要求11的方法，其中，所說的調(diào)整項(xiàng)包括要求比所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)少的數(shù)據(jù)的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)，以及所說加步驟還包括當(dāng)沒有足夠用于所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)的數(shù)據(jù)但有足夠用于所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)的數(shù)據(jù)時(shí)，用所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)代替所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)。
14.權(quán)利要求13的方法，其中，所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)模擬所說的片電阻率為經(jīng)過三個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)延伸的直線，以及所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)包括所說的直線的二級(jí)微商的第二級(jí)估計(jì)值。
15.權(quán)利要求14的方法，其中，所說的第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)由以下方程定義ρx1-2ρx2+ρx3Δx2≈▿x2ρx]]>這里，X1、X2、X3是平行于矩陣的x或y軸的三個(gè)等距間隔的點(diǎn)，Δx是結(jié)點(diǎn)間的距離，以及ρx是未知電阻率。
16.一種用于估算代表燃燒容器電特性的數(shù)據(jù)的方法，燃燒容器對(duì)燃燒燃料可工作的，所說的方法包括準(zhǔn)備基于從布置在燃燒容器的電阻性材料上的結(jié)點(diǎn)矩陣收集的電壓數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，包括通過迭代地施加已知電流到矩陣上并測(cè)量在結(jié)點(diǎn)的電壓計(jì)算電阻性材料的電阻率，每個(gè)所說的施加已知電流的迭代導(dǎo)致一組測(cè)量電壓，所說的測(cè)量電壓包括誤差E，所說的數(shù)據(jù)集包括結(jié)點(diǎn)間電壓降；將所說的電壓降Δu作為已知變量輸入到考慮多個(gè)未知電阻率的電阻性材料模型；選擇可接受的E值；以及調(diào)整所說的模型以穩(wěn)定利用所說的模型計(jì)算的所說的未知電阻率。
17.一種用于按照權(quán)利要求16估算代表燃燒容器電特性的數(shù)據(jù)的方法，其中，在所說的模型包含準(zhǔn)確的所說的未知電阻率的值并且無誤差E出現(xiàn)的情況下，電阻性材料模型具有等于零的解，以及所說的調(diào)整步驟包括加調(diào)整項(xiàng)到所說的方程，所說的調(diào)整項(xiàng)包括乘以第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)的選擇的調(diào)整常數(shù)γ，以及將所說的方程和所說的第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)加入到最小二乘最小化模型和利用基于計(jì)算機(jī)的數(shù)值方法求解導(dǎo)致對(duì)最小二乘最小化模型的總的解并在所說的可接受的E值以下的電阻率值。
全文摘要
用于例如燃燒礦物燃料的燃燒爐12這樣的燃燒容器的電阻映象的調(diào)整模型通過將第三級(jí)和/或第二級(jí)誤差最小化項(xiàng)加入到該模型使從測(cè)量電壓u的電阻率ρ計(jì)算穩(wěn)定。第三級(jí)誤差最小化項(xiàng)代表電阻率三級(jí)差分公式▽
文檔編號(hào)G01N17/00GK1545620SQ02816280
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2002年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月21日
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