[发明专利]一种基于皮尔逊Ⅲ型分布的水流掺气浓度计算方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于皮尔逊Ⅲ型分布的水流掺气浓度计算方法及系统，利用掺气水流电导率的动态数据样本进行掺气浓度计算，通过数据样本直接求算清水电阻，不需要用专门的清水测点传感器进行清水电阻量测；除了计算平均掺气浓度外，还可以求算不同频率的掺气浓度，使掺气浓度量测成果更为丰富，更能全面地反映掺气设施的掺气减蚀效果。

技术领域

本发明涉及一种水流掺气浓度的计算方法，具体是一种用电导率测量仪量测掺气水流动态的电导率数据，并将其转换为动态的掺气电阻且掺气电阻符合皮尔逊Ⅲ型分布时，求算水流掺气浓度的计算方法及系统。

背景技术

在水利水电工程实践中，高速水流泄水建筑物混凝土表面容易发生空蚀破坏，通常的解决方案是在流道内设置掺气设施，利用掺气设施的作用强迫高速水流掺气，以达到减免空蚀破坏的目的。水流掺气浓度是衡量掺气设施布置及结构体型合理性的重要指标。

高速水流掺气是一个随机过程，掺气浓度越大(水体中气泡越多)掺气电阻越大，反之越小，未掺气时的清水电阻最小。掺气电阻作为随机变量基本服从正态分布或皮尔逊Ⅲ型分布。当已知水流的掺气电阻和清水电阻时，可用麦克斯韦尔公式计算掺气浓度。

麦克斯韦尔提出了计算两种不同电阻率材料的整个圆球电阻率的计算模型，模型假设一个充满电阻率为k1材料1的大圆球中分布着若干个电阻率为k2材料2的小圆球，小圆球之间的距离远大于小圆球的直径，以保证相互之间不产生影响。圆球电阻率的计算公式为：

式中，K为整个圆球的电阻率；k1为材料1的电阻率；k2为材料2的电阻率；p为材料2占总体积的百分数。

将电阻率计算公式应用于掺气水流中，材料1为水，材料2为气泡，取空气的电阻率k2＝+∞，化简公式得到掺气水流中气泡的体积百分数，即掺气浓度C：

式中，C为掺气浓度；R₀为不含气泡的清水电阻；R_c为含气水流的掺气电阻。

目前广泛使用的掺气浓度测量仪为电阻式掺气浓度仪，只能量测水流的平均掺气电阻，且量测时必须有一个掺气传感器(称为清水测点传感器，位于掺气设施的上游)在同一时段内量测未掺气水流的清水电阻。通过掺气测点传感器与清水测点传感器的比测值求算各掺气测点的清水电阻，进而计算掺气测点的平均掺气浓度。

随着检测仪器设备和计算机数据采集技术的发展，电导率测量仪已应用于水流掺气浓度的量测中，并实现了水流电导率的动态量测，由于水流的电阻与电导率成反比例关系，因此可以计算水流的动态电阻。电导率测量仪用于掺气浓度量测尚处在起步发展阶段，至今没有一种合理的掺气浓度计算方法，因此迫切需要一种动态测量数据求算水流掺气浓度的计算方法。

发明内容

本发明旨在提供一种基于皮尔逊Ⅲ型分布的水流掺气浓度计算方法及系统，通过样本直接求算清水电阻。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于皮尔逊Ⅲ型分布的水流掺气浓度计算方法，包括以下步骤：

1)动态采集掺气水流的电导率数据样本；

2)将电导率数据样本转换为电阻数据样本，对数据样本进行预处理，剔除不合理的和孤立的峰值数据；

3)计算预处理后的数据样本的参数并绘制图形；所述数据样本的参数包括掺气电阻平均值Rc、标准差σ、离势系数Cv、偏态系数Cs、众数M0、中位数Me及时间过程线、概率密度曲线；

4)对数据样本的参数及图形进行分析：当Cs>0，Me>M0，概率密度曲线呈一条一端有限、一端无限的不对称单峰曲线时，判定数据样本符合皮尔逊Ⅲ型分布，进入步骤5)；否则，结束。