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与流程

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；rc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。技术实现要素：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。5)确定参数rc、cv和cs，计算清水电阻r0：并计算频率为p的掺气电阻rcp；6)计算频率为p的掺气浓度cp：步骤1)中，利用电导率测量仪动态采集掺气水流的电导率数据样本。成本低，实现简单。步骤1)中，电导率测量仪的采样频率为10hz，电导率数据样本不少于1024点。保证测量精度。步骤3)中，用gammadist函数绘制概率密度曲线，实现简单可靠。步骤5)中，用gammainv函数计算掺气电阻rcp，计算简单。相应地，本发明还提供了一种基于皮尔逊ⅲ型分布的水流掺气浓度计算系统，包括：采集模块：用于动态采集掺气水流的电导率数据样本；预处理模块：用于将采集模块采集的电导率数据样本转换为电阻数据样本，并对数据样本进行预处理，剔除不合理的和孤立的峰值数据；图形绘制模块：用于计算预处理后的数据样本的参数并绘制图形；分析模块：用于对数据样本的参数及图形进行分析：当偏态系数cs>0，众数me>中位数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；第一计算单元：用于对符合皮尔逊ⅲ型分布的数据样本进行如下参数计算：确定掺气电阻平均值rc、离势系数cv、偏态系数cs，计算清水电阻和频率为p的掺气电阻rcp；第二计算单元：用于根据第一计算单元的输出，计算频率为p的掺气浓度cp：本发明的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。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提供了一种利用掺气水流电导率的动态数据样本进行掺气浓度计算的方法；当样本符合皮尔逊ⅲ型分布时，可通过样本直接求算清水电阻，不需要专门的清水测点传感器进行清水电阻测量；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。附图说明图1是本发明的方法流程图；图2是本发明实施例的时间过程线；图3是本发明实施例的概率密度曲线；图4是本发明实施例的适配曲线。具体实施方式如图1所示，本发明的方法流程如下：步骤1，用电导率测量仪配合计算机数据采集系统动态采集掺气水流的电导率数据样本，采样频率10hz，样本数据不少于1024点；步骤2，将电导率数据样本转换为电阻数据样本，对样本数据进行预处理。数据样本一般具有平稳随机过程的统计特性，据此可以判断数据的合理性，剔除由于供电电压不稳定、外部环境干扰等诸多意外事件造成的整体偏离平均值的不合理数据以及孤立的峰值数据；步骤3，计算数据样本的参数并绘制图形，包括：掺气电阻平均值rc、标准差(均方差)σ、离势系数(离差系数)cv、偏态系数(偏差系数)cs、众数m0、中位数me及时间过程线、概率密度曲线(如表1及图2、图3所示)；表1实施例数据样本参数表参数名称数值掺气电阻平均值rc876标准差σ38离势系数cv0.045偏态系数cs1.850众数m0859中位数me866步骤4，对数据样本的参数及图形进行综合分析：数据样本的时间过程线反映了数据随时间的变化规律，一般具有平稳随机过程的统计特性，据此可以判断数据的合理性。由于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(如图3所示)，所以可基本判断数据样本符合皮尔逊ⅲ型分布；步骤5，用适线法确定参数：rc、cv、cs(如图4所示)；步骤6，计算清水电阻r0：r0＝833ω；步骤7，由给定的频率p，用gammainv函数计算频率为p的掺气电阻rcp；步骤8，计算频率为p的掺气浓度cp：实施例计算成果如表2所示。表2实施例掺气浓度计算成果表频率p％掺气电阻rcpω掺气浓度cp％109287.02209015.13508662.54808450.90998340.06当前第1页12