[发明专利]对气体排放进行基于经验集合的虚拟传感的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于进行基于经验集合的虚拟传感(empiricalemsemble-based virtual sensing)的方法和系统，并且更特别地涉及用于测量燃烧过程的排放物(如NOx、CO2等)的虚拟气体传感器的系统和方法。

背景技术

NOx是在燃烧中产生的单氮氧化物(NO和NO2)的总称。NOx可以通过对在燃烧空气中发现的双原子氮进行高温氧化而形成。另外，燃烧含氮燃料(如某些煤炭和石)，导致燃料中的氮转化为NOx。

气体NOx最终形成硝酸，这会导致酸雨。1997年54个国家批准的京都议定书中，将NO₂列为温室气体，并呼吁全世界减少其排放，《远距离越境空气污染公约》(Convention on Long-range Transboundary AirPollution)(称为哥德堡议定书)也发出了同样的呼吁。

结果，NOx的排放在许多国家都受到了控制，例如瑞典从1992年开始就对燃烧装置排放的NOx收费，挪威则从2007年开始对所有的NOx排放统一收费。法国和意大利也进行了收费，与此相反，美国却具有NOx预算许可(NOx budget permits)系统。

因此有必要测量从某设备或者燃烧过程排放的NOx的量。但是由于例如高温和烟尘的恶劣的运行环境，开发好的传感器存在问题。需要的灵敏度要高，典型地，NO水平在100-2000ppm左右，NO₂在20-200ppm左右，并且还存在多个误差来源，例如气流的冷却。

基于同样的考虑，也有必要测量其他气体，例如碳氧化物和硫氧化物。

一般来说存在许多种情况，在这些情况下可用的设备不足以用于测量，下面列举了最普遍的情况(最初由BioComp Systems，Inc.在他们的网页http://www.biocompsystems.com/technology/virtualsensors/index.htm25.07.2008上提出)：

1.感兴趣的物理量没有在线测量。一种典型的情况是样本周期性地送往实验室进行分析。这些样本可能是空气、水、油或者材料样本，在分析后用来控制环境气体排放、产品质量或者过程条件。

2.可用的物理传感器速度太慢，尤其是用于自动控制中。

3.物理传感器位于太远的下游处，例如，连续监测最终结果来探测生产偏差，但接收到这些信息时已经太迟，无法进行修正操作。

4.物理传感器太贵。

5.没有办法安装物理传感器，例如，没有物理空间。

6.传感器环境太恶劣。

7.物理传感器不准确。可用的物理传感器可能本身不准确或者劣化。文丘里管流量计的刻度就是一个典型的例子。

8.物理传感器的维护太贵。

虚拟传感(visual sensing)技术，也称作软或代理传感(proxy sensing)，是基于软件的技术，用于取代昂贵的或不实用的物理测量装置和传感器系统，是一种经济可行的替代技术。虚拟传感系统使用可从其他在线测量仪器获得的信息和过程参数来计算感兴趣的量的估计。

可以获得很多虚拟传感技术，并且可以分为两个主要类别：

■分析技术

■经验技术

分析技术基于物理定理的逼近来计算测值估计，物理定理揭示了感兴趣的量与其他可获得的测值和参数的关系。

使用基于“第一原则”模型的分析技术的显著优势是当物理上无法测量的量可以得自于相关的物理模型方程时可以进行这些量的计算。

分析技术的主要缺陷在于它要求在数量上准确的数学模型，以使该技术有效。对于大型系统，这样的信息可能是无法获得的，或者过于昂贵和费时从而无法编译。另外，如果设备或过程发生了变化，设计工作需要更新并改变物理模型。虽然可以利用建模工具来支持模型建立和维护工作，但需要过程专家持续更新模型。

经验技术基于可获得的同一量的历史测量数据，并且基于与其他可获得的测值和参数的相关性来计算测值估计。未测量的量的历史数据可能要么得自用临时安装的传感器系统进行的实际测量活动，要么得自实验室分析记录，要么得自采用复杂分析模型进行的详细估计，该模型的运算非常昂贵从而不能在线运行。如果有人想开发一种经验虚拟传感器来估计无法测量的量，后者是唯一可能的选择，因为很显然没有可用的历史数据。

经验虚拟传感是基于可以使用各种统计或机器学习建模方法来实现的函数逼近和回归技术，所述统计或机器学习建模方法例如：