[发明专利]应用于嵌入式监测设备的IAPWS-IF97物性幂次计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于嵌入式监测设备的IAPWS-IF97物性幂次计算方法，属于工业过程监控技术领域。

背景技术

水和水蒸汽作为典型的常规工质被广泛应用于动力工程、能源化工及相关科学领域，因此，水和水蒸汽的热力性质计算就成为工程设计、科学研究工作中必不可少的基础工作。对其物性参数能否经行快速、准确地求取，有利于热力系统的运行调试、性能检测以及优化控制系统的稳定性。

目前，被广泛采用的水和水蒸气物性公式是IAPWS-IF97公式。IAPWS-IF97公式基本形式为多项式。每一个公式由几项至几十项相加组成。每一项因子分别由两个自变量幂的乘积组成。多项式中幂指数不是i，而是i对应的离散整数。IF97公式的基本计算对象是：二元、离散整指数幂值。IF97公式的快速算法关键就是二元、离散整指数幂值的快速计算。多年来，有大量基于IAPWS-IF97公式的计算方法被研究和开发出来：

参见图1，为现有的直接利用IAPWS-IF97公式使用软件的计算方法，具体步骤如下：

1、输入两个已测得的水和水蒸气物性参数(如P-压力，T-温度，v-比容，H-焓，S-熵，x-湿度)；

2、根据输入的水和水蒸气的物性参数求取该参数所在的算法分区；

3、对非饱和区参数，使用IAPWS-IF97公式计算，其中幂计算调用程序设计语言数学库中的幂函数；

4、对饱和区参数，使用IAPWS-IF97公式计算，其中幂计算调用程序设计语言数学库中的幂函数；

5、对水和水蒸气其他热力性质的计算(如：粘度，比热，导热系数，绝热焓降等)，其中幂计算调用程序设计语言数学库中的幂函数；

6、输出所需的水和水蒸气的物性参数和其他热力性质参数。

这种计算方法程序简单，但因为公式中部分幂次被重复计算，速度不高。这样如果在服务器端运用这种方法计算水和水蒸气物性会造成服务器始终处于高荷载状态，降低服务器的可靠性；如果是在嵌入式系统中运行会受限于硬件的性能和电池的容量，计算性能和持久性得不到保证。

参见图2，为现有的对IAPWS-IF97公式进行人工分析和重构的计算方法，具体步骤如下：

1、对IF97公式人工进行分析，找出公式中所有可能重复计算的幂次；

2、将这些幂次分离出来，并计算出其结果；

3、重构IF97公式，在遇到重复的幂次时直接使用之前计算好的计算结果回代；

4、输出所需的水和水蒸气的物性参数和其他热力性质参数。

这种计算方法消除了一些幂次的重复计算，计算速度快。但这类方法是人工寻找重复幂次，结果正确如何和重复幂次的减少程度完全取决于分解人的细心、耐心，结果有很大不确定性，对应的软件也几乎不具备可维护性。

IAPWS-IF97水和水蒸汽物性的计算方法主要运用于以下三种设备中：

仪表，如流量计等。这类设备需要快速地对水和水蒸汽的物性(如比容)进行计算。

嵌入式监测设备，如火电厂嵌入式继电保护设备。这类设备需要快速地对水和水蒸汽物性进行运算分析，及时处理故障，确保电厂电网系统安全运行。

以上两类设备，由于对体积的要求，主要使用单片机进行计算和数据处理。由于单片机的计算能力和计算资源有限，在对水和水蒸汽的物性进行计算的时候，不可能使用完整的IAPWS-IF97公式，一般的，厂家为了快速计算获得水和水蒸汽物性，使用IAPWS-IF97公式的近似公式，对计算进行相应的简化。这样做会产生两种影响：一是使用近似公式进行计算，虽然满足了计算速度的要求，但是计算精度不够；二是不同的厂家会使用各自认为相对准确的IAPWS-IF97近似公式，这样对水和水蒸汽物性的近似计算上就没有统一的标准。

在线监测信息管理服务器上。在服务器端，虽然计算速度和计算资源比嵌入式设备好很多，但是使用本专利提出的计算方法对水和水蒸汽的物性进行计算，可以大大降低服务器的负载，从而节省出更多的资源进行其他的复杂运算。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供应用于嵌入式监测设备的IAPWS-IF97物性幂次快速计算方法，使计算速度得到了大幅度的提高，让嵌入式监测设备计算能力有限的单片机依然可以实现IAPWS-IF97水和水蒸气物性的实时计算。同时，本计算方法并没有破坏IAPWS-IF97公式的结构或对公式做任何的近似，能保证水和水蒸汽物性计算结果的精确度。