基于调和矢量场及电阻网络建模的电磁流量传感器基础理论研究

发布时间：2017-06-03 09:00

  本文关键词：基于调和矢量场及电阻网络建模的电磁流量传感器基础理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,世界范围内的水资源紧缺和日益增长的需求催生了有限资源的优化分配及节能减排问题,而流体流量的精确测量则是首先急需解决的重点之一。在诸多应用于流量测量的主流传感器中,电磁流量传感器是一种具有代表性的、二十世纪五十年代迅速发展起来的感应式流量测量传感器,以其测量精度高、量程比宽、受管内流场分布影响最小等特点,受到了人们的广泛关注与青睐。相应地,电磁流量传感器基础理论研究也成为了国内外学者以及技术工作者长年关注的热点之一,不断地有新的论文、专利与专著出现。然而,由于该研究领域属于多学科交叉范畴,涵盖电磁学、流体力学、信息学等诸多内容,深入的理论探索,特别是基于场的研究以及多物理场耦合下的传感器特性研究,有待进一步发展与完善。基于上述背景,本文主要围绕着电磁流量传感器领域中两大核心问题,即具有普适性的传感器权重场与管道流场理论分析方法,开展了如下研究工作:一是整理与总结了前人在电磁流量传感器领域中的重要理论研究成果以及目前存在的问题。一方面介绍了关于传感器测量方法、权重函数理论及管道流场分布理论的研究现状,并对其中存在的主要问题进行了整理与归纳。另一方面介绍了电磁流量传感器的基本测量原理与测量方程,进而引入到目前权重函数理论与流场理论的经典成果,为后文的引用提供必要铺垫。偏微分方程理论及其计算方法的介绍用于本文的数学建模与仿真平台搭建,为研究本身打下坚实基础。二是研究并提出了一种具有普适性的、基于调和矢量场及电阻网络建模的传感器权重函数计算方法。简要介绍了经典场论中的三类重要矢量场及其相关特性,研究了调和矢量场的泛定方程与无源无旋物理场的本质联系,提出了多物理场等效模拟的方法构想,进而将其引入到电磁流量传感器的权重函数研究领域。在理论上认识到了权重矢量场是一种调和矢量场,并在场论背景下探讨了权重函数的物理意义,获得了等价定义及简化模型。同时,提供了两种基于不同坐标系的纯电阻网络建模,分别来适应不同几何结构的电磁流量传感器。基于上述研究成果,便能够通过对管道流体及其传感器边界的纯电阻网络建模,简单地运用基尔霍夫电流定律来得到传感器空间有效区域内各点的电势和电流密度,结合权重函数的等价定义,进而获取相应的权重函数分布。为考察该理论的可行性与有效性,本文从理论推导和数值仿真两方面对该计算方法进行了的验证,为该方法的后续案例实现及传感器特性的相关分析提供保证。三是基于调和矢量场及电阻网络建模的传感器权重函数计算方法研究了三种具有代表性结构的电磁流量传感器权重函数及其相关特性。介绍了电磁流量传感器中的分类,从中选取了三种既能反映出不同于经典模型的混合边界条件问题,又同时都存在理论空白以及工程价值的非满管电磁流量传感器模型作为算例。理论研究了相关传感器在均匀磁场下的权重函数分布以及各物理参数之间的特性关系,并以算例的形式验证了基于调和矢量场和电阻网络建模的权重函数计算方法的可行性与有效性。四是研究了非满管直匀流的定常流场分布理论问题,提出了一种基于N-S方程的非满管定常流场的简化模型。根据实际情况给出了非满管直匀流的研究前提,针对其兼具明渠流与二相流的特点构建了基于N-S方程的数学模型,确定了数理方程和边界条件,依靠数学模型与数值仿真相结合的方法求解流场。使用文献中的实测流场数据作比对,验证了该模型的正确性和有效性。在此模型的基础上,借助数值仿真平台,对不同流体充满度下的沿管流场分布、流场发展状态、流速分布特征及断水截面流速分布进行了研究,得到了较为合适的满足充分发展流的前直管段长度区间、归一化流速与流体充满度之间的特性关系,同时又研究得出了非满管二维断水截面的流速等值线与三维流速曲面。这些研究工作为后续传感器的理论设计与实验验证作铺垫。五是选择并搭建了基于长弧形电极的非满管电磁流量传感器软硬件验证系统平台。探讨了非满管电磁流量传感器的基本设计理念,并针对流速测量与液位测量两个方面,分析与选用一种基于长弧形电极的非满管电磁流量传感器结构设计。从转换器的基本要求入手,参与设计了一种集激励模块、模拟信号处理模块、微处理器控制模块、人机交互模块于一体的硬件系统,并对其中的关键模块进行了详细的分析与阐述。明确了软件系统的总体设计内容,设计与采用了前后台系统作为非满管电磁流量测量系统的软件架构。结合双CPU并行工作机制的特点,开发了相应的上下位机程序,研究了非满管电磁流量测量系统的双激励时序及流速、零点与液位信息的计算方法,并提出了一种基于众数的数字滤波算法,以处理实际信号的去噪问题。通过样机的实流标定与相关部门的检测结果,验证了该系统的可靠性。六是完成了基于调和矢量场及电阻网络建模的电磁流量传感器基础理论的验证性实验与相关特性分析。基于验证系统平台,设计与介绍了用于非满管流量测量的实验装置及其概要工作流程,探讨了功能验证性实验的主要设计思想,选择并采用实验中的流体流速与传感器灵敏度以验证本文所提出的理论模型。通过比对理论模型与实流实验所获得的数据,在宏观上验证了本文提出的理论方法的正确性与可靠性,同时基于理论模型给出了该非满管电磁流量传感器的相关特性曲线与参数影响分析,为今后其投入到实际应用与相关基础研究提供参考依据。
【关键词】：电磁流量传感器 调和矢量场 电阻网络建模 多物理场耦合
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 主要符号对照表14-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 课题的研究背景及意义17-18
• 1.2 流量测量的基本原理18-20
• 1.3 基于电磁流量传感器的流量测量20-21
• 1.4 国内外电磁流量传感器领域的研究现状21-27
• 1.4.1 电磁流量传感器测量方法的研究现状21-24
• 1.4.2 电磁流量传感器权重函数理论的研究现状24-25
• 1.4.3 管道流场分布理论的研究现状25-27
• 1.5 当前电磁流量传感器基础理论研究中所存在的问题27-28
• 1.6 本论文研究的主要内容及研究路线28-31
• 1.6.1 论文的主要内容及章节安排28-30
• 1.6.2 论文的研究路线30-31
• 第二章 电磁流量传感器相关基础理论31-49
• 2.1 引言31
• 2.2 电磁流量传感器的基本原理与测量方程31-35
• 2.2.1 电磁流量传感器的基本测量原理31-32
• 2.2.2 电磁流量传感器的测量方程32-35
• 2.3 电磁流量传感器的权重函数理论35-39
• 2.3.1 权重函数的定义与发展35-37
• 2.3.2 电磁流量传感器的边界条件及权重函数求解方法37-38
• 2.3.3 权重函数的分布及其指标38-39
• 2.4 流体的流动状态与数学模型39-44
• 2.4.1 层流与湍流39-40
• 2.4.2 满管流与非满流40-42
• 2.4.3 流场计算的经典数学模型42-44
• 2.5 偏微分方程理论及其计算方法44-47
• 2.5.1 偏微分方程与物理模型44-45
• 2.5.2 偏微分的方程的边界条件与求解方法45-46
• 2.5.3 Comsol仿真平台与有限元计算46-47
• 2.6 本章小结47-49
• 第三章 基于调和矢量场及电阻网络建模的权重函数理论研究49-69
• 3.1 引言49
• 3.2 三类重要矢量场的基本概念及其性质49-52
• 3.2.1 单连域与复连域49-50
• 3.2.2 保守场、管形场与调和场50-52
• 3.3 调和矢量场与物理场的关联性研究52-56
• 3.3.1 调和矢量场的泛定方程与无源无旋的物理场52-54
• 3.3.2 多物理场的相似性及其等效模拟方法构想54-56
• 3.4 电磁流量传感器权重矢量场的基础理论研究56-59
• 3.4.1 权重矢量场与调和矢量场56-57
• 3.4.2 场论背景下的权重函数物理意义57-58
• 3.4.3 基于调和矢量场的权重函数新计算方法设计思想58-59
• 3.5 管道流体及传感器边界的纯电阻网络建模59-61
• 3.5.1 基于笛卡尔坐标的网格建模59-60
• 3.5.2 基于极坐标的网格建模60-61
• 3.6 基于调和矢量场和电阻网络建模的权函数求解方法验证61-67
• 3.6.1 经典满管对称流权重函数的理论推导61-66
• 3.6.2 单电极电磁流量传感器权重函数的仿真验证66-67
• 3.7 本章小结67-69
• 第四章 传感器的算例实现及其权重函数特性研究69-92
• 4.1 引言69
• 4.2 电磁流量传感器的分类与算例模型的选取69-70
• 4.3 基于长弧形电极的非满管电磁流量传感器权重函数研究70-77
• 4.3.1 传感器模型的构造与数理方程的建立70-72
• 4.3.2 电极形状与位置对权重函数的影响72-74
• 4.3.3 流体液位高度对权重函数的影响74-75
• 4.3.4 断水横截面形状对权重函数的影响75-77
• 4.3.5 基于长弧形电极的非满管电磁流量传感器特性总结77
• 4.4 基于测量点和非绝缘测量管的非满管电磁流量传感器权重函数研究77-85
• 4.4.1 传感器模型的构建78
• 4.4.2 基于测量点和非绝缘测量管的传感器权重函数研究难点78-79
• 4.4.3 传感器模型的实质与数理方程的建立79-80
• 4.4.4 传感器算例参数的选择与主要研究内容80-81
• 4.4.5 不同液位状态下权重函数分布的研究81-83
• 4.4.6 不同液位状态下权重函数不均匀度的研究83
• 4.4.7 流体液位对非绝缘管壁边界条件影响的研究83-85
• 4.5 基于单点电极和接地电极的非满管电磁流量传感器权重函数研究85-90
• 4.5.1 基于单点电极和接地电极的非满管电磁流量传感器模型的构建85-87
• 4.5.2 研究内容与平台设置87-88
• 4.5.3 不同液位下的权重函数分布研究88-89
• 4.5.4 不同液位下的权重函数不均匀度研究89-90
• 4.5.5 单电极安装位置偏差所造成的影响研究90
• 4.6 本章小结90-92
• 第五章 非满管直匀流的定常流场分布理论研究92-107
• 5.1 引言92
• 5.2 非满管直匀流的理论建模92-96
• 5.2.1 研究的前提与坐标系的构建92-93
• 5.2.2 数理方程的建立与边界条件的确定93-95
• 5.2.3 模型的验证95-96
• 5.3 非满管直匀流的流场分布研究96-106
• 5.3.1 不同流体充满度下的沿管流场分布研究96-98
• 5.3.2 不同流体充满度下的流场发展状态研究98-101
• 5.3.3 不同流体充满度下的流速分布特征研究101-102
• 5.3.4 不同流体充满度下的断水截面流速分布研究102-106
• 5.4 本章小结106-107
• 第六章 非满管电磁流量计验证系统的设计107-130
• 6.1 引言107
• 6.2 基于长弧形电极的非满管电磁流量传感器设计107-111
• 6.2.1 非满管电磁流量传感器的基本设计理念107-108
• 6.2.2 非满管电磁流量传感器的结构设计108-111
• 6.3 转换器硬件电路的相关设计111-119
• 6.3.1 硬件电路的总体设计方案111-112
• 6.3.2 关键模块的硬件设计及提要112-119
• 6.4 转换器软件系统的相关设计119-128
• 6.4.1 软件系统的总体设计方案119-123
• 6.4.2 双激励时序机制与信号采集123-125
• 6.4.3 数字滤波算法的设计125-128
• 6.5 验证系统设计的可靠性128
• 6.6 本章小结128-130
• 第七章 非满管电磁流量传感器验证性实验及分析130-148
• 7.1 引言130
• 7.2 非满管流量测量的实验工作环境130-132
• 7.2.1 实验装置的设计与介绍130-131
• 7.2.2 实验装置的工作流程131-132
• 7.3 验证性实验的主要设计思想及内容132
• 7.4 管道流速的验证132-137
• 7.4.1 基于传感器新基础理论的流场模型仿真132-136
• 7.4.2 实验数据验证与参数评估136-137
• 7.5 传感器权重函数的验证137-143
• 7.5.1 基于传感器新基础理论的权重场模型仿真137-141
• 7.5.2 传感器线圈磁场的仿真模拟141-142
• 7.5.3 实验数据验证与参数评估142-143
• 7.6 非满管流体参数对传感器输出及流量的影响143-146
• 7.7 本章小结146-148
• 第八章 结论与展望148-151
• 8.1 论文完成的主要工作及主要创新点148-150
• 8.2 今后研究工作的展望150-151
• 参考文献151-160
• 附录160-165
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文和专利165
• 作者在攻读博士学位期间的获奖情况165-166
• 作者在攻读博士学位期间所作的项目166-167
• 致谢167-168

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

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本文编号：417695