本文關(guān)鍵詞：基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡(luò)建模的電磁流量傳感器基礎(chǔ)理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,世界范圍內(nèi)的水資源緊缺和日益增長的需求催生了有限資源的優(yōu)化分配及節(jié)能減排問題,而流體流量的精確測量則是首先急需解決的重點(diǎn)之一。在諸多應(yīng)用于流量測量的主流傳感器中,電磁流量傳感器是一種具有代表性的、二十世紀(jì)五十年代迅速發(fā)展起來的感應(yīng)式流量測量傳感器,以其測量精度高、量程比寬、受管內(nèi)流場分布影響最小等特點(diǎn),受到了人們的廣泛關(guān)注與青睞。相應(yīng)地,電磁流量傳感器基礎(chǔ)理論研究也成為了國內(nèi)外學(xué)者以及技術(shù)工作者長年關(guān)注的熱點(diǎn)之一,不斷地有新的論文、專利與專著出現(xiàn)。然而,由于該研究領(lǐng)域?qū)儆诙鄬W(xué)科交叉范疇,涵蓋電磁學(xué)、流體力學(xué)、信息學(xué)等諸多內(nèi)容,深入的理論探索,特別是基于場的研究以及多物理場耦合下的傳感器特性研究,有待進(jìn)一步發(fā)展與完善�；谏鲜霰尘�,本文主要圍繞著電磁流量傳感器領(lǐng)域中兩大核心問題,即具有普適性的傳感器權(quán)重場與管道流場理論分析方法,開展了如下研究工作:一是整理與總結(jié)了前人在電磁流量傳感器領(lǐng)域中的重要理論研究成果以及目前存在的問題。一方面介紹了關(guān)于傳感器測量方法、權(quán)重函數(shù)理論及管道流場分布理論的研究現(xiàn)狀,并對其中存在的主要問題進(jìn)行了整理與歸納。另一方面介紹了電磁流量傳感器的基本測量原理與測量方程,進(jìn)而引入到目前權(quán)重函數(shù)理論與流場理論的經(jīng)典成果,為后文的引用提供必要鋪墊。偏微分方程理論及其計(jì)算方法的介紹用于本文的數(shù)學(xué)建模與仿真平臺搭建,為研究本身打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。二是研究并提出了一種具有普適性的、基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡(luò)建模的傳感器權(quán)重函數(shù)計(jì)算方法。簡要介紹了經(jīng)典場論中的三類重要矢量場及其相關(guān)特性,研究了調(diào)和矢量場的泛定方程與無源無旋物理場的本質(zhì)聯(lián)系,提出了多物理場等效模擬的方法構(gòu)想,進(jìn)而將其引入到電磁流量傳感器的權(quán)重函數(shù)研究領(lǐng)域。在理論上認(rèn)識到了權(quán)重矢量場是一種調(diào)和矢量場,并在場論背景下探討了權(quán)重函數(shù)的物理意義,獲得了等價(jià)定義及簡化模型。同時(shí),提供了兩種基于不同坐標(biāo)系的純電阻網(wǎng)絡(luò)建模,分別來適應(yīng)不同幾何結(jié)構(gòu)的電磁流量傳感器。基于上述研究成果,便能夠通過對管道流體及其傳感器邊界的純電阻網(wǎng)絡(luò)建模,簡單地運(yùn)用基爾霍夫電流定律來得到傳感器空間有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的電勢和電流密度,結(jié)合權(quán)重函數(shù)的等價(jià)定義,進(jìn)而獲取相應(yīng)的權(quán)重函數(shù)分布。為考察該理論的可行性與有效性,本文從理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真兩方面對該計(jì)算方法進(jìn)行了的驗(yàn)證,為該方法的后續(xù)案例實(shí)現(xiàn)及傳感器特性的相關(guān)分析提供保證。三是基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡(luò)建模的傳感器權(quán)重函數(shù)計(jì)算方法研究了三種具有代表性結(jié)構(gòu)的電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)及其相關(guān)特性。介紹了電磁流量傳感器中的分類,從中選取了三種既能反映出不同于經(jīng)典模型的混合邊界條件問題,又同時(shí)都存在理論空白以及工程價(jià)值的非滿管電磁流量傳感器模型作為算例。理論研究了相關(guān)傳感器在均勻磁場下的權(quán)重函數(shù)分布以及各物理參數(shù)之間的特性關(guān)系,并以算例的形式驗(yàn)證了基于調(diào)和矢量場和電阻網(wǎng)絡(luò)建模的權(quán)重函數(shù)計(jì)算方法的可行性與有效性。四是研究了非滿管直勻流的定常流場分布理論問題,提出了一種基于N-S方程的非滿管定常流場的簡化模型。根據(jù)實(shí)際情況給出了非滿管直勻流的研究前提,針對其兼具明渠流與二相流的特點(diǎn)構(gòu)建了基于N-S方程的數(shù)學(xué)模型,確定了數(shù)理方程和邊界條件,依靠數(shù)學(xué)模型與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法求解流場。使用文獻(xiàn)中的實(shí)測流場數(shù)據(jù)作比對,驗(yàn)證了該模型的正確性和有效性。在此模型的基礎(chǔ)上,借助數(shù)值仿真平臺,對不同流體充滿度下的沿管流場分布、流場發(fā)展?fàn)顟B(tài)、流速分布特征及斷水截面流速分布進(jìn)行了研究,得到了較為合適的滿足充分發(fā)展流的前直管段長度區(qū)間、歸一化流速與流體充滿度之間的特性關(guān)系,同時(shí)又研究得出了非滿管二維斷水截面的流速等值線與三維流速曲面。這些研究工作為后續(xù)傳感器的理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證作鋪墊。五是選擇并搭建了基于長弧形電極的非滿管電磁流量傳感器軟硬件驗(yàn)證系統(tǒng)平臺。探討了非滿管電磁流量傳感器的基本設(shè)計(jì)理念,并針對流速測量與液位測量兩個(gè)方面,分析與選用一種基于長弧形電極的非滿管電磁流量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從轉(zhuǎn)換器的基本要求入手,參與設(shè)計(jì)了一種集激勵模塊、模擬信號處理模塊、微處理器控制模塊、人機(jī)交互模塊于一體的硬件系統(tǒng),并對其中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行了詳細(xì)的分析與闡述。明確了軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)內(nèi)容,設(shè)計(jì)與采用了前后臺系統(tǒng)作為非滿管電磁流量測量系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。結(jié)合雙CPU并行工作機(jī)制的特點(diǎn),開發(fā)了相應(yīng)的上下位機(jī)程序,研究了非滿管電磁流量測量系統(tǒng)的雙激勵時(shí)序及流速、零點(diǎn)與液位信息的計(jì)算方法,并提出了一種基于眾數(shù)的數(shù)字濾波算法,以處理實(shí)際信號的去噪問題。通過樣機(jī)的實(shí)流標(biāo)定與相關(guān)部門的檢測結(jié)果,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。六是完成了基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡(luò)建模的電磁流量傳感器基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與相關(guān)特性分析。基于驗(yàn)證系統(tǒng)平臺,設(shè)計(jì)與介紹了用于非滿管流量測量的實(shí)驗(yàn)裝置及其概要工作流程,探討了功能驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)思想,選擇并采用實(shí)驗(yàn)中的流體流速與傳感器靈敏度以驗(yàn)證本文所提出的理論模型。通過比對理論模型與實(shí)流實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù),在宏觀上驗(yàn)證了本文提出的理論方法的正確性與可靠性,同時(shí)基于理論模型給出了該非滿管電磁流量傳感器的相關(guān)特性曲線與參數(shù)影響分析,為今后其投入到實(shí)際應(yīng)用與相關(guān)基礎(chǔ)研究提供參考依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：電磁流量傳感器 調(diào)和矢量場 電阻網(wǎng)絡(luò)建模 多物理場耦合
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 主要符號對照表14-17
• 第一章 緒論17-31
• 1.1 課題的研究背景及意義17-18
• 1.2 流量測量的基本原理18-20
• 1.3 基于電磁流量傳感器的流量測量20-21
• 1.4 國內(nèi)外電磁流量傳感器領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀21-27
• 1.4.1 電磁流量傳感器測量方法的研究現(xiàn)狀21-24
• 1.4.2 電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)理論的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.4.3 管道流場分布理論的研究現(xiàn)狀25-27
• 1.5 當(dāng)前電磁流量傳感器基礎(chǔ)理論研究中所存在的問題27-28
• 1.6 本論文研究的主要內(nèi)容及研究路線28-31
• 1.6.1 論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排28-30
• 1.6.2 論文的研究路線30-31
• 第二章 電磁流量傳感器相關(guān)基礎(chǔ)理論31-49
• 2.1 引言31
• 2.2 電磁流量傳感器的基本原理與測量方程31-35
• 2.2.1 電磁流量傳感器的基本測量原理31-32
• 2.2.2 電磁流量傳感器的測量方程32-35
• 2.3 電磁流量傳感器的權(quán)重函數(shù)理論35-39
• 2.3.1 權(quán)重函數(shù)的定義與發(fā)展35-37
• 2.3.2 電磁流量傳感器的邊界條件及權(quán)重函數(shù)求解方法37-38
• 2.3.3 權(quán)重函數(shù)的分布及其指標(biāo)38-39
• 2.4 流體的流動狀態(tài)與數(shù)學(xué)模型39-44
• 2.4.1 層流與湍流39-40
• 2.4.2 滿管流與非滿流40-42
• 2.4.3 流場計(jì)算的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型42-44
• 2.5 偏微分方程理論及其計(jì)算方法44-47
• 2.5.1 偏微分方程與物理模型44-45
• 2.5.2 偏微分的方程的邊界條件與求解方法45-46
• 2.5.3 Comsol仿真平臺與有限元計(jì)算46-47
• 2.6 本章小結(jié)47-49
• 第三章 基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡(luò)建模的權(quán)重函數(shù)理論研究49-69
• 3.1 引言49
• 3.2 三類重要矢量場的基本概念及其性質(zhì)49-52
• 3.2.1 單連域與復(fù)連域49-50
• 3.2.2 保守場、管形場與調(diào)和場50-52
• 3.3 調(diào)和矢量場與物理場的關(guān)聯(lián)性研究52-56
• 3.3.1 調(diào)和矢量場的泛定方程與無源無旋的物理場52-54
• 3.3.2 多物理場的相似性及其等效模擬方法構(gòu)想54-56
• 3.4 電磁流量傳感器權(quán)重矢量場的基礎(chǔ)理論研究56-59
• 3.4.1 權(quán)重矢量場與調(diào)和矢量場56-57
• 3.4.2 場論背景下的權(quán)重函數(shù)物理意義57-58
• 3.4.3 基于調(diào)和矢量場的權(quán)重函數(shù)新計(jì)算方法設(shè)計(jì)思想58-59
• 3.5 管道流體及傳感器邊界的純電阻網(wǎng)絡(luò)建模59-61
• 3.5.1 基于笛卡爾坐標(biāo)的網(wǎng)格建模59-60
• 3.5.2 基于極坐標(biāo)的網(wǎng)格建模60-61
• 3.6 基于調(diào)和矢量場和電阻網(wǎng)絡(luò)建模的權(quán)函數(shù)求解方法驗(yàn)證61-67
• 3.6.1 經(jīng)典滿管對稱流權(quán)重函數(shù)的理論推導(dǎo)61-66
• 3.6.2 單電極電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)的仿真驗(yàn)證66-67
• 3.7 本章小結(jié)67-69
• 第四章 傳感器的算例實(shí)現(xiàn)及其權(quán)重函數(shù)特性研究69-92
• 4.1 引言69
• 4.2 電磁流量傳感器的分類與算例模型的選取69-70
• 4.3 基于長弧形電極的非滿管電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)研究70-77
• 4.3.1 傳感器模型的構(gòu)造與數(shù)理方程的建立70-72
• 4.3.2 電極形狀與位置對權(quán)重函數(shù)的影響72-74
• 4.3.3 流體液位高度對權(quán)重函數(shù)的影響74-75
• 4.3.4 斷水橫截面形狀對權(quán)重函數(shù)的影響75-77
• 4.3.5 基于長弧形電極的非滿管電磁流量傳感器特性總結(jié)77
• 4.4 基于測量點(diǎn)和非絕緣測量管的非滿管電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)研究77-85
• 4.4.1 傳感器模型的構(gòu)建78
• 4.4.2 基于測量點(diǎn)和非絕緣測量管的傳感器權(quán)重函數(shù)研究難點(diǎn)78-79
• 4.4.3 傳感器模型的實(shí)質(zhì)與數(shù)理方程的建立79-80
• 4.4.4 傳感器算例參數(shù)的選擇與主要研究內(nèi)容80-81
• 4.4.5 不同液位狀態(tài)下權(quán)重函數(shù)分布的研究81-83
• 4.4.6 不同液位狀態(tài)下權(quán)重函數(shù)不均勻度的研究83
• 4.4.7 流體液位對非絕緣管壁邊界條件影響的研究83-85
• 4.5 基于單點(diǎn)電極和接地電極的非滿管電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)研究85-90
• 4.5.1 基于單點(diǎn)電極和接地電極的非滿管電磁流量傳感器模型的構(gòu)建85-87
• 4.5.2 研究內(nèi)容與平臺設(shè)置87-88
• 4.5.3 不同液位下的權(quán)重函數(shù)分布研究88-89
• 4.5.4 不同液位下的權(quán)重函數(shù)不均勻度研究89-90
• 4.5.5 單電極安裝位置偏差所造成的影響研究90
• 4.6 本章小結(jié)90-92
• 第五章 非滿管直勻流的定常流場分布理論研究92-107
• 5.1 引言92
• 5.2 非滿管直勻流的理論建模92-96
• 5.2.1 研究的前提與坐標(biāo)系的構(gòu)建92-93
• 5.2.2 數(shù)理方程的建立與邊界條件的確定93-95
• 5.2.3 模型的驗(yàn)證95-96
• 5.3 非滿管直勻流的流場分布研究96-106
• 5.3.1 不同流體充滿度下的沿管流場分布研究96-98
• 5.3.2 不同流體充滿度下的流場發(fā)展?fàn)顟B(tài)研究98-101
• 5.3.3 不同流體充滿度下的流速分布特征研究101-102
• 5.3.4 不同流體充滿度下的斷水截面流速分布研究102-106
• 5.4 本章小結(jié)106-107
• 第六章 非滿管電磁流量計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)107-130
• 6.1 引言107
• 6.2 基于長弧形電極的非滿管電磁流量傳感器設(shè)計(jì)107-111
• 6.2.1 非滿管電磁流量傳感器的基本設(shè)計(jì)理念107-108
• 6.2.2 非滿管電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)108-111
• 6.3 轉(zhuǎn)換器硬件電路的相關(guān)設(shè)計(jì)111-119
• 6.3.1 硬件電路的總體設(shè)計(jì)方案111-112
• 6.3.2 關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計(jì)及提要112-119
• 6.4 轉(zhuǎn)換器軟件系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)119-128
• 6.4.1 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案119-123
• 6.4.2 雙激勵時(shí)序機(jī)制與信號采集123-125
• 6.4.3 數(shù)字濾波算法的設(shè)計(jì)125-128
• 6.5 驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性128
• 6.6 本章小結(jié)128-130
• 第七章 非滿管電磁流量傳感器驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及分析130-148
• 7.1 引言130
• 7.2 非滿管流量測量的實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境130-132
• 7.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與介紹130-131
• 7.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的工作流程131-132
• 7.3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)思想及內(nèi)容132
• 7.4 管道流速的驗(yàn)證132-137
• 7.4.1 基于傳感器新基礎(chǔ)理論的流場模型仿真132-136
• 7.4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與參數(shù)評估136-137
• 7.5 傳感器權(quán)重函數(shù)的驗(yàn)證137-143
• 7.5.1 基于傳感器新基礎(chǔ)理論的權(quán)重場模型仿真137-141
• 7.5.2 傳感器線圈磁場的仿真模擬141-142
• 7.5.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與參數(shù)評估142-143
• 7.6 非滿管流體參數(shù)對傳感器輸出及流量的影響143-146
• 7.7 本章小結(jié)146-148
• 第八章 結(jié)論與展望148-151
• 8.1 論文完成的主要工作及主要創(chuàng)新點(diǎn)148-150
• 8.2 今后研究工作的展望150-151
• 參考文獻(xiàn)151-160
• 附錄160-165
• 作者在攻讀博士學(xué)位期間公開發(fā)表的論文和專利165
• 作者在攻讀博士學(xué)位期間的獲獎情況165-166
• 作者在攻讀博士學(xué)位期間所作的項(xiàng)目166-167
• 致謝167-168

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡(luò)建模的電磁流量傳感器基礎(chǔ)理論研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：417695