本文關鍵詞：基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡建模的電磁流量傳感器基礎理論研究，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之一。在諸多應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、二十世紀五十年代迅速發(fā)展起來的感應式流量測量傳感器,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,受到了人們的廣泛關注與青睞。相應地,電磁流量傳感器基礎理論研究也成為了國內(nèi)外學者以及技術工作者長年關注的熱點之一,不斷地有新的論文、專利與專著出現(xiàn)。然而,由于該研究領域?qū)儆诙鄬W科交叉范疇,涵蓋電磁學、流體力學、信息學等諸多內(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域中兩大核心問題,即具有普適性的傳感器權重場與管道流場理論分析方法,開展了如下研究工作:一是整理與總結了前人在電磁流量傳感器領域中的重要理論研究成果以及目前存在的問題。一方面介紹了關于傳感器測量方法、權重函數(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,進而引入到目前權重函數(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算方法的介紹用于本文的數(shù)學建模與仿真平臺搭建,為研究本身打下堅實基礎。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)絡建模的傳感器權重函數(shù)計算方法。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想,進而將其引入到電磁流量傳感器的權重函數(shù)研究領域。在理論上認識到了權重矢量場是一種調(diào)和矢量場,并在場論背景下探討了權重函數(shù)的物理意義,獲得了等價定義及簡化模型。同時,提供了兩種基于不同坐標系的純電阻網(wǎng)絡建模,分別來適應不同幾何結構的電磁流量傳感器�；谏鲜鲅芯砍晒�,便能夠通過對管道流體及其傳感器邊界的純電阻網(wǎng)絡建模,簡單地運用基爾霍夫電流定律來得到傳感器空間有效區(qū)域內(nèi)各點的電勢和電流密度,結合權重函數(shù)的等價定義,進而獲取相應的權重函數(shù)分布。為考察該理論的可行性與有效性,本文從理論推導和數(shù)值仿真兩方面對該計算方法進行了的驗證,為該方法的后續(xù)案例實現(xiàn)及傳感器特性的相關分析提供保證。三是基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡建模的傳感器權重函數(shù)計算方法研究了三種具有代表性結構的電磁流量傳感器權重函數(shù)及其相關特性。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,又同時都存在理論空白以及工程價值的非滿管電磁流量傳感器模型作為算例。理論研究了相關傳感器在均勻磁場下的權重函數(shù)分布以及各物理參數(shù)之間的特性關系,并以算例的形式驗證了基于調(diào)和矢量場和電阻網(wǎng)絡建模的權重函數(shù)計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構建了基于N-S方程的數(shù)學模型,確定了數(shù)理方程和邊界條件,依靠數(shù)學模型與數(shù)值仿真相結合的方法求解流場。使用文獻中的實測流場數(shù)據(jù)作比對,驗證了該模型的正確性和有效性。在此模型的基礎上,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)展狀態(tài)、流速分布特征及斷水截面流速分布進行了研究,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系,同時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)傳感器的理論設計與實驗驗證作鋪墊。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證系統(tǒng)平臺。探討了非滿管電磁流量傳感器的基本設計理念,并針對流速測量與液位測量兩個方面,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構設計。從轉換器的基本要求入手,參與設計了一種集激勵模塊、模擬信號處理模塊、微處理器控制模塊、人機交互模塊于一體的硬件系統(tǒng),并對其中的關鍵模塊進行了詳細的分析與闡述。明確了軟件系統(tǒng)的總體設計內(nèi)容,設計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。結合雙CPU并行工作機制的特點,開發(fā)了相應的上下位機程序,研究了非滿管電磁流量測量系統(tǒng)的雙激勵時序及流速、零點與液位信息的計算方法,并提出了一種基于眾數(shù)的數(shù)字濾波算法,以處理實際信號的去噪問題。通過樣機的實流標定與相關部門的檢測結果,驗證了該系統(tǒng)的可靠性。六是完成了基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡建模的電磁流量傳感器基礎理論的驗證性實驗與相關特性分析�；隍炞C系統(tǒng)平臺,設計與介紹了用于非滿管流量測量的實驗裝置及其概要工作流程,探討了功能驗證性實驗的主要設計思想,選擇并采用實驗中的流體流速與傳感器靈敏度以驗證本文所提出的理論模型。通過比對理論模型與實流實驗所獲得的數(shù)據(jù),在宏觀上驗證了本文提出的理論方法的正確性與可靠性,同時基于理論模型給出了該非滿管電磁流量傳感器的相關特性曲線與參數(shù)影響分析,為今后其投入到實際應用與相關基礎研究提供參考依據(jù)。
【關鍵詞】：電磁流量傳感器 調(diào)和矢量場 電阻網(wǎng)絡建模 多物理場耦合
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 當前電磁流量傳感器基礎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基礎理論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重函數(shù)理論35-39
• 2.3.1 權重函數(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重函數(shù)求解方法37-38
• 2.3.3 權重函數(shù)的分布及其指標38-39
• 2.4 流體的流動狀態(tài)與數(shù)學模型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 流場計算的經(jīng)典數(shù)學模型42-44
• 2.5 偏微分方程理論及其計算方法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算46-47
• 2.6 本章小結47-49
• 第三章 基于調(diào)和矢量場及電阻網(wǎng)絡建模的權重函數(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想54-56
• 3.4 電磁流量傳感器權重矢量場的基礎理論研究56-59
• 3.4.1 權重矢量場與調(diào)和矢量場56-57
• 3.4.2 場論背景下的權重函數(shù)物理意義57-58
• 3.4.3 基于調(diào)和矢量場的權重函數(shù)新計算方法設計思想58-59
• 3.5 管道流體及傳感器邊界的純電阻網(wǎng)絡建模59-61
• 3.5.1 基于笛卡爾坐標的網(wǎng)格建模59-60
• 3.5.2 基于極坐標的網(wǎng)格建模60-61
• 3.6 基于調(diào)和矢量場和電阻網(wǎng)絡建模的權函數(shù)求解方法驗證61-67
• 3.6.1 經(jīng)典滿管對稱流權重函數(shù)的理論推導61-66
• 3.6.2 單電極電磁流量傳感器權重函數(shù)的仿真驗證66-67
• 3.7 本章小結67-69
• 第四章 傳感器的算例實現(xiàn)及其權重函數(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重函數(shù)研究70-77
• 4.3.1 傳感器模型的構造與數(shù)理方程的建立70-72
• 4.3.2 電極形狀與位置對權重函數(shù)的影響72-74
• 4.3.3 流體液位高度對權重函數(shù)的影響74-75
• 4.3.4 斷水橫截面形狀對權重函數(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77
• 4.4 基于測量點和非絕緣測量管的非滿管電磁流量傳感器權重函數(shù)研究77-85
• 4.4.1 傳感器模型的構建78
• 4.4.2 基于測量點和非絕緣測量管的傳感器權重函數(shù)研究難點78-79
• 4.4.3 傳感器模型的實質(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)下權重函數(shù)分布的研究81-83
• 4.4.6 不同液位狀態(tài)下權重函數(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 基于單點電極和接地電極的非滿管電磁流量傳感器權重函數(shù)研究85-90
• 4.5.1 基于單點電極和接地電極的非滿管電磁流量傳感器模型的構建85-87
• 4.5.2 研究內(nèi)容與平臺設置87-88
• 4.5.3 不同液位下的權重函數(shù)分布研究88-89
• 4.5.4 不同液位下的權重函數(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 研究的前提與坐標系的構建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)展狀態(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106-107
• 第六章 非滿管電磁流量計驗證系統(tǒng)的設計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計107-111
• 6.2.1 非滿管電磁流量傳感器的基本設計理念107-108
• 6.2.2 非滿管電磁流量傳感器的結構設計108-111
• 6.3 轉換器硬件電路的相關設計111-119
• 6.3.1 硬件電路的總體設計方案111-112
• 6.3.2 關鍵模塊的硬件設計及提要112-119
• 6.4 轉換器軟件系統(tǒng)的相關設計119-128
• 6.4.1 軟件系統(tǒng)的總體設計方案119-123
• 6.4.2 雙激勵時序機制與信號采集123-125
• 6.4.3 數(shù)字濾波算法的設計125-128
• 6.5 驗證系統(tǒng)設計的可靠性128
• 6.6 本章小結128-130
• 第七章 非滿管電磁流量傳感器驗證性實驗及分析130-148
• 7.1 引言130
• 7.2 非滿管流量測量的實驗工作環(huán)境130-132
• 7.2.1 實驗裝置的設計與介紹130-131
• 7.2.2 實驗裝置的工作流程131-132
• 7.3 驗證性實驗的主要設計思想及內(nèi)容132
• 7.4 管道流速的驗證132-137
• 7.4.1 基于傳感器新基礎理論的流場模型仿真132-136
• 7.4.2 實驗數(shù)據(jù)驗證與參數(shù)評估136-137
• 7.5 傳感器權重函數(shù)的驗證137-143
• 7.5.1 基于傳感器新基礎理論的權重場模型仿真137-141
• 7.5.2 傳感器線圈磁場的仿真模擬141-142
• 7.5.3 實驗數(shù)據(jù)驗證與參數(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146-148
• 第八章 結論與展望148-151
• 8.1 論文完成的主要工作及主要創(chuàng)新點148-150
• 8.2 今后研究工作的展望150-151
• 參考文獻151-160
• 附錄160-165
• 作者在攻讀博士學位期間公開發(fā)表的論文和專利165
• 作者在攻讀博士學位期間的獲獎情況165-166
• 作者在攻讀博士學位期間所作的項目166-167
• 致謝167-168

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 趙宇洋;張濤;LUCAS G;LEEUNGCULSATIEN T;;基于區(qū)域權函數(shù)理論的多電極電磁流量計電極設計[J];傳感器與微系統(tǒng);2014年02期

2 徐立軍,王亞,喬旭彤,徐苓安;多對電極電磁流量計傳感器電極陣列設計[J];儀器儀表學報;2003年04期

3 張濤，徐苓安，王竟，楊惠連;計算法計量不滿管污水流量的研究[J];儀器儀表學報;1996年01期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 施艷艷;電導/電磁傳感器兩相流測量機理研究[D];天津大學;2012年

2 衛(wèi)開夏;非滿管電磁流量傳感器若干關鍵技術研究[D];上海大學;2009年

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

本文編號：417695