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電阻網(wǎng)絡(luò)建模的電磁流量E+E傳感器
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E+E傳感器中，電磁流量E+E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E+E傳感器，以其測量精度高、量程比寬、受管內(nèi)流場分布影響zui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E+E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，不斷地有新的與專著出現(xiàn)。

電阻網(wǎng)絡(luò)建模的電磁流量E+E傳感器
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E+E傳感器特性研究，有待進(jìn)一步發(fā)展與完善。基于上述背景，主要圍繞著電磁流量E+E傳感器領(lǐng)域中兩大核心問題，即具有普適性的E+E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E+E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E+E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E+E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E+E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)，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E+E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E+E傳感器。基于上述研究成果，便能夠通過對管道流體及其E+E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E+E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，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E+E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E+E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E+E傳感器權(quán)重函數(shù)及其相關(guān)特性。介紹了電磁流量E+E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E+E傳感器模型作為算例。理論研究了相關(guān)E+E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)E+E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E+E傳感器軟硬件驗(yàn)證系統(tǒng)平臺。探討了非滿管電磁流量E+E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E+E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(lì)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(lì)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)和矢量場及網(wǎng)絡(luò)建模的電磁流量E+E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。

電阻網(wǎng)絡(luò)建模的電磁流量E+E傳感器
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E+E傳感器靈敏度以驗(yàn)證所提出的理論模型。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E+E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)。