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電阻網(wǎng)絡建模的電磁流量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之一。在諸多應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、二十世紀五十年代迅速發(fā)展起來的感應式流量測量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，受到了人們的廣泛關注與青睞。相應地，電磁流量E+E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，不斷地有新的與專著出現(xiàn)。

電阻網(wǎng)絡建模的電磁流量E+E傳感器
由于該研究領域屬于多學科交叉范疇，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E+E傳感器特性研究，有待進一步發(fā)展與完善。基于上述背景，主要圍繞著電磁流量E+E傳感器領域中兩大核心問題，即具有普適性的E+E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E+E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E+E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E+E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E+E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)，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E+E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E+E傳感器?；谏鲜鲅芯砍晒隳軌蛲ㄟ^對管道流體及其E+E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E+E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，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E+E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E+E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E+E傳感器權重函數(shù)及其相關特性。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，又同時都存在理論空白以及工程價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E+E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)E+E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E+E傳感器軟硬件驗證系統(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E+E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)和矢量場及網(wǎng)絡建模的電磁流量E+E傳感器基礎理論的驗證性實驗與相關特性分析。

電阻網(wǎng)絡建模的電磁流量E+E傳感器
基于驗證系統(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E+E傳感器靈敏度以驗證所提出的理論模型。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E+E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)。