一种新型多电极插入式电磁流量传感器及其基础研究

论文摘要

传统电磁流量计在大管径流量测量应用中存在制造和安装成本过高的问题,而插入式电磁流量计结构特点使得它在大管径流量测量中有制造与安装成本低,易于拆卸与维修,一种规格的传感器可用于多种口径管道等突出优点,因而深受用户的欢迎。但也存在仪表精度受流体流场特性影响大,现场需有较长直管段长度等问题。因此,研究提高插入式电磁流量计的性能一直是流量检测领域中重要的课题之一。本文主要进行多电极测量的插入式电磁流量传感器基础研究。插入式电磁流量传感器是以电磁感应为基础和以测量流场分布为前提的流量传感器,权重函数分布、电磁场分布和流场分布对其测量结果的影响是至关重要的。因而必须从流场分布、权重函数和电磁场分布三个方面来研究插入式电磁流量传感器。同时,计算流体力学CFD和有限元计算技术的发展为插入式电磁流量传感器的研究提供了崭新途径,扩展了新的空间和新的方法。利用CFD方法研究传感器几何物理模型,以数值仿真方法分析流场变化对插入式电磁流量传感器的相关影响。总结了传感器测量杆在管道流场中三个特殊的高流速区的特点,为消除流场变化对传感器的影响,提出了一种新型的多电极插入式电磁流量传感器的方案,采用多电极的多点信息测量方法,为解决插入式传感器特性对流场敏感的问题提供了新的途径。本论文的整个工作围绕着新型传感器的关键技术展开研究。首先,叙述总结了插入式电磁流量计测量方面的相关理论基础及研究方法。分析了现有插入式电磁流量计传感器的基本测量方程及测量权重函数、现有插入式电磁流量传感器工作流场的传统Nikuradse模型等经验模型和一般插入式电磁流量计的测量模型。从麦克斯韦方程组的有限元分析方法入手,介绍插入式电磁流量传感器电磁场模型、分析工具和研究方法。对基于CFD的流场数值模拟的方法进行了详细的介绍。详细分析了纳维-斯托克斯方程（简称N-S方程）等基本控制方程、雷诺时均方程及其标准的k-ε模型、大涡模拟方法和壁面函数与近壁模型。并对控制方程的常用求解方法进行了讨论。其次,进行了CFD并行计算平台建设、管道流场分布仿真、钝体绕流仿真和插入式电磁流量传感器的流场仿真等四个方面的研究。在研究并行计算环境的基础上成功搭建了一套微机并行计算集群系统,并对并行计算平台的基本性能进行测试。对管道流场分布进行了仿真,给出了基于CFD模型圆管湍流仿真的流速分布,其与传统Nikuradse模型流速分布较好符合,并能更接近实际流场。钝体绕流仿真则给出了圆柱状、梯形发生体的旋涡产生、脱落的详细过程和发生机理。确定了钝体绕流产生涡街的本质及测量研究方法。进行了插入式电磁流量传感器的流场仿真,从圆柱状插入式电磁流量计传感器对流场影响的角度探讨插入式电磁流量计测量管道流场的方法,提出了用多对电极测量流速及其流场扰动,并给出了传感器测量杆周围的三个高流速特征区域。然后,从流场分布角度进行了多电极插入式电磁流量测量原理的研究分析,讨论了多插入式电磁流量传感器测量和多电极径流速计型插入式电磁流量测量的改进方法,提出了多电极插入式电磁流量传感器测量原理及解决方案。进行了传感器的结构设计及模型研究,建立了电极、流场和磁场的空间关系及其多电极对下的测量原理。同时给出了传感器多点测量的测量方程。论文使用matlab PDE工具的有限元分析方法,分析了普通电磁传感器权重函数、插入式电磁传感器权重函数和插入式电磁传感器工作磁场,在此基础上研究确定了多电极插入式电磁流量传感器的权重函数和磁场实现方案,从理论上确定了设计插入式电磁流量传感器最优工作磁场的方法。最后,为验证本文研究的可行性及实用性,设计制作了多电极插入式电磁流量传感器,并设计实现了信号转换器系统和相应的试验管道系统,在此基础上进行了多电极测量空间关系的试验,对试验数据结果进行分析。实验数据给出了传感器各对电极上的信号大小与流速呈线性关系,显示了三对电极上的信号特征符合三个流速特征区域的变化情况,验证了多电极传感器对流场分布和绕流信号的可测性,为最终降低流场分布对传感器测量的影响,以及提高插入式电磁流量计的性能提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 流量计概述
• 1.1.1 流量计发展历史与现状
• 1.1.2 插入式流量计概述
• 1.1.3 插入式电磁流量计概述
• 1.2 当前国内外插入式电磁流量计研究及应用的现状
• 1.2.1 电磁流量计研究现状
• 1.2.2 插入式电磁流量计研究及应用现状
• 1.2.3 多电极插入式电磁流量计研究及应用现状
• 1.3 流场对插入式电磁流量传感器影响的研究现状
• 1.3.1 插入式电磁流量传感器的流场分布研究现状
• 1.3.2 CFD 数值求解的湍流模型研究现状
• 1.3.3 插入钝体的绕流问题研究现状
• 1.4 论文研究的内容及技术方案
• 1.4.1 论文研究的主要内容
• 1.4.2 论文研究的基本思路和主要技术方案
• 第二章 插入式电磁流量传感器模型及相关理论分析基础
• 2.1 引言
• 2.2 插入式电磁流量计测量手段的基础理论
• 2.2.1 电磁流量计传感器的基本测量方程及权重函数
• 2.2.2 插入式电磁流量计传感器的基本测量方程及权重函数
• 2.2.3 插入式流量计传感器测量管道中的流场分布模型
• 2.2.4 插入式电磁流量计的测量模型
• 2.3 插入式电磁流量传感器的电磁场有限元分析研究基础
• 2.3.1 插入式电磁流量传感器的电磁场分析问题
• 2.3.2 有限元分析方法概述
• 2.3.3 matlab 偏微分求解工具箱
• 2.3.4 插入式电磁流量传感器电磁场模型及分析基础
• 2.4 插入式电磁流量传感器的流体力学CFD 分析研究基础
• 2.4.1 插入式电磁流量传感器的CFD 分析问题
• 2.4.2 钝体绕流及涡街脱落原理
• 2.4.3 CFD 研究方法概述
• 2.4.4 多核并行计算原理
• 2.4.5 湍流流动控制方程
• 2.4.6 雷诺平均运动方程模型（RANS）
• 2.4.7 大涡模拟模型（LES）
• 2.4.8 壁面函数与近壁模型
• 2.4.9 控制方程的常用求解方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 插入式电磁流量传感器测量流场仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 多核并行集群CFD 仿真平台的建立
• 3.2.1 多核并行集群仿真平台
• 3.2.2 多核并行计算平台的性能评价和效率分析
• 3.3 管道流体力学的CFD 仿真研究
• 3.3.1 基于k-ε湍流模型仿真的计算区域的确定
• 3.3.2 求解器及边界条件的确定
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 插入钝体的流场变化仿真研究
• 3.4.1 基于Reynolds 应力方程模型（RSM）的二维圆柱绕流仿真
• 3.4.2 基于LES 模型的三维梯形发生体绕流仿真
• 3.5 插入式电磁流量传感器的流场仿真研究
• 3.5.1 基于LES 模型的插入式圆柱传感器在三维无限流场中的仿真
• 3.5.2 基于LES 模型的插入式圆柱传感器在大口径管道流场中的仿真
• 3.5.3 基于LES 模型的插入式圆柱传感器在实验管道流场中的仿真
• 3.6 插入式流量传感器CFD 仿真的一些结论
• 3.7 本章小结
• 第四章 新型多电极插入式电磁流量传感器的研究设计
• 4.1 引言
• 4.2 插入式电磁流量传感器的一些已有改进
• 4.2.1 多插入式电磁流量传感器的测量方法
• 4.2.2 径流速计型插入式电磁流量传感器的测量方法
• 4.3 新型多电极插入式电磁流量传感器研究
• 4.3.1 新型多电极插入式电磁流量传感器原理的提出
• 4.3.2 新型多电极插入式电磁流量传感器的结构设计
• 4.3.3 多电极插入式电磁流量传感器的测量模型
• 4.4 本章小结
• 第五章 多电极插入式电磁流量传感器的电磁学分析与仿真
• 5.1 引言
• 5.2 插入式电磁流量传感器权重函数模型有限元分析研究
• 5.2.1 普通电磁流量传感器权重函数的有限元计算研究
• 5.2.2 插入式电磁流量传感器权重函数的有限元计算研究
• 5.3 插入式电磁流量传感器磁场有限元分析研究
• 5.4 多电极插入式电磁流量传感器的电磁仿真研究设计
• 5.4.1 多电极插入式电磁流量传感器权重函数的仿真研究设计
• 5.4.2 多电极插入式电磁流量传感器的磁场仿真研究设计
• 5.5 多电极插入式流量传感器电磁学分析与仿真的一些结论
• 5.6 本章小结
• 第六章 多电极插入式电磁流量计试验系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 信号转换器系统硬件方案
• 6.2.1 总体设计方案
• 6.2.2 主要关键模块的硬件电路设计及要点
• 6.3 信号控制及数据处理软件方案设计
• 6.3.1 主要软件模块设计
• 6.3.2 数据处理程序的设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 多电极插入式电磁流量传感器试验及数据分析
• 7.1 引言
• 7.2 实验工作环境
• 7.3 功能验证实验
• 7.4 实验数据分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 论文主要完成工作的总结
• 8.2 论文研究的主要创新点
• 8.3 对今后研究工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 附录一 高性能并行仿真集群平台
• 附录二 实验原始数据（一对侧面电极上部分流速数据）
• 附录三 插入式电磁流量计实验装置图（1）
• 附录四 插入式电磁流量计实验装置图（2）
• 附录五 多电极插入式电磁流量传感器的实验样机图
• 附录六 转换器硬件实物图
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文和专利
• 作者在攻读博士学位期间所作的科研项目
• 致谢