2016年优秀项目—基于大数据平台的非满管电磁流量设计与开发

新闻来源:作者:发布时间:2017-12-27浏览次数:99

第五届上海大学生创新创业论坛       上海师范大学        2017


基于大数据平台的非满管电磁流量计设计与开发


庄淑婷1,徐嘉伟1,陈瀚文1,周正毅1

指导教师:李雪菁1

(1. 上海杉达学院)


摘要:本项目以非满管流量测量的研究为背景,研究一种基于二维感应电势的电磁非满管流量测量方法测量方法及其传感器结构的研究上,采用正交双励磁非绝缘测量方式,建立了一种具有流体二维感应电势的测量关系;从流体感应电势在权重函数关系相关于非满管液位参数的理论着手,研究二维感应电势对应的流速与液位数据映射关系建立基于二维感应电势的非满管流量测量关系;研究正交励磁下基于非绝缘测量管的传感器信号模型,在权重函数关系下对模型进行参数优化;通过非满管流量实验平台的测试与标定,对二维数据映射关系和原型仪表系统进行完善和验证,实现一种完全基于电磁式原理的满管流量测量方法及其仪表系统理论研究上,本项目把权重函数拓展到对几何边界参数分析的应用中,将进一步完善针对非满管问题的权重函数分析方法及理论

关键词:非满管流量;电磁式流量测量方法;非绝缘管壁;正交双励磁;二维感应电势


Design and Development of Electromagnetic Flow Measurement in Partially Filled Pipes Based on Big data

Zhuang Shuting1, Xu Jiawei1, Chen Hanwen1,Zhou Zhengyi1

(1. School of Information Science and Technology, Sanda University)


Abstract: This program on the requirement of flow measurement in partially filled pipes in field application, the project researches on the electromagnetic methodology with two-dimension induction electromagnetic force in the partially filled flow condition. The sensor structure and measurement technology with orthogonal dual-excitation and non-insulation pipes are applied to induce the two-dimension electromotive force. The mapping relationship of the measure two-dimension inducetion electromotive fore between the parameters of liquid level and flow velocity in then investigated in partially filled pipes by numerical analysis on weight function. Proceeding with the sensor model based on non-insulation measuring pipes and the orthogonal dual-excitation measurement method, the optimization of the model parameters by means of weight function analysis is made. A prototype of the measurement system is built with optimized parameters, which will be improve and verified by experiment and calibration to realize the electromagnetic flow measurement system in partially filled pipes. In theory, the weight function method is expanded to geometric boundary parameter analysis. The project will further improve weight function theory and method to deal with problems on the partially filled pipe measurement.

Key words:Non full pipe flow; Electromagnetic flow measurement method; non-insulation pipe wall; Orthogonal double excitation; Two-dimensional induction potential


  1. 项目的立项依据

近年来,我国对水资源输送和排放的安全与管理正日益重视。另外我国是世界上水资源短缺国家之一。鉴于非满管电磁流量计在灌溉、给排水与排污监测中有很大的应用与推广,同时电磁流量计是应用范围最广的流量仪表,因此其对应的测量方法及其仪表技术研究已成为各企业关注热点。但在传感器结构上存在抗污抗噪能力差与多传感器导致复杂度高的缺陷。本项目从传感器结构以及理论两个角度进行研究。并基于大数据平台,最终实现一种非绝缘管壁流量计的非满管流量测量方法及其仪表系统,争取从实验室走向市场

1.1 研究背景及意义

流量测量问题一般都来源于对满管道物料的计量与控制需求,而且大多数流量传感器都使用一些基于满管道状态的流量测量方法。而随着工农业生产和社会用水量的不断增加,在污水排放流量监测以及水资源输送计量领域中,非满管流量测量问题有了越来越多的需求。因此,具有应用特殊性的非满管流量测量方法成为了备受关注的热点研究内容之一。

对水资源十分重视的欧洲,从上世纪80年代就开始对非满管流量测量方法及其仪表技术进行了广泛的研究。针对水资源的节能减排需求,1990年国际标准化组织(International Standards Organization,简称ISO)起草了针对非满管流量测量方法研究的技术报告[1]。近十几年来,美国、德国和日本等国家都积极开展了对非满管流量测量方法的研究。非满管流量测量方法及其仪表已在欧美等国的灌溉、给排水与排污监测中有很大的应用与推广。同时,鉴于电磁式流量测量方式在测量导电性流体和污泥流体中具有明显的优势,其对应的测量方法及其仪表技术研究在非满管流量问题中已成为关注热点。

近年来,我国对水资源输送和排放的安全与管理正日益重视。水资源系统的给排输送管道常常处于非满管流量状态。如果缺乏相应的非满管流量测量方法及其仪表,显然难以满足管道给排流量管理的节能减排监测要求。目前,我国还没有非满管流量测量方法的技术标准,使用上主要依赖于国外的电磁式非满管流量仪表。因此,非满管流量测量方法的新原理新方法的研究与推广,将会大大提高我国管道给排流量的节能减排监测能力和水平,同时也将极大地带动我国相关的仪表和环保领域。

项目研究内容及目标

本项目以电磁式非满管流量测量方法的需求为背景,结合已有的研究基础,将完成非满管非绝缘管壁的权重函数分析方法与理论、解决在测量方法和传感器结构上的缺陷等问题,项目目标是要研究实现一种新型电磁式流量计并研究其基于二维感应电势的电磁式非满管流量测量方法,并尝试将实验样机向市场推广。

项目特色及创新点

 1.在信号体系上,采用正交双励磁和非绝缘测量管方式的传感器结构,建立了一种具有多参数测量关系的非满管流量测量;

 2.在理论研究上,研究特殊传感器结构下二维感应电势所对应的流速与液位参数的数据映射关系,建立一种非满管边界下二维感应电势的分析理论;

 3.在应用实现上,基于大数据平台,最终实现一种非绝缘管壁流量计的非满管流量测量方法及其仪表系统,争取从实验室走向市场。

1.2 国内外研究现状及分析

电磁式流量测量方法源于欧洲,它在流量测量的应用历史已经超过了50年。在过去的10年中,具有新技术的仪表正以每年10%的增加率逐步占据传统仪表的市场份额[2-3]。其中,非满管电磁流量测量方法及其仪表也逐年向多激励、多参数和多功能等方面发展,国内外的相关研究主要包括电磁式非满管流量测量方法及传感器结构、电磁式流量传感器权重函数基础理论、电磁式流量传感器的励磁与信号处理方法三大部分。

 I.电磁式非满管流量测量方法及传感器结构的研究现状

非满管流是仅在水平管道中出现的流体流动状态,其流量测量方法主要应用在灌溉、给水和污水计量与控制中,是一种集多相流、特殊电导率及浆液特点的流量测量。在多相流方面,现有基于电磁式流量测量原理的气液两相流研究方案大体分为多仪表结合、附加新检测手段和采用软测量方法三个大类[4-6]。在特殊电导率方面,根据电磁式流量测量原理[7],被测流体存在一个可被测量的最低电导率。对于小于5μs/cm超低电导率流体,目前主要采用电容式电极的测量方法[8-9]。另外,高电导率流体测量也引来了一些新的研究问题。如核反应堆冷却的NaK-78(钠钾-78)流体测量问题,研究可在测量管外壁可得到感应电势的非绝缘测量管的传感器结构得到了应用[10-11]。在浆液方面,主要集中在改进激励方式和研究信号处理方法[12-14]、分析浆液噪声的分布规律[15-16]等方面的研究及成果项目。

结合上述特点,目前现有的非满管测量方法主要可以概括为两种,一是采用传感器多参数测量模式[17-21],二是采用多传感器方法[22-25]。同时,非满管流体多半具有流速范围大、流体含有泥浆与杂物、流体基本都有高于水的电导率等特点。鉴于这些应用上的特殊性,电磁式流量测量方法尽管具有一些特别的优势,但必需在测量方法及其传感器结构上解决在非满管流量液位变化范围内对流速与液位两个参数的测量问题。

 II.电磁式流量传感器权重函数基础理论的研究现状

在电磁式流量测量方法的研究领域中,主要理论问题是研究传感器测量空间中感应电势的权重函数。测量管空间中各流体单元在磁场下运动时产生的感应电势,权重函数反映了在测量空间边界条件下空间感应电势对输出电势信号的“贡献”率,也就是说电磁式流量传感器输出的感应电势值是测量管内各流体单元按不同权值对输出信号电极的贡献“总和”。当传感器结构的几何特性、电极形状、电极位置、流体液位等因素发生改变,如非满管液位变化时,将显著影响传感器的权重函数分布,进而导致传感器输出电势信号的差异。因此,对于电磁式非满管流量测量方法的研究,权重函数是相关理论中的重中之重。

对电磁式流量测量方法中权重函数的研究可追溯至20世纪60年代。1962年,Shercliff在无限长均匀磁场基础上,完成了有限长均匀磁场下流速感应电势的数学解析,并提出了权重函数理论,揭示了产生感应电动势的空间关系[7]1970年,Bevir引入了虚拟电流的概念,提出了矢量权函数,并在维度上进行了拓展[26]1986年,Hemp and Versteeg采用双傅里叶级数展开的方法来求解虚电流势与磁标势,使权重函数计算量得到一定程度的简化[27]1989年,张小章提出一种交替迭代法的半解析数学方法,并运用于求解电磁式流量测量关系的虚拟电流分布问题[28]2009年,L. HuJ. Zou采用辅助面与分离变量法来研究复杂结构的权重函数[29]

2研究方法

在已有的电磁式流量测量方法及其仪表的研究基础上,鉴于权重函数具有将边界条件相关到空间感应电势贡献率的特点,利用COMSOL Multiphysics仿真平台,研究一种基于二维感应电势的非满管流量测量关系,在原理和方法上解决当前存在的核心问题。首先,在基本测量方法及其传感器结构的研究上,采用正交双励磁和非绝缘测量管方式,在非满管的权重函数仿真分析下,建立了一种具有流体二维感应电势的测量关系;其次,在传感器基础理论研究上,基于调和矢量场和电阻网络建模的权重函数计算方法,通过分析权重函数将非满管液位参数相关到空间感应电势贡献率的特性,研究二维感应电势所对应的流速与液位的数据映射关系,建立基于二维感应电势得出非满管流量参数的方法;最后,通过研究权重函数关系下的传感器信号模型,构建传感器励磁与信号处理方法及其原型仪表系统,通过非满管流量实验平台的测试与验证,完善且实现基于二维感应电势的非满管流量测量测量方法及其原型仪表系统。





















1  本项目的总体技术方案

Fig.2 Overall technical scheme

3  研究成果

3.1 满管非绝缘管壁电磁流量传感器权重函数研究成果

在已有的电磁式流量测量方法及其仪表的研究基础上,鉴于权重函数具有将边界条件相关到空间感应电势贡献率的特点,利用COMSOL Multiphysics仿真平台,研究一种基于二维感应电势的非满管流量测量关系。

2  传感器示意图                             3  传感器剖面图

Fig.2Figure of EMFMFig.3 Cross section of EMFM

团队借助有限元仿真的手段,利用虚拟电流的求解方法,研究并计算了采用非绝缘测量管的传感器权重函数分布,如图13所示,其中α表示流体的充满度,α=1.0时表示满管状态。

 α=1.0

 α=0.7

 α=0.4

α=0.2

4  不同液位下采用非绝缘测量管的传感器权重函数分布图谱

Fig.4 Weight function of non-insulation EMFM

3.2 满管非绝缘管壁电磁流量传感器研究成果

所谓的非绝缘测量管:一是测量管的体电阻相对于被测流体足够大,即不影响流体的感应电势大小;二是通过测量管管壁传递感应电势到测量点,而测量管管壁的体电阻相对于信号测量放大器的输入阻抗足够小,不影响感应电势信号的测量。






5  小管径非绝缘测量管                               6  非绝缘管壁电磁流量传感器

Fig.5Small diameter tube of EMFMFig.6 Non-insultion pipe wall of EMFM

4  实验结果












7  非绝缘测量管的传感器实验验证

Fig.7 Non-insulation EMFM has been proved by experiments

对于仿真实验,为了实现流量传感器流场的Computational Fluid DynamicsCFD)模拟,项目组借用其他高校的高性能的仿真集群平台,求解权重函数、感应电势与流速之间的关系,验证了原型系统方案提供理论模型。对于实流实验,本项目借用其他高校已有流量测量实验系统并完成了仪表系统的实流实验,采用标准表比对方法来标定本项目的电磁式非满管流量测量原型系统。另外,项目组考虑进一步将系统送至工厂进行一些对应的抗泥浆和污水实验。

5  结论

本项目通过对非满管非绝缘管壁电磁流量传感器的研究得到如下结论:

1)研究了特殊传感器结构下二维感应电势所对应的流速与液位参数的数据映射关系,建立了一种非满管边界下二维感应电势的分析理论;

2)实现了一种非绝缘管壁流量计的非满管流量测量方法及其仪表系统。

参考文献

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后记(致谢):感谢上海杉达学院及上海杉达学院双创学院对本项目的支持感谢信息科学与技术学院的全体老师在项目试验中给予的帮助尤其感谢项目的指导教师此次项目完成过程的悉心指导,让我们书本知识运用到实际项目中。整个项目完成的过程,让我们理解团队合作的重要性,并且学习到了很多课堂上无法学到的知识,我们相信这对于今后的创新创业之路是具有非常意义的!

指导教师评语

该项目对一种新型电磁流量传感器——非满管非绝缘管壁电磁流量传感器展开研究。并且将该新型传感器向市场进行推广。电磁流量计是应用最广泛的流量测量仪表之一。随着我国对节能减排力度的加大,电磁流量传感器成为行业内研究的热点问题之一。该项目完成了两大创新:完成权重函数理论的研究并实现了新型电磁流量传感器及其测量系统。最终通过实际流量实验对该新型传感器性能进行测试。实验表明该传感器性能稳定,测量结果较精确。

指导教师:李雪菁