单对电极的井下环空电磁流量测量系统的优化方法

随着石油资源的不断钻采,尤其是在窄安全密度窗口地区钻井时,由于对井下流量信息的缺失,导致溢流和井喷问题。采用井下微流量控制钻井技术可以有效解决窄安全密度窗口钻井中出现的溢流和井喷问题,而使用井下环空流量测量技术实时获取井下的环空流量信息是实现井下微流量控制钻井技术的最核心部分及保证。近年来快速发展的电磁流量计研究为井下环空流量测量提供了机遇,作者基于数字优化技术对井下环空流量测量系统进行了优化研究。首先,提出钻井过程中单对电极的井下环空流量电磁测量基础理论模型和优化原理,并基于Bevir的矢量权重函数理论实现环空流道电磁流量测量系统虚电流电势和虚电流密度求解。权函数值与磁感应强度和虚电流密度有关,当电极的尺寸和结构固定时,即虚电流密度为定值,通过优化励磁结构来使权函数值接近常数。其次,为了实现井下环空电磁流量系统的最优设计,作者基于多耦合场软件COMSOL仿真模型对建立的环空电磁流量测量系统的关键结构尺寸因素进行了仿真,通过对单对线圈励磁结构COMSOL仿真数据进行分析,结合矢量权重函数的评价指标进行综合权衡,得出最优励磁结构参数。再根据不同的边界条件实现环空流道电磁流量测量系统虚电流电势和虚电流密度求解,掌握了虚电流密度分布规律。经过建立理论模型、仿真优化、分析评价指标,最终得出单对电极的井下环空电磁测量系统的最优励磁结构参数,该参数有利于提高系统的测量精度。     

用计时-计频方式精确测量涡街流量计信号

涡街流量计是一种测量流量的传感器，其输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号，在不同介质和管径中测量流量时所对应的输出信号频率范围不同．采用常规定时采集信号脉冲数的方法容易在低频率产生误差．为了能够精确获取涡街流量计在低、中频段的信号，采用了输出脉冲信号计时与计频方式相结合的测频方法，重点介绍了交点频率的计算方法和误差分析，提供了用单片机实现这两种方法的测量原理和硬软件设计思路．     

基于新型正八边形励磁线圈的高精度电磁流量测量技术研究

受外界扰动和流速分布的影响,电磁流量计在进行流量测量过程中仍然存在测量精度不高的问题,改进电磁流量计励磁线圈结构是提高精度的重要手段之一.本文基于新型正八边形励磁线圈实现了电磁流量测量精度的提高,首先在研究权重函数优化原理的基础上,通过分析了正八边形线圈的磁场理论模型得出了基于均匀磁场理论的电磁流量计优化思路;其次,基于有限元分析软件建立了正八边形励磁线圈电磁流量计的仿真模型,确定了正八边形励磁线圈磁场分布最优的结构参数,并通过对比圆形和方形线圈同等条件下的权重函数分布,证明了正八边形线圈权重函数分布均匀性优势;最后搭建实验平台,进行磁场测试实验和流体测试实验进行验证.磁场测试结果表明,正八边形线圈电磁流量计磁感应强度在管道中心区域能够维持在2.063mT左右,总体磁感应强度波动范围在0.11mT以内,说明正八边形线圈磁场具有良好的均匀性;流体测试结果表明,当流量在0.743m/s-2.582m/s时,单点相对示值误差最大仅为0.950%,系统重复性误差在1.034%以下,经过优化后的系统提升了测量精度,对后续电磁流量测量计的励磁线圈设计具有指导意义.     

电磁流量计基波平均值信号处理方法的研究

针对电磁流量计测量信号复杂而微弱，导致失真和干扰信号被放大的问题，依据低频矩形波励磁方式下电磁一计的工作原理和流量与信号的基本关系，提出了一种基波平均值信号预处理方法，经过分析和试验证明可以提高抗干扰能力和动态响应，在量程范围内，测量准确度达到0.25%。     

管壁差压式涡街流量计测量影响因素分析

为了提高涡街流量计的抗干扰性和稳定性并保证测量精度，提出了一种基于管壁差压的旋涡频率检测新方法.在水和空气不同管内流动介质的情况下进行了系统实验.应用旋涡动力学和流体阻抗法，分析了取压位置和引压管频率特性因素对该方法测量性能的影响.实验结果表明，在旋涡发生体下游的一定距离内，取压位置对该方法的斯特劳哈尔数和仪表系数的影响很小，较靠近旋涡发生体迎流面的地方可测流量下限低.引压管的长度应尽量短，并且保证其固有频率与涡街频率相差较大.该方法简便可靠，适应性强，测量下限低.     

基于导热和对流联合作用原理中温管道流量测量研究

提出了一种测量管道流量的方法，即基于导热和对流和对流联合作用原理的中温管道流量测量方法。在提出测试原理的基础上，建立了依据该测试原理进行流量测量的实验台架，通过热空气等截面的实验试件进行实验。实验结果表明，基于导热和对流联合作用原理流量测量方法所依据的测试原理是正确的。由于该流量测量方法将流量测量问题转化为温度测量问题，因此产生误差的主要原因在于温度测量的准确度。     

用计时-计频方式精确测量涡街流量计信号

涡街流量计是一种测量流量的传感器 ,其输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号 ,在不同介质和管径中测量流量时所对应的输出信号频率范围不同 .采用常规定时采集信号脉冲数的方法容易在低频率产生误差 .为了能够精确获取涡街流量计在低、中频段的信号 ,采用了输出脉冲信号计时与计频方式相结合的测频方法 .重点介绍了交点频率的计算方法和误差分析 ,提供了用单片机实现这两种方法的测量原理和硬软件设计思路 .     

非正弦激励下铁心损耗计算模型改进

针对Bertotti损耗分离模型计算非正弦激励下铁心损耗不准确的问题,提出了将异常损耗表达为励磁频率与励磁强度函数的Barbisio算法.利用磁特性测量系统得到中频方波、正弦以及PWM电压激励下软磁铁氧体和纳米晶环形铁心损耗的数据,将异常损耗系数构造成频率和磁通密度的非线性函数.该模型计算了一台中频变压器在方波激励下的铁心损耗.仿真和实验结果表明,改进的损耗模型是有效的,与传统Barbisio算法比较,提出的方法更能准确地预估中频变压器铁心损耗.     

流量的超声计量方法研究

本文探讨了一种利用超声波测量的新方法。该方法以相位跟踪为基础,对超声波顺逆流传播环路的频率进行测量,利用微机对这两路频率信号进行处理,计算出流量。因而该方法具备了相差法检测灵敏度高和频差法受被测流体声速变化影响小的特点。同时,采用温度修正的方法,使较宽的温度范围保证测量精度。     

正弦电压的矢量测量及其用于自动励磁调节器的探讨

力使同步发电机的励磁调节器便于采用新的成就(如PSS),同时也为提高数字励磁调节器的精确度和响应速度,本文提出了一种新的测量正弦交流电压的方法——矢量测量,利用这种方法,可精确地测出发电机输出电压中基波分量的有效值,相位和频率,将之用于自并励系统,还可省去同步变压器。我们以这种技术为基础,研制了一台新型的微处理机励磁调节器,并进行了动模试验,结果是令人满意的.     

弱非线性系统的辨识方法

汽车前轮的独立悬挂系统是由摆臂机构、扭杆弹簧、阻尼器和悬挂质量组成的非线性系统。它是含有刚度非线性和阻尼非线性的弱非线性系统。本文介绍这种系统的频响函数测量和在随机激励下的平均线性化方法。作者分析了这个振动系统的超低频特性,给出了在不同激励信号电平下测得的频响函数曲线和平均次数之间的关系以及模态参数辨识结果。     

单自由度简谐振动机械弹性支承刚度和激振力的设计

采用传递函数法求解单自由度简谐振动机械的动力学方程,得到振动体位移与激振力的关系,通过激振力频率和振动体质量的波动对振动体振幅的影响分析,以及隔振系数与频率比关系的分析,提出了该类振动机械合理的下限频率比;同时考虑到弹性支承在振动体重力作用下的静变形应大于振动体的最大振幅,从而给出了弹性支承刚度的设计依据和激振力幅值的计算公式,为单自由度简谐振动机械的设计提供了系统的理论和方法,并通过算例进一步阐述了该设计方法的应用.     

激光调制法的热电偶时间常数测量

在瞬态温度测量中,为了获得准确的测量结果,要求测温传感器有良好的瞬态响应特性,时间常数是反映瞬态响应的参数之一.本文建立了热电偶时间常数测量系统,建立并分析了热电偶瞬态响应的数学模型;用美国相干公司K-500型CO2激光器测试了几种不同热电偶的时间常数.结果表明,利用此大功率高频调制CO2激光脉冲作为激励源,可以测量时间常数为亚毫秒量级的热电偶及其它表面温度传感器.     

深孔管道光学测量装置的研究

火炮身管内膛的检测一直是国内外未能有效解决的难题,针对这个现状,同时结合我国兵器生产,使用和试验的实际需求,采用轮式微型管内移动装置,通过行走装置及光学系统设计,对变径管道进行测量以及缺陷检测.主要利用内膛表面在CCD相机上所成的像,同时实现膛线参数的检测和磨损程度的检测.实验证明该结构简单,运行速度快,对直径变化在25～40(mm)之间的变径管道可以有效进行检测.     

电磁超声相控阵大功率高频激励源设计开发

为实现电磁超声相控阵在埋地钢质管道内超声波能量聚焦,增强管壁缺陷检测精确度,基于射频理论及DE类功率放大器技术,提出了一种电磁超声相控阵多通道大功率高频激励源设计方法.通过现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)数字延迟方式对采样时钟进行精确控制,以实现激励源多通道脉冲序列时序和相位的延迟.采用光纤隔离脉冲信号以及电源隔离转换参考电位,有效解决了激励源高频"浮栅"驱动问题.研究了DE类功率放大器开关管和放大电路的工作特性,并基于Pspice软件建立了DE类功率放大器仿真模型,实现了对放大电路元件参数的优化和性能指标的验证.实验结果表明:设计开发的激励源能够实现1 ns延时精度的脉冲序列,当工作频率为1.1 MHz以及工作电压为300 V时,电磁超声阵元输出的交变电流峰峰值为20 A,输出功率为1.5 kW,从而满足电磁超声相控阵检测技术的要求.     

磁流变智能镗杆的动态特性测试与分析

为了给磁流变智能镗杆制定有效的颤振控制策略,对其动态特性进行了测试与分析.通过瞬态激振方法对智能镗杆的刚度与阻尼特性关于磁场强度大小的变化规律进行了研究,结果显示其刚度特性随磁场强度的增加而单调增加,阻尼变化则为先增后减;采用稳态激振法对智能镗杆的动态特性与外界激振频率、幅值和磁场强度之间的关系进行了研究,结果表明,在以磁流变材料屈服前系统共振频率为中心的频段内,系统会出现强非线性现象,且磁场强度越高,非线性频段就越窄.     

斜交梁桥频率间接识别效果的影响参数

采用过桥车辆振动响应识别桥梁自振特性的间接测量法能够避免传统动载试验测量桥频方法存在的操作复杂和成本高等缺点。根据车桥耦合振动理论和桥梁间接测量法基本原理,对实际工程中的某一斜交梁桥建立车辆与桥梁耦合振动的有限元模型,采用双轴半车模型模拟测量车辆,提取车辆匀速驶过桥梁时的车辆加速度时程响应,并利用峰值拾取法进行频谱分析,剔除已知的车辆相关频率识别出桥梁的前三阶自振频率,分析了6种不同车速、6种不同车重、8种不同桥梁斜交角度对桥梁频率识别效果的影响特点。结果表明,间接测量法能够有效地识别桥梁比较密集的频率,车速低于20 km/h时,能够较好地识别出斜交梁桥的前3阶频率,车速较高时无法识别桥梁的频率信息;相对较小的车桥质量比对桥梁频率识别有利;斜交梁桥不同的斜交角度基本不影响桥梁频率识别的精度;桥面粗糙时采用差值法仍能较好地识别。数值模拟表明,间接测量法对于不规则斜交梁桥频率仍有较好的识别效果。     

电磁超声相控阵激励源高频隔离驱动电路

为了进一步提高电磁超声相控阵激励源的工作效率,基于半桥拓扑放大结构提出了一种电磁超声相控阵激励源高频隔离驱动电路的设计方法.根据金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)的简化模型,分析了MOSFET在开通和关断过程中的开关损耗,从而给出了高频隔离驱动电路所必须满足的条件.通过采用光纤器件隔离脉冲信号和DC-DC隔离电源对参考电位进行转换,有效解决了驱动电路的高频"浮栅"问题,并利用RC微分电路和施密特反相器设计了驱动信号死区时间可调电路.实验结果表明:设计的驱动电路能够输出频率为1.1 MHz、死区时间为0.32μs、驱动电压为18.8 V、占空比为26%的互补驱动信号,并且在驱动MOSFET栅极的实际应用中,有效降低了功率开关管的功率损耗.     

Different Frequency Synchronization Theory and Its Frequency Measurement Practice Teaching Innovation Based on Lissajous Figure Method

According to the requirement of multi-parameter time and frequency measurement without frequency normalization,a different frequency synchronization theory is proposed based on Lissajous figure method and the variation law of Lissajous figure which are used in practice teaching of frequency measurement.The theory can achieve high-precision transmission and comparison of time and frequency and precise locking and tracking of phase and frequency,improve the level of scientific research on time and frequency for postgraduate,and promote practice teaching innovation of time frequency measurement for undergraduate.Utilizing the ratio of horizontal and vertical inflection point of the Lissajous figure,the nominal frequency of the measured signal is precisely calculated.The frequency deviation between the measured frequency and its nominal frequency can be obtained by combining the turning cycle of the Lissajous figure.By observing the phase relationship between the frequency standard signal and the measured signal,the accurate measurement of the frequency isimplemented.Experimental results show that the direct measurement and comparison better than the 10-11 order of magnitude with common frequency source can be fmished between any signal frequencies.The frequency measurement method based on the theory has the advantage of simple operation,quick measurement speed,small error,low noise and high measurement precision.It plays an important role in time synchronization,communications,metrology,scientific research,educational technology practice and equipment and other fields.     

Relaxation oscillations induced by an order gap between exciting frequency and natural frequency

The main purpose of the paper is to display the relaxation oscillations, known as the bursting phenomena, for the coupled oscillators with periodic excitation with an order gap between the exciting frequency and the natural frequency. For the case when the exciting frequency is much smaller than the natural frequency, different types of bursting oscillations such as fold/fold, Hopf/Hopf bursting oscillations can be observed. By regarding the whole exciting term as a slow-varying parameter on the fact that the exciting term changes on a much smaller time scale, bifurcations sets of the generalized autonomous system is derived, which divide the parameter space into several regions associated with different types of dynamical behaviors. Two cases with typical bifurcation patterns are focused on as examples to explore the dynamical evolution with the variation of the amplitude of the external excitation. Bursting oscillations which alternate between quiescent states (QSs) and repetitive spiking states (SPs) can be obtained, the mechanism of which is presented by introducing the transformed phase portraits overlapping with the bifurcation diagrams of the generalized autonomous system. It is found that not only the forms of QSs and SPs, but also the bifurcations at the transition points between QSs and SPs, may influence the structures of bursting attractors. Furthermore, the amplitudes and the frequencies related to SPs may depend on the bifurcation patterns from the quiescent sates.