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基于被测介质电导特性的冰水情传感器及系统的研究

作　者: 李卉萍
导　师: 马福昌
学　校: 太原理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: 引水工程冰水情预警检测
分类号: TP274
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 11次
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内容摘要

进入21世纪以来,社会经济高速发展,城市化进程不断加速,人民的生活水平也在显著提高,工业、生活等各方面对水的需求量越来越大。然而,在一些水资源匮乏的地区,水资源成为制约社会发展和人民生活水平提高的重要因素。因此,跨流域引水工程作为调节水资源分布不均、实现水资源合理配置的重要调控手段,在工业生产、人民生活和社会的可持续发展方面发挥着无可替代的作用。长距离引水工程是一项复杂的系统工程,而且在一些特殊的工程中会存在安全运行问题和预警问题。本文主要针对引水工程中存在的一些科学难题和工程技术难点,研究在恶劣环境下进行冰水位信号的自动采集的新理论和新方法,以解决北方冬季水道明渠在结冰的恶劣环境下,冰水位信号采集难题。研究开发适合我国北方冬季条件下,具有冰水情数据自动采集、处理、存储和实时监测为一体的技术方案和新型的冰水位传感器采集设备。主要研究内容为：(1)基于水与冰的物理和化学特性差异,分析其在不同的温度条件下电导率变化的规律,提出了基于被测介质的等效电阻-温度梯度特性差异的冰水情检测技术方案。(2)实验室条件下,仿真验证基于被测介质的等效电阻-温度梯度特性的冰水情检测技术的可行性,为进一步研制应用于工程的冰水情检测传感器提供了理论支持和实现途径。(3)现场条件下,应用设计了基于被测介质的等效电阻-温度梯度特性的冰水情传感器,设计、研制了整套数据处理系统,用于数据的现场调试。(4)对实验室仿真数据和现场采集数据进行分析、验证,设计了“最小二乘法变点冰水情数据处理算法”,以解决工程测量中的奇异点判别误差问题。(5)在太原理工大学测控技术研究所马福昌教授的感应式数字水位传感器的基础上,做了保温结构的设计和改进,设计了一套防冰冻传感器系统,解决了全冰冻条件下无压全水位的检测难题,为实现冰水情检测技术提供了一些新思路和新方法。本文涉及到的基于感应式数字水位传感器防冰冻水位检测技术的应用研究已经取得了了一些初步成果,获得了相应专利。研制成功的基于被测介质的等效电阻-温度梯度特性的冰水情传感器及数据采集系统,也已经应用于国家的第21次南极科学考察项目研究中。但是我们的理论研究和技术实现仍然存在问题需要解决,需要对更广阔的科学技术领域和更深层次的科学问题进行探索研究。真诚地希望能够得到同行专家学者们的指导和帮助,为中国的现代水利建设做出更大的贡献。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 长距离引水工程冰水情预警技术研究的意义  10-13
  1.2 国内外研究现状  13-17
    1.2.1 引黄明渠河道冰水情检测方法  15-17
  1.3 新型冰水情检测方法的提出  17-18
  1.4 本论文研究的主要内容  18-20
第二章基于水的物理特性研究冰水情检测技术及其检测方法  20-40
  2.1 自然水的基本物理与化学特性  20-27
  2.2 温度变化对自然水的导电特性的影响  27-30
  2.3 水的电导率的测量方法与存在的问题  30-34
  2.4 冰水情传感器检测原理  34-38
    2.4.1 冰水情传感器的设计思路  34-35
    2.4.2 冰水情传感器电路可集成性实验  35-36
    2.4.3 冰水情传感器专用集成电路原理  36-38
  2.5 冰水情检测过程中需要解决的几个理论与技术难题  38-40
第三章基于被测介质的R-T特性差异实现冰水情检测机理的仿真与现场试验  40-52
  3.1 自然水导电特性的实验室仿真  40-46
  3.2 自然水导电特性的野外河道现场试验  46-51
  3.3 实验结果分析及小结  51-52
第四章基于被测介质等效电阻-温度梯度特性差异的冰水情检测传感器与数据处理系统的研制  52-62
  4.1 R-T冰水情检测传感器  52-54
  4.2 冰水情智能化现场数据采集处理系统的设计与研制  54-57
  4.3 传感器数据采集算法与软件的设计  57-61
    4.3.1 基于经验阈值确定空气、冰与水的界面位置的处理算法  57-58
    4.3.2 “最小二乘法变点冰水情数据处理算法”  58-61
  4.4 本章小结  61-62
第五章引水工程明渠现场冰层厚度的工程试验  62-72
  5.1 引黄入晋水源地万家寨水库冬季冰水情连续监测试验与数据分析  62-65
  5.2 黄河内蒙三湖口河道冬季冰水情连续监测试验与数据分析  65-69
  5.3 现场工程应用试验存在的问题及解决思路  69-72
第六章防冰冻水位传感器的探索研究与冰水情检测系统的设计  72-102
  6.1 数字化防冰冻水位传感器检测原理  72-73
  6.2 防冰冻水位传感器的研制与试验  73-85
    6.2.1 感应式数字化水位传感器  73-79
    6.2.2 防冰冻水位传感器的设计与试验  79-85
  6.3 冰水情检测系统的总体构成和设计  85-100
    6.3.1 硬件电路的总体设计和工作原理  86-96
    6.3.2 系统的上位机软件设计  96-100
  6.4 本章小结  100-102
第七章论文总结与展望  102-106
  7.1 论文所做工作  102-103
  7.2 论文工作的创新点  103-104
  7.3 进一步的研究与建议  104-106
参考文献  106-116
附录1 水结冰过程空气、冰与水电阻值随温度变化实验记录数据  116-126
致谢  126-128
攻读博士学位期间已发表和录用的学术论文  128

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