CN114925316A - 一种基于非均质电介质模型的积分修正方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于非均质电介质模型的积分修正方法及系统,通过获取M‑W非均质电介质模型;对所述M‑W非均质电介质模型依次进行微分化和一次积分修正,得到一次积分模型;对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型;根据所述多次积分模型和边界条件确定所述中间参数;将所述中间参数的方程代入所述多次积分模型,并对得到的方程的等式两边取e的指数,得到最终的修正后的非均质电介质等效介电常数模型。本发明利用积分方法对M‑W非均质电介质模型进行了积分修正,从而提高了非均质混合物介电常数的测量精度。

Description

一种基于非均质电介质模型的积分修正方法及系统
技术领域
本发明涉及两相非均质混合介质介电常数测量技术领域,特别是涉及一种基于非均质电介质模型的积分修正方法及系统。
背景技术
非均质混合介质在日常生活和工业生产中应用广泛,其物性与连续相和离散相的组成特性密切相关。微波测量技术广泛应用于非均质混合介质的组分测量。在石油开采过程中,需要系统分析聚表二元驱油水混合液的黏度特性,而含水率对其黏度影响很大。在电力系统中,绝缘油起绝缘、消弧和冷却的作用,准确的微水检测对变电设备的安全运行具有重要意义。此外,微波技术还应用于路基土壤水分检测、汽轮机湿蒸汽测量等。因此,非均质混合物的介电性质研究具有重要的实际价值。
现在主要的两相非均质混合介质介电模型有:Lichtenecker对数模型、Rayleigh模型、Bruggeman对称模型、串并联计算公式、Maxwell-Wagner(M-W)非均质电介质模型。每个模型都有一个应用范围,超过这个范围,模型的精度就得不到保证,在实验中发现在离散相体积占比很小的情况下,上述介电模型会出现精度不高的问题。
发明内容
为了克服现有理论模型在离散相体积占比很小的情况下会出现精度不高的问题,本发明基于积分方法,以M-W非均质电介质模型为基本理论,对该模型进行了积分修正,得到了一种新的理论模型及系统。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种基于非均质电介质模型的积分修正方法,包括:
获取M-W非均质电介质模型;所述M-W非均质电介质模型的方程为
Figure BDA0003670721300000011
其中,εm*为混合物的等效介电常数;εv*为连续相的等效介电常数;εf*为离散相的等效介电常数;
Figure BDA0003670721300000012
为离散相的体积分数;
对所述M-W非均质电介质模型依次进行微分化和一次积分修正,得到一次积分模型;所述一次积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000021
对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型;所述多次积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000022
其中A为中间参数;
Figure BDA0003670721300000023
的范围为0到1;在M-W介电理论中,非均质混合物的组成为大量介电常数为εf*的介电球以体积分数
Figure BDA0003670721300000024
均匀散布在介电常数为εv*的连续介质中,其中角标f代表离散相、角标v代表连续相;所以当
Figure BDA0003670721300000025
时,在非均质混合物中不存在离散项;
获取边界条件;所述边界条件为:
Figure BDA0003670721300000026
时,εm*=εv*;
根据所述多次积分模型和所述边界条件确定所述中间参数;所述中间参数的方程为
Figure BDA0003670721300000027
将所述中间参数的方程代入所述多次积分模型,并对得到的方程的等式两边取e的指数,得到最终修正后的M-W非均质电介质等效介电常数模型;所述非均质电介质等效介电常数模型的方程为
Figure BDA0003670721300000028
优选地,所述对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型,包括:
对所述一次积分模型进行积分修正,得到中间积分模型;所述中间积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000029
对所述中间积分模型进行积分修正,得到所述多次积分模型。
一种基于非均质电介质模型的积分修正系统,包括:
初始模型获取模块,用于获取M-W非均质电介质模型;所述M-W非均质电介质模型的方程为
Figure BDA00036707213000000210
其中,εm*为混合物的等效介电常数;
Figure BDA00036707213000000211
为连续相的等效介电常数;
Figure BDA00036707213000000212
为离散相的等效介电常数;
Figure BDA00036707213000000213
为离散相的体积分数;
一次积分模块,用于对所述M-W非均质电介质模型依次进行微分化和一次积分修正,得到一次积分模型;所述一次积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000031
多次积分模块,用于对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型;所述多次积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000032
其中A为中间参数;
Figure BDA0003670721300000033
的范围为0到1;非均质混合物的组成是由体积分数为
Figure BDA0003670721300000034
Figure BDA0003670721300000035
的离散相均匀散布在连续介质中,当
Figure BDA0003670721300000036
时,所述非均质混合物中无离散项;
边界条件获取模块,用于获取边界条件;所述边界条件为:当
Figure BDA0003670721300000037
时,εm*=εv*;
中间参数确定模块,用于根据所述多次积分模型和所述边界条件确定所述中间参数;所述中间参数的方程为
Figure BDA0003670721300000038
最终模型确定模块,用于将所述中间参数的方程代入所述多次积分模型,并对得到的方程的等式两边取e的指数,得到最终的修正后的非均质电介质等效介电常数模型;所述修正后的M-W非均质电介质等效介电常数模型的方程为
Figure BDA0003670721300000039
优选地,所述多次积分模块包括:
第一积分单元,用于对所述一次积分模型进行积分修正,得到中间积分模型;所述中间积分模型的方程为
Figure BDA00036707213000000310
第二积分单元,用于对所述中间积分模型进行积分修正,得到所述多次积分模型。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供了一种基于非均质电介质模型的积分修正方法及系统,通过获取M-W非均质电介质模型;对所述M-W非均质电介质模型依次进行微分化和一次积分修正,得到一次积分模型;对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型;根据所述多次积分模型和边界条件确定所述中间参数;将所述中间参数的方程代入所述多次积分模型,并对得到的方程的等式两边取e的指数,得到最终的修正后的非均质电介质等效介电常数模型。本发明利用积分方法对M-W非均质电介质模型进行了积分修正,从而提高了非均质电介质介电常数的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例中的电介质复介电常数随频率的变化示意图;
图2为本发明提供的实施例中的M-W理论的介电模型示意图;
图3为本发明提供的实施例中的积分修正方法的流程图;
图4为本发明提供的实施例中的微分原理图;
图5为本发明提供的实施例中的各模型在0.5GHz下的介电常数实部对比示意图;
图6为本发明提供的实施例中的各模型在0.5GHz下的介电常数虚部对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于非均质电介质模型的积分修正方法及系统,能够提高油水混合物在单个频率下的相对介电常数的测量精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的实施例中的电介质复介电常数随频率的变化示意图,如图1所示,由图1电介质的复介电常数随频率的变化规律可以看出,在低频波段介质的复介电常数的实部接近于常数,近似为介质的静介电常数,而在高频波段,随着交变电场的频率升高,介质复介电常数的实部和虚部均是微波频率的函数,随频率的变化而变化。
Maxwell是推导出电场理论的第1人,该非均质材料的构成:大量介电常数为εf*的介电球以体积分数
Figure BDA0003670721300000051
均匀散布在介电常数为εv*的连续介质中,如图2所示。
推导该理论时采用了如下2个步骤:第1步是通过求解拉普拉斯方程计算介质中的一个球粒子的球外的电势,然后计算一个含有N个这样粒子的大球(假定球内小球浓度很低,因此忽略球之间的相互作用)外某点的电势E;第2步是将这个包含N个小球粒子的大的非均质球看成是具有等价介电常数εm*的均质球,将它的外部电势与E等价起来。但是在最初推导混合理论时,Maxwell对粒子和连续介质使用的都是静介电常数。后来,Wagner发展了Maxwell的理论方法,用复介电常数代替了Maxwell混合方程中的静介电常数,得到了著名的M-W方程。
Figure BDA0003670721300000052
式中,角标v、f、m分别表示连续相、离散相和混合物,
Figure BDA0003670721300000053
为离散相的体积分数。
图4为本发明提供的实施例中的,如图3所示,本发明还提供一种基于非均质电介质模型的积分修正方法,包括:
步骤100:获取M-W非均质电介质模型;所述M-W非均质电介质模型的方程为
Figure BDA0003670721300000054
其中,εm*为混合物的等价介电常数;
Figure BDA0003670721300000055
为连续相的等价介电常数;
Figure BDA0003670721300000056
为离散相的等价介电常数;
Figure BDA0003670721300000057
为离散相的体积分数;
步骤200:对所述M-W非均质电介质模型依次进行微分化和一次积分修正,得到一次积分模型;所述一次积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000061
步骤300:对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型;所述多次积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000062
其中A为中间参数;
Figure BDA0003670721300000063
的范围为0到1;当
Figure BDA0003670721300000064
时,所述连续相中无离散项;
步骤400:获取边界条件;所述边界条件为εm*=εv*;
步骤500:根据所述多次积分模型和所述边界条件确定所述中间参数;所述中间参数的方程为
Figure BDA0003670721300000065
步骤600:将所述中间参数的方程代入所述多次积分模型,并对得到的方程的等式两边取e的指数,得到最终的修正后的非均质电介质等效介电常数模型;所述非均质电介质等效介电常数模型的方程为
Figure BDA0003670721300000066
优选地,所述步骤300包括:
对所述一次积分模型进行积分修正,得到中间积分模型;所述中间积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000067
对所述中间积分模型进行积分修正,得到所述多次积分模型。
本实施例中的步骤200中,基于M-W非均质电介质模型,,采用积分方法对模型进行数学处理。如图3所示,将连续介质中离散介质的体积分数
Figure BDA0003670721300000068
以微元
Figure BDA0003670721300000069
依次加入到连续介质中,每一次都通过M-W模型计算其复介电常数,直至离散相的体积分数增加到
Figure BDA00036707213000000610
最后得到非均质电介质的等效复介电常数值。当离散项占空比很小时,有
Figure BDA00036707213000000611
εv*→εm*,则上式变为:
Figure BDA00036707213000000612
上式变形为:
Figure BDA0003670721300000071
更进一步可以得到:
Figure BDA0003670721300000072
对上式积分得:
Figure BDA0003670721300000073
上式积分得到:
Figure BDA0003670721300000074
其中
Figure BDA0003670721300000075
的范围为0到1;考虑当
Figure BDA0003670721300000076
时的特殊情况,此时连续介质里无离散项,应有εm*=εv*,利用这个边界条件再结合上式可得:
Figure BDA0003670721300000077
将A上式带入上式得:
Figure BDA0003670721300000078
对上式两边取e的指数,可以得到M-W非均质模型积分修正后的非均质电介质等效介电常数模型:
Figure BDA0003670721300000079
在本次介电特性实验中,采用油为连续相,水为离散相,温度控制在23.5℃。,压力保持在1atm,计算频率为0.5GHz,且考虑将水加到油里面的实验方案,水的体积比例最大到1/10。测得纯水的介电常数εf*=78.4977+j1.9936,纯油的介电常数εv*=2.3090+j0.0027。实验值和介电模型数据结果对比参见图5、图6。
从图5、图6可以看出,在实部方面,所有理论模型的误差都随着含水率的增加而增加,M-W电介质积分修正模型的误差增长趋势是最缓慢的,其平均误差也是最小的;在含水率为10%时,所有理论模型误差达到最大。在虚部方面,所有理论模型的误差都随着含水率的增加而增加,M-W电介质积分修正模型的误差增长是最少的,且其虚部的平均误差依然是最小的;在含水率为10%时,所有理论模型误差达到最大。从以上分析可以得出M-W非均质电介质积分修正模型与实验值的偏差度最小,在实际运用中会有最为理想的符合度。
本实施例中还提供了一种基于非均质电介质模型的积分修正系统,包括:初始模型获取模块,用于获取M-W非均质电介质模型;所述M-W非均质电介质模型的方程为
Figure BDA0003670721300000081
其中,εm*为混合物的等价介电常数;
Figure BDA0003670721300000082
为连续相的等价介电常数;
Figure BDA0003670721300000083
为离散相的等价介电常数;
Figure BDA0003670721300000084
为离散相的体积分数;
一次积分模块,用于对所述M-W非均质电介质模型依次进行微分化和一次积分修正,得到一次积分模型;所述一次积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000085
多次积分模块,用于对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型;所述多次积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000086
其中A为中间参数;
Figure BDA0003670721300000087
的范围为0到1;当
Figure BDA0003670721300000088
时,所述连续相中无离散项;
边界条件获取模块,用于获取边界条件;所述边界条件为εm*=εv*;
中间参数确定模块,用于根据所述多次积分模型和所述边界条件确定所述中间参数;所述中间参数的方程为
Figure BDA0003670721300000089
最终模型确定模块,用于将所述中间参数的方程代入所述多次积分模型,并对得到的方程的等式两边取e的指数,得到最终的修正后的非均质电介质等效介电常数模型;所述非均质电介质等效介电常数模型的方程为
Figure BDA00036707213000000810
优选地,所述多次积分模块包括:
第一积分单元,用于对所述一次积分模型进行积分修正,得到中间积分模型;所述中间积分模型的方程为
Figure BDA0003670721300000091
第二积分单元,用于对所述中间积分模型进行积分修正,得到所述多次积分模型。
本发明的有益效果如下:
(1)本发明是基于M-W非均质电介质模型所做的进一步积分修正,由于最后的结果是迭代式,经过迭代后其计算精度很高。
(2)由上述对比可得到,修正后的模型计算值与实验值相比,其有效精度相对于其他模型而言是最高的。
(3)本发明利用积分方法对M-W非均质电介质模型进行了积分修正,从而提高了非均质混合物介电常数的测量精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于非均质电介质模型的积分修正方法,其特征在于,包括:
获取M-W非均质电介质模型;所述M-W非均质电介质模型的方程为
Figure FDA0003670721290000011
其中,εm*为混合物的等价介电常数;
Figure FDA0003670721290000012
为连续相的等价介电常数;
Figure FDA0003670721290000013
为离散相的等价介电常数;
Figure FDA0003670721290000014
为离散相的体积分数;
对所述M-W非均质电介质模型依次进行微分化和一次积分修正,得到一次积分模型;所述一次积分模型的方程为
Figure FDA0003670721290000015
对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型;所述多次积分模型的方程为
Figure FDA0003670721290000016
其中A为中间参数;
Figure FDA0003670721290000017
的范围为0到1;连续相和离散相共同组成非均质混合物,离散相的体积分数为
Figure FDA0003670721290000018
Figure FDA0003670721290000019
时,在非均质混合物中无离散项;
获取边界条件;所述边界条件为εm*=εv*;
根据所述多次积分模型和所述边界条件确定所述中间参数;所述中间参数的方程为
Figure FDA00036707212900000110
将所述中间参数的方程代入所述多次积分模型,并对得到的方程的等式两边取e的指数,得到最终的修正后的非均质电介质等效介电常数模型;所述非均质电介质等效介电常数模型的方程为
Figure FDA00036707212900000111
2.根据权利要求1所述的基于非均质电介质模型的积分修正方法,其特征在于,所述对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型,包括:
对所述一次积分模型进行积分修正,得到中间积分模型;所述中间积分模型的方程为
Figure FDA00036707212900000112
对所述中间积分模型进行积分修正,得到所述多次积分模型。
3.一种基于非均质电介质模型的积分修正系统,其特征在于,包括:
初始模型获取模块,用于获取M-W非均质电介质模型;所述M-W非均质电介质模型的方程为
Figure FDA0003670721290000021
其中,εm*为混合物的等价介电常数;
Figure FDA0003670721290000022
为连续相的等价介电常数;
Figure FDA0003670721290000023
为离散相的等价介电常数;
Figure FDA0003670721290000024
为离散相的体积分数;
一次积分模块,用于对所述M-W非均质电介质模型依次进行微分化和一次积分修正,得到一次积分模型;所述一次积分模型的方程为
Figure FDA0003670721290000025
多次积分模块,用于对所述一次积分模型依次进行两次积分修正,得到多次积分模型;所述多次积分模型的方程为
Figure FDA0003670721290000026
其中A为中间参数;
Figure FDA0003670721290000027
的范围为0到1;连续相和离散相共同组成非均质混合物,离散相的体积分数为
Figure FDA0003670721290000028
Figure FDA0003670721290000029
时,在非均质混合物中无离散项;
边界条件获取模块,用于获取边界条件;所述边界条件为εm*=εv*;
中间参数确定模块,用于根据所述多次积分模型和所述边界条件确定所述中间参数;所述中间参数的方程为
Figure FDA00036707212900000210
最终模型确定模块,用于将所述中间参数的方程代入所述多次积分模型,并对得到的方程的等式两边取e的指数,得到最终的修正后的非均质电介质等效介电常数模型;所述非均质电介质等效介电常数模型的方程为
Figure FDA00036707212900000211
4.根据权利要求3所述的基于非均质电介质模型的积分修正系统,其特征在于,所述多次积分模块包括:
第一积分单元,用于对所述一次积分模型进行积分修正,得到中间积分模型;所述中间积分模型的方程为
Figure FDA00036707212900000212
第二积分单元,用于对所述中间积分模型进行积分修正,得到所述多次积分模型。
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