Электрическое поле тока · Осесимметричная
Кондуктометрический датчик уровня жидкости
Коаксиальные электроды радиусами 2 и 10 мм, высота чувствительной части 100 мм. Жидкость занимает 20, 50 или 80 мм снизу. Расчёт осесимметричный: горизонтальная координата r, вертикальная z.
Работа связывает полевое распределение с измеряемой электротехнической величиной. Все исходные данные заданы в программе; принятые идеализации сформулированы до расчёта. Основной результат проверяется независимой формулой или балансом, а чувствительность к геометрии исследуется отдельными вариантами.
Самостоятельная учебная модель FEMM 5: от физических соотношений к полевому решению и проверке результата.
Допущения и устройство учебной модели
Все размеры, свойства материалов и условия возбуждения заданы ниже. Численные результаты относятся к опубликованной версии модели FEMM 5.
Физическая и математическая постановка
Теория и физическая постановка
Каждый горизонтальный слой образует самостоятельный радиальный путь проводимости между цилиндрическими электродами. Слои по высоте включены параллельно. Поэтому полная проводимость линейно зависит от заполненной высоты при неизменной проводимости жидкости и неизменном сечении. Радиальная площадь меняется вдоль пути тока, что приводит к логарифму отношения радиусов.
Жидкость и сухая область разделены горизонтальной границей. Обе цилиндрические стенки имеют постоянные потенциалы по всей высоте, торцы электрически изолированы. При такой постановке аналитический потенциал не зависит от z, а нормальный ток через границу уровня равен нулю. FEMM должен получить это распределение самостоятельно, используя разные проводимости материалов.
Сухой среде назначена малая положительная проводимость 10⁻⁹ См/м. Это явный паразитный путь, а не математический вакуум. В контрольной формуле он учитывается, хотя его влияние мало. Выбор осесимметрии принципиален: плоская прямоугольная модель давала бы другую площадь тока и другой закон зависимости от радиусов.
Как читать расчёт
Программа строит три сетки, сохраняет каждую модель, закрывает её и повторно открывает перед решением. Поэтому проверка относится к точному записанному файлу с русскими именами материалов, проводников и граничных условий. Результаты каждой серии находятся в новой папке calculated-XX рядом с программой; предыдущая серия не перезаписывается.
В result.json массив records содержит расчётные величины и параметры сетки, checks — фактические отклонения, допустимые пределы и логический результат. Проверяйте все критерии одновременно. Совпадение одной точки с ориентиром не заменяет проверки баланса и изменения результата по сетке. Для итерационной обратной связи отдельно контролируется сходимость итераций; она не является оценкой пространственной погрешности.
Практическое исследование
Измените проводимость жидкости в два раза и сравните изменение тока с изменением уровня. Объясните, почему без дополнительного измерения температуры или состава эти два воздействия трудно разделить по одному электрическому сигналу.
Измените отношение радиусов, сохранив наружный размер или ширину зазора. Сопоставьте логарифмическую формулу с ошибочной формулой плоской щели и определите, при каком малом зазоре последнее приближение становится приемлемым.
Увеличьте проводимость сухой области. Найдите ненулевой отсчёт при пустом датчике и объясните необходимость его калибровки. Сравните абсолютную проводимость и приращение относительно пустого состояния.
Исходные данные
Коаксиальные электроды радиусами 2 и 10 мм, высота чувствительной части 100 мм. Жидкость занимает 20, 50 или 80 мм снизу. Расчёт осесимметричный: горизонтальная координата r, вертикальная z.
| Параметр | Значение | Единица | Происхождение |
|---|---|---|---|
| Внутренний радиус | 2 | мм | Принято в учебной постановке |
| Наружный радиус | 10 | мм | Принято в учебной постановке |
| Высота | 100 | мм | Принято в учебной постановке |
| σ жидкости | 0,02 | См/м | Принято в учебной постановке |
| Напряжение | 1 | В | Принято в учебной постановке |
Порядок воспроизведения
- Скопируйте reproduce.py в отдельную рабочую папку и откройте встроенным редактором Python FEMM 5. Проверьте заданные параметры и единицы, затем выполните программу целиком. Внешний модуль pyFEMM для этой программы не используется.
- Откройте модель и решение окончательной сетки. Сопоставьте материалы, проводники и границы с теорией. Для осесимметричной задачи найдите ось вращения и объясните, какие поверхности образуются при вращении каждой линии поперечного рисунка.
- Составьте таблицу трёх сеток и приведите независимый расчёт по формуле. Для серии из нескольких геометрий сравнивайте только результаты одной и той же сетки, затем отдельно исследуйте её уточнение. Укажите абсолютные и относительные ошибки с единицами.
- Выполните предложенные варианты по одному. До запуска предскажите знак и примерный масштаб эффекта. В отчёте объясните, какие величины действительно определяет модель, какие параметры остаются предположениями и что пришлось бы уточнить для реального изделия.
Скачайте нужные файлы по отдельным ссылкам ниже в одну рабочую папку, затем откройте reproduce.py во встроенном Python FEMM 5 и выполните его. Сохраните имена файлов и структуру подпапок. Условия конкретного запуска и путь новых результатов указаны в комментариях программы.
Программа встроенного Python FEMM 5
"""Самостоятельная лабораторная работа курса FEMM 5.
Запуск: встроенный MicroPython FEMM 5, команды FEMM доступны непосредственно.
Геометрические координаты и глубина — мм; результаты интегралов — единицы СИ.
Данные, допущения, аналитические ориентиры и ход исследования заданы в README.md.
Каждая серия записывается в новую calculated-XX; прежние результаты сохраняются.
Сохранённая модель закрывается и открывается до расчёта, включая русские имена.
"""
import os
import sys
import json
import math
script = globals().get("__file__", "") or (sys.argv[0] if sys.argv else "")
base = os.path.dirname(os.path.abspath(script)) if script else os.getcwd()
index = 1
while "calculated-%02d" % index in os.listdir(base):
index += 1
directory = base + "/calculated-%02d" % index
os.mkdir(directory)
records = []
checks = []
def real(value):
if isinstance(value, (tuple, list)):
return real(value[0])
return complex(value).real
def check(name, value, limit):
checks.append(
{
"name": name,
"value": value,
"limit": limit,
"passed": math.isfinite(value) and value <= limit,
}
)
def polygon(prefix, points):
for x, y in points:
globals()[prefix + "_addnode"](x, y)
for i, (x, y) in enumerate(points):
x2, y2 = points[(i + 1) % len(points)]
globals()[prefix + "_addsegment"](x, y, x2, y2)
def geometry(prefix, job, mesh):
if job.get("polygon"):
polygon(prefix, job["polygon"])
for x1, y1, x2, y2 in job.get("interfaces", []) + job.get("segments", []):
globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
globals()[prefix + "_addsegment"](x1, y1, x2, y2)
for x1, y1, x2, y2, angle, name in job.get("arcs", []):
globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
globals()[prefix + "_addarc"](x1, y1, x2, y2, angle, 1)
cx, cy = job.get("arc_center", (0, 0))
mx = (x1 + x2) / 2 - cx
my = (y1 + y2) / 2 - cy
radius = math.sqrt((x1 - cx) ** 2 + (y1 - cy) ** 2)
factor = radius / math.sqrt(mx * mx + my * my)
globals()[prefix + "_selectarcsegment"](cx + mx * factor, cy + my * factor)
if prefix == "ci":
ci_setarcsegmentprop(1, "<None>", 0, 0, name or "<None>")
else:
hi_setarcsegmentprop(1, name or "<None>", 0, 0, "<None>")
globals()[prefix + "_clearselected"]()
for x, y, radius, name in job.get("circles", []):
globals()[prefix + "_addnode"](x - radius, y)
globals()[prefix + "_addnode"](x + radius, y)
globals()[prefix + "_addarc"](x - radius, y, x + radius, y, 180, 1)
globals()[prefix + "_addarc"](x + radius, y, x - radius, y, 180, 1)
globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y + radius)
globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y - radius)
if prefix == "ci":
ci_setarcsegmentprop(1, "<None>", 0, 0, name or "<None>")
else:
hi_setarcsegmentprop(1, name or "<None>", 0, 0, "<None>")
globals()[prefix + "_clearselected"]()
for x, y, name, group in job["blocks"]:
globals()[prefix + "_addblocklabel"](x, y)
globals()[prefix + "_selectlabel"](x, y)
globals()[prefix + "_setblockprop"](
name,
0,
mesh
* job.get("block_mesh_multipliers", {}).get(
str(group), job.get("mesh_multipliers", {}).get(name, 1)
),
group,
)
globals()[prefix + "_clearselected"]()
def current(job, mesh, stem):
newdocument(3)
ci_probdef("millimeters", job.get("type", "planar"), 0, 1e-10, job["depth"], 30)
for name, sx, sy in job["materials"]:
ci_addmaterial(name, sx, sy, 1, 1, 0, 0)
for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
ci_addconductorprop(name, voltage, amperes, kind)
geometry("ci", job, mesh)
for x, y, name in job.get("electrode_segments", []):
ci_selectsegment(x, y)
ci_setsegmentprop("<None>", mesh, 0, 0, 0, name)
ci_clearselected()
path = directory + "/" + stem + ".fec"
ci_saveas(path)
ci_close()
opendocument(path)
ci_analyze(1)
ci_loadsolution()
co_smooth("off")
terminals = {}
terminal_power = 0
balance = 0
current_scale = 0
for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
u, i = co_getconductorproperties(name)
terminals[name] = {"U_V": real(u), "I_A": real(i)}
terminal_power += real(complex(u) * complex(i).conjugate())
balance += complex(i)
current_scale = max(current_scale, abs(complex(i)))
powers = {}
power = 0
for x, y, name, group in job["blocks"]:
if name == "<No Mesh>":
continue
co_groupselectblock(group)
powers[str(group)] = real(co_blockintegral(0))
power += powers[str(group)]
co_clearblock()
samples = []
for x, y in job.get("samples", []):
values = co_getpointvalues(x, y)
samples.append(
{
"x_mm": x,
"y_mm": y,
"U_V": real(values[0]),
"J_A_m2": math.sqrt(
abs(complex(values[1])) ** 2 + abs(complex(values[2])) ** 2
),
}
)
row = {
"model": stem + ".fec",
"mesh_mm": mesh,
"nodes": co_numnodes(),
"elements": co_numelements(),
"terminals": terminals,
"P_W": power,
"group_power_W": powers,
"samples": samples,
"current_balance_relative": abs(balance) / current_scale,
"power_balance_relative": abs(power - terminal_power) / max(power, 1e-30),
}
check(stem + ": баланс токов", row["current_balance_relative"], 1e-6)
check(stem + ": баланс мощности", row["power_balance_relative"], 1e-6)
co_close()
ci_close()
return row
def heat(job, mesh, stem):
newdocument(2)
hi_probdef("millimeters", job.get("type", "planar"), 1e-10, job["depth"], 30)
for name, kx, ky, q in job["materials"]:
hi_addmaterial(name, kx, ky, q, 0)
for boundary in job["boundaries"]:
name, kind, temp, ambient, h = boundary[:5]
beta = boundary[5] if len(boundary) > 5 else 0
hi_addboundprop(name, kind, temp, 0, ambient, h, beta)
geometry("hi", job, mesh)
for x, y, name in job.get("boundary_segments", []):
hi_selectsegment(x, y)
hi_setsegmentprop(name, job.get("boundary_mesh", mesh), 0, 0, 0, "<None>")
hi_clearselected()
path = directory + "/" + stem + ".feh"
hi_saveas(path)
hi_close()
opendocument(path)
hi_analyze(1)
hi_loadsolution()
ho_smooth("off")
averages = {}
generated = 0
for x, y, name, group in job["blocks"]:
ho_groupselectblock(group)
averages[str(group)] = real(ho_blockintegral(0))
volume = real(ho_blockintegral(2))
q = [m[3] for m in job["materials"] if m[0] == name][0]
generated += q * volume
ho_clearblock()
samples = []
for x, y in job.get("samples", []):
samples.append({"x_mm": x, "y_mm": y, "T_K": real(ho_getpointvalues(x, y)[0])})
convection = 0
for x1, y1, x2, y2, ambient, h in job.get("convection_edges", []):
count = 200
total = 0
for n in range(count + 1):
t = real(
ho_getpointvalues(
x1 + (x2 - x1) * n / count, y1 + (y2 - y1) * n / count
)[0]
)
total += (0.5 if n in (0, count) else 1) * (t - ambient)
length = math.sqrt((x2 - x1) ** 2 + (y2 - y1) ** 2) * 0.001
convection += total / count * length * job["depth"] * 0.001 * h
row = {
"model": stem + ".feh",
"mesh_mm": mesh,
"nodes": ho_numnodes(),
"elements": ho_numelements(),
"samples": samples,
"group_average_K": averages,
"generated_W": generated,
"convection_W": convection,
}
if job.get("convection_edges") and not job.get("skip_convection_balance"):
check(
stem + ": баланс конвективного теплоотвода",
abs(convection - generated) / max(generated, 1e-30),
0.005,
)
ho_close()
hi_close()
return row
JOB = {
"type": "axi",
"polygon": [[2, 0], [10, 0], [10, 100], [2, 100]],
"depth": 1,
"materials": [["Проводящая жидкость", 0.02, 0.02], ["Сухая среда", 1e-09, 1e-09]],
"terminals": [["Внутренний электрод", 1, 0, 1], ["Наружный электрод", 0, 0, 1]],
"blocks": [],
}
for level, mesh in enumerate((0.5, 0.25, 0.125)):
readings = []
for height in (20, 50, 80):
job = json.loads(json.dumps(JOB))
job["interfaces"] = [[2, height, 10, height]]
job["blocks"] = [
[6, height / 2, "Проводящая жидкость", 1],
[6, (height + 100) / 2, "Сухая среда", 2],
]
job["electrode_segments"] = [
[2, height / 2, "Внутренний электрод"],
[2, (height + 100) / 2, "Внутренний электрод"],
[10, height / 2, "Наружный электрод"],
[10, (height + 100) / 2, "Наружный электрод"],
]
row = current(job, mesh, "mesh-%d-level-%d" % (level + 1, height))
conductance = abs(row["terminals"]["Внутренний электрод"]["I_A"])
reference = (
2
* math.pi
* (0.02 * height * 0.001 + 1e-9 * (100 - height) * 0.001)
/ math.log(10 / 2)
)
check(
"Проводимость уровня %d мм, сетка %d" % (height, level + 1),
abs(conductance / reference - 1),
0.002,
)
row["level_mm"] = height
row["conductance_S"] = conductance
readings.append(row)
records.append(
{"mesh_mm": mesh, "readings": readings, "model": readings[-1]["model"]}
)
check(
"Сходимость датчика",
abs(
records[-1]["readings"][1]["conductance_S"]
/ records[-2]["readings"][1]["conductance_S"]
- 1
),
0.002,
)
result = {
"runtime": "FEMM 5; embedded MicroPython",
"records": records,
"checks": checks,
"passed": all(item["passed"] for item in checks),
}
with open(directory + "/result.json", "w") as output:
json.dump(result, output)
print(json.dumps(result))
assert result["passed"]
Картина рассчитанного поля
Окна FEMM 5
Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.
Результаты и численные проверки
Сохранено решений FEMM: 9. Выполнено проверок: 28. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.
| Масштаб сетки, мм | Модель | Уровень жидкости, мм | Мощность области, Вт | Проводимость, См | Элементов | Контрольные точки | Электроды | Относительная невязка тока | Относительная невязка мощности | Мощность, Вт | Узлов |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,5 | mesh-1-level-20.fec | 20 | 2 полей; полные данные JSON | 0,0015635218 | 8012 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 15,638922 × 10⁻¹² | 32,755556 × 10⁻¹² | 0,0015635218 | 4319 |
| 0,5 | mesh-1-level-50.fec | 50 | 2 полей; полные данные JSON | 0,0039088972 | 8265 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 244,02618 × 10⁻¹² | 44,700593 × 10⁻¹² | 0,0039088972 | 4415 |
| 0,5 | mesh-1-level-80.fec | 80 | 2 полей; полные данные JSON | 0,006254544 | 7882 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 49,239923 × 10⁻¹² | 4,2751362 × 10⁻¹² | 0,006254544 | 4273 |
| 0,25 | mesh-2-level-20.fec | 20 | 2 полей; полные данные JSON | 0,001562126 | 30747 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 36,162374 × 10⁻¹² | 35,895302 × 10⁻¹² | 0,001562126 | 16016 |
| 0,25 | mesh-2-level-50.fec | 50 | 2 полей; полные данные JSON | 0,0039052716 | 31243 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 234,54628 × 10⁻¹² | 4,9579435 × 10⁻¹² | 0,0039052716 | 16175 |
| 0,25 | mesh-2-level-80.fec | 80 | 2 полей; полные данные JSON | 0,0062487108 | 30798 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 943,52171 × 10⁻¹² | 37,214858 × 10⁻¹² | 0,0062487108 | 16030 |
| 0,125 | mesh-3-level-20.fec | 20 | 2 полей; полные данные JSON | 0,0015617305 | 121491 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 730,62402 × 10⁻¹² | 254,6775 × 10⁻¹² | 0,0015617305 | 61984 |
| 0,125 | mesh-3-level-50.fec | 50 | 2 полей; полные данные JSON | 0,0039043213 | 121686 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 290,52039 × 10⁻¹² | 194,87919 × 10⁻¹² | 0,0039043213 | 61949 |
| 0,125 | mesh-3-level-80.fec | 80 | 2 полей; полные данные JSON | 0,0062469249 | 121112 | 0 значений; полные данные JSON | 2 полей; полные данные JSON | 334,13322 × 10⁻¹² | 195,48933 × 10⁻¹² | 0,0062469249 | 61837 |
Итоги исходных серий
| Контрольные показания | Масштаб сетки, мм | Модель |
|---|---|---|
| 3 точек; полные данные JSON | 0,5 | mesh-1-level-80.fec |
| 3 точек; полные данные JSON | 0,25 | mesh-2-level-80.fec |
| 3 точек; полные данные JSON | 0,125 | mesh-3-level-80.fec |
| Критерий | Получено | Допуск или ожидаемое значение | Итог |
|---|---|---|---|
| mesh-1-level-20: баланс токов | 15,64 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-1-level-20: баланс мощности | 32,76 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 20 мм, сетка 1 | 0,00124 | 0,002 | Выполнен |
| mesh-1-level-50: баланс токов | 244 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-1-level-50: баланс мощности | 44,7 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 50 мм, сетка 1 | 0,001264 | 0,002 | Выполнен |
| mesh-1-level-80: баланс токов | 49,24 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-1-level-80: баланс мощности | 4,275 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 80 мм, сетка 1 | 0,001313 | 0,002 | Выполнен |
| mesh-2-level-20: баланс токов | 36,16 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-2-level-20: баланс мощности | 35,9 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 20 мм, сетка 2 | 346,2 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| mesh-2-level-50: баланс токов | 234,5 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-2-level-50: баланс мощности | 4,958 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 50 мм, сетка 2 | 335,3 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| mesh-2-level-80: баланс токов | 943,5 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-2-level-80: баланс мощности | 37,21 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 80 мм, сетка 2 | 379,5 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| mesh-3-level-20: баланс токов | 730,6 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-3-level-20: баланс мощности | 254,7 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 20 мм, сетка 3 | 92,94 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| mesh-3-level-50: баланс токов | 290,5 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-3-level-50: баланс мощности | 194,9 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 50 мм, сетка 3 | 91,85 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| mesh-3-level-80: баланс токов | 334,1 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| mesh-3-level-80: баланс мощности | 195,5 × 10⁻¹² | 1e-06 | Выполнен |
| Проводимость уровня 80 мм, сетка 3 | 93,62 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| Сходимость датчика | 243,3 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
Допуски относятся к указанной учебной задаче и способу сравнения. Число показанных цифр не означает такой же физической точности.
Модели, решения и программа
Для нового расчёта сохраните программу, модели и необходимые данные в одну рабочую папку, сохраняя структуру подпапок.
- Файл результатов: README.md8613 байт
- Решение электрического тока: mesh-1-level-20.anc386647 байт
- Модель электрического тока: mesh-1-level-20.fec1423 байт
- Решение электрического тока: mesh-1-level-50.anc403061 байт
- Модель электрического тока: mesh-1-level-50.fec1423 байт
- Решение электрического тока: mesh-1-level-80.anc377939 байт
- Модель электрического тока: mesh-1-level-80.fec1423 байт
- Решение электрического тока: mesh-2-level-20.anc1548258 байт
- Модель электрического тока: mesh-2-level-20.fec1429 байт
- Решение электрического тока: mesh-2-level-50.anc1582605 байт
- Модель электрического тока: mesh-2-level-50.fec1429 байт
- Решение электрического тока: mesh-2-level-80.anc1549657 байт
- Модель электрического тока: mesh-2-level-80.fec1429 байт
- Решение электрического тока: mesh-3-level-20.anc6339132 байт
- Модель электрического тока: mesh-3-level-20.fec1435 байт
- Решение электрического тока: mesh-3-level-50.anc6365584 байт
- Модель электрического тока: mesh-3-level-50.fec1435 байт
- Решение электрического тока: mesh-3-level-80.anc6319568 байт
- Модель электрического тока: mesh-3-level-80.fec1435 байт
- Программа встроенного Python: reproduce.py11388 байт
- Файл результатов: verification.json913 байт
Границы применимости
- Не учитываются поляризация электродов, электрохимия, мениск, температурная зависимость и изменение состава жидкости. Датчик постоянного тока здесь служит линейной учебной моделью проводимости.
- Проверка относится к данной учебной постановке и решателю FEMM 5.0 06Oct2026. Снимки интерфейса выполняются отдельным согласованным проходом.