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新型容栅式磁翻柱液位计的研究

作　者: 刘星汛
导　师: 张涛
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 容栅传感器磁翻柱液位计 Trefftz有限元微小电容检测电路
分类号: TH816
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 134次
引　用: 2次
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内容摘要

锅炉汽包水位测量对于锅炉的安全运行是极为重要的,水位过高、过低将引起蒸汽品质变坏或水循环恶化甚至造成事故。用磁翻柱液位计测量大型锅炉气包上的液位,具有高密封,防泄漏,可靠性好的优点。但在其传感器中用于机—电转换的关键部件干簧管只能工作在120 OC以下的工作环境中,因此在高温环境下,干簧管磁翻柱液位计无法输出电信号,因此需要寻求一种新型的传感器来解决这一难题。本文提出了一种新型容栅式磁翻柱液位计。它是在干簧管磁翻柱液位计的基础上,改用容栅传感器代替了干簧管作为远传装置。由于传感器的精度直接影响测量的结果,为了设计出最优的传感器,本文分别使用了远场单元和Trefftz有限元方法对电容传感器进行数学建模,将两者的仿真结果和实验值比较,发现Hybrid-Trefftz有限元是一种有效的方法,它与真实值之间的相对误差只为3.3%。使用ANSYS大型有限元软件分别对四种不同形状的电容传感器极板及结构进行优化设计,从而选取最优的结构参数,研制出容栅传感器的模型样机。由于电容传感器的电容极板之间的电容为几个pf的数量级,为了准确的检测出电容的变化量,本课题采用了基于充放电原理的微小电容测量电路。采用MSP430单片机控制容栅传感器中电容极板的选通,数据的采集和处理,并计算出液位值,输出PWM波,由后续电路转换成两线制4-20MA电流信号。系统调试成功后,进行模拟检测测量和温度特性分析。其传感器能分辨出磁翻柱的翻转情况,但其重复性在各电容极板检测中差别较大,极板检测的重复性较好的为0.035%,较差的为8.9%。其温度特性主要由传感器和检测电路的温度特性决定,容栅传感器可以用耐高温材料制成,而检测电路可以通过屏蔽引线让它远离测量筒,并且在引线处加散热片。在设计方面,采用抗杂散电容电路来减少引线上杂散电容的影响。综合测试结果表明此容栅磁翻柱液位计能够实现液位的测量,能够满足系统设计要求。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 课题的研究背景及意义  8-10
  1.2 课题说明  10-11
  1.3 国内外发展现状  11-12
  1.4 本课题的研究重点及创新点  12-13
  1.5 本文的组织结构  13-15
第二章原理研究  15-21
  2.1 干簧管磁翻柱液位计的原理概述  15-16
  2.2 容栅传感器原理  16-17
  2.3 容栅传感器信号处理方式  17-20
  2.4 新型容栅传感器的原理研究  20-21
第三章容栅传感器电场的有限元分析  21-35
  3.1 电场数值分析的几种方法简介  21-25
  3.2 容栅传感器数学模型的研究  25-30
  3.3 两种数学模型的仿真分析  30-33
  3.4 数学模型试验值与仿真值的比较分析  33-35
第四章容栅极板的优化设计2  35-42
  4.1 长条形极板的有限元分析  35-36
  4.2 块状电极的有限元分析  36-37
  4.3 倒U形极板结构的有限元分析  37-39
  4.4 疏状电极板的有限元分析  39-41
  4.5 四种形状极板的综合分析  41-42
第五章硬件电路的设计  42-57
  5.1 系统硬件电路的整体设计  42-44
  5.2 硬件电路检测部分的模块设计  44-50
  5.3 单片机的选用  50-51
  5.4 硬件电路控制部分的模块设计  51-57
第六章系统软件设计  57-65
  6.1 系统软件功能介绍  57
  6.2 MSP430 单片机的软件特性介绍  57
  6.3 软件的模块设计  57-65
第七章液位计总体性能分析  65-71
  7.1 液位计的温度特性分析  65-66
  7.2 测量的重复性分析  66-68
  7.3 仪表的可靠性分析  68-69
  7.4 总结与建议  69-71
附录一  71-74
参考文献  74-77
发表论文和参加科研情况  77-78
致谢  78

新型容栅式磁翻柱液位计的研究

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