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气/固两相流离散相浓度电容传感器的研究与设计

作　者: 李少帅
导　师: 李文涛
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 气/固两相流电容传感器 ANSYS MS3110 LabVIEW
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科学技术的发展，气/固两相流体系越来越广泛的存在于现代工农业生产中，如电厂发电、钢铁冶金、流化床反应装置中的气/固两相流以及粮食的气力输送等，它们都涉及到气固两相流体系。气/固两相流各种流动参数的精确测量与实时监测都关系到生产过程的稳定运行以及产品质量的高低。由于气/固两相流属于复杂流动体系，其流动参数的检测一直以来都是一项亟待解决的技术难题。电容法检测浓度是利用两相流流过电容时介电常数改变的原理来测量气/固两相流离散相浓度的，具有非辐射、非侵入、响应速度快、结构简单、成本低、适用范围广、安全性能好等优点，在工业过程中具有良好的应用前景。但离实际应用尚有很大距离，在系统设计以及应用上还存在不少问题和难点，有待进一步研究。本文针对电容法在气/固两相流固相浓度参数检测中存在的问题进行深入研究，气/固两相流固相的流型及分布在管道中的复杂变化对具有软场特性的电容检测场造成较大的输出误差；极稀相的固相浓度引起的电容变化量非常微小难以识别，因此本论文尝试解决以上两个问题。首先，为使电容值变化仅与气/固两相流流过传感器模型的固相浓度变化有关，尝试寻找一个灵敏度均匀的电容传感器模型，通过对电容检测场特性的了解和学习，以及对目前流行的螺旋电极电容传感器模型进行数学建模分析和参数优化，并利用大型有限元分析软件ANSYS对参数优化后的电容模型的检测场均匀性进行仿真，验证了该模型具有较均匀的电容检测场。其次，为对由极稀相的固相浓度引起的微小电容变化量进行采集，以及结合互相关理论数学建模的采样频率需求，以高度集成化的微小电容读取芯片MS3110为基础，设计出最小分辨率为0.02pF、采样频率为2KHz的电容读取电路，并通过单片机用串口将采集到的数据传至上位机，在上位机用LabVIEW制作显示界面，对接收到的数据进行显示和存储，并对下位机做简单的控制。最后，对设计完成的电容采集电路的静态性能进行测量试验，分析采样结果的误差，并提出进一步的改进意见。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-21
  1.1 选题的背景和意义  13-15
  1.2 气/固两相流特性及基本参数  15-17
  1.3 气/固两相流固相浓度检测的国内外研究现状  17-18
  1.4 相关流速测量原理与现状  18-19
  1.5 本论文主要内容  19-21
2 电容传感器模型的建立  21-29
  2.1 电容场软场特性  21-22
  2.2 螺旋电极电容模型  22-25
    2.2.1 螺旋电极电容模型主要参数  22-23
    2.2.2 螺旋电极电容数学模型及参数优化  23-25
  2.3 有限元分析软件 ANSYS 简介  25-29
    2.3.1 ANSYS 仿真与分析方法  25-26
    2.3.2 螺旋电极电容模型的 ANSYS 仿真与分析  26-29
3 电容采集系统硬件电路设计  29-39
  3.1 微电容测量现状  29
  3.2 MS3110 芯片简介  29-33
    3.2.1 MS3110 工作原理  30
    3.2.2 MS3110 引脚功能介绍  30-31
    3.2.3 MS3110 内部寄存器介绍  31-33
  3.3 电容采集电路设计  33-37
    3.3.1 核心器件选定及系统规划  33-35
    3.3.2 MS3110 相关电路设计  35-37
  3.4 电路板功能描述  37-39
4 系统软件开发  39-46
  4.1 软件开发环境介绍  39-40
  4.2 系统单片机程序开发  40-46
    4.2.2 单片机及 MS3110 的初始化  41-43
    4.2.3 A/D 转换程序模块  43-44
    4.2.4 RS232 串口通信程序模块  44-46
5 上位机界面开发  46-59
  5.1 虚拟仪器技术简介  46-50
    5.1.1 虚拟仪器技术组成  46-47
    5.1.2 图形化编程语言 LabVIEW  47-48
    5.1.3 LabVIEW 串口功能  48-50
  5.2 LabVIEW 监控程序设计  50-57
    5.2.1 串口通信协议  50-53
    5.2.2 LabVIEW 程序设计  53-57
  5.3 系统性能测试与分析  57-59
总结与展望  59-61
参考文献  61-66
附录 A 下位机程序  66-68
附录 B 硬件电路原理图  68-72
在学研究成果  72-73
致谢  73

气/固两相流离散相浓度电容传感器的研究与设计

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