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气液两相流空隙率测量方法研究

作　者: 贡益明
导　师: 孔德仁; 商飞
学　校: 南京理工大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: ERT 冲压发动机 空隙率测量 FPGA 恒流源
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 17次
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内容摘要


水下两相流冲压发动机的工作产生大量的气泡,气与水的结合流动产生气液两相流。空隙率反映了某一时刻管道某截面上两相流中气泡所占面积,其量值大小体现了冲压发动机的工作性能。空隙率的准确测量对冲压发动机的研制、性能评定有着重要意义。空隙率的测量方法多种多样,基于ERT测量原理的新型测量技术具有非侵入、安全性好、结构简单、响应速度快以及实时可视化等特点。本文在分析现有ERT测量方法的基础上,研制了一套12电极的针对连续相为导电介质的ERT实时测量系统。传统ERT测量系统带负载能力只有1.4kΩ,不能满足水下两相流冲压发动机工作环境的要求,本文通过改进恒流源设计方法,采用双极性脉冲电流作为信号激励源,实现了系统负载能力达到10kΩ,扩大了ERT系统的测量范围。FPGA作为系统核心控制器,实现系统的逻辑控制、激励信号生成、数据采集、数据读取与上位机通讯等功能。在硬件电路中,其通过对双极性电流激励信号生成电路、电极阵列选通电路、程控放大电路、数据采集电路的控制,实现了水下冲压发动机多相流的电导率测量。基于quartusⅡ软件开发平台,采用VHDL语言编程实现了按键消抖、直交流切换、电极切换、程控放大、AD采集等模块设计。通过程控放大模块实现增益0.08至10000自适应可调,并采用分时多次采样消除了信号中的直流分量,提高了系统的实时工作性能。通过系统标定实验、通道一致性测试实验、模拟环境验证实验对该数字化ERT系统的性能进行了分析与验证。实验结果表明,系统各项指标能够满足对水下冲压发动机工作所产生的两相流测量的要求。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
1 绪论  9-20
  1.1 课题的研究背景及意义  9
  1.2 过程层析成像技术国内外研究现状  9-11
  1.3 过程层析成像技术在空隙率测量中的应用研究现状  11-18
    1.3.1 水下两相冲压发动机中气液两相流  11-13
    1.3.2 过程层析成像研究现状  13
    1.3.3 过程层析成像技术在空隙率测量中的应用  13-18
  1.4 论文的主要研究内容  18-20
2 基于ERT的空隙率测量原理及系统指标论证  20-25
  2.1 基于ERT的空隙率测量原理  20-21
    2.1.1 空隙率测量原理  20
    2.1.2 ERT敏感场及其边界条件  20-21
  2.2 系统激励源设计指标分析论证  21-23
  2.3 系统指标分析论证  23-24
  2.4 本章小结  24-25
3 基于ERT的空隙率测量系统总体方案设计  25-31
  3.1 系统设计原则  25
  3.2 系统总体组成  25-26
  3.3 系统子模块设计  26-30
    3.3.1 激励信号生成模块  26-27
    3.3.2 电极阵列模块  27-28
    3.3.3 数据采集模块  28-29
    3.3.4 主控及数据处理模块  29-30
  3.4 测量系统工作流程  30
  3.5 本章小结  30-31
4 基于ERT原理的空隙率测量系统电路设计  31-43
  4.1 激励信号生成电路设计  31-33
    4.1.1 恒流源电路设计  31-32
    4.1.2 直流交流转换  32-33
  4.2 电极阵列选通电路设计  33-35
    4.2.1 激励测量电极选通电路设计  34-35
    4.2.2 电导率测量  35
  4.3 数据采集及辅助电路设计  35-40
    4.3.1 前置差分电路设计  36-37
    4.3.2 程控放大电路设计  37-39
    4.3.3 A/D采集电路设计  39-40
  4.4 主控及数据处理模块  40-41
  4.5 电源模块设计  41
  4.6 PCB布局布线设计  41-42
  4.7 本章小结  42-43
5 基于ERT原理的空隙率测量系统软件设计  43-54
  5.1 FPGA简介  43-44
    5.1.1 FPGA设计流程  43-44
    5.1.2 FPGA开发工具  44
  5.2 FPGA程序设计  44-51
    5.2.1 按键消抖模块设计  44-45
    5.2.2 直交流切换模块设计  45-46
    5.2.3 电极切换模块设计  46-47
    5.2.4 程控放大模块设计  47-49
    5.2.5 AD采集模块设计  49-51
    5.2.6 FPGA优化设计  51
  5.3 上位机软件设计  51-53
  5.4 本章小结  53-54
6 系统性能测试与分析  54-59
  6.1 概述  54
  6.2 系统的标定方法研究  54-55
  6.3 测量通道一致性测试  55
  6.4 系统模拟环境验证  55-58
  6.5 本章小结  58-59
7 总结与展望  59-61
  7.1 全文总结  59-60
  7.2 展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
附录  65

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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