气固两相流电容相关流速测量研究

摘要

气固两相流流动参数主要包括固体颗粒的速度、浓度、质量流量等。其中固体颗粒的流动速度是反映气固两相流流动状况的一个重要参数。气固两相流速度检测对两相流体理论研究以及工业生产安全、经济、高效运行具有重要意义。
　　电容传感器与相关测量技术的结合，为气固两相流速度测量提供了解决方案。随着微电子技术的进步，数字信号处理器运算功能的增强，使得设计响应快、高精度的实时速度测量系统成为可能。本文针对相关算法进行了深入研究，并对上下游电容信号进行分析，设计电容信号检测电路和采集系统，最终完成气固两相流固体颗粒速度的实时测量。
　　本文主要完成了以下工作:
　　(1)对电容法速度传感器进行了分析，确定了传感器的结构尺寸，并设计制作了上下游平行极板式的速度传感器。
　　(2)根据电容信号特点，设计了相应的信号调理电路，实现电容信号的解调滤波及放大。通过计算机对各部分电路进行仿真，确定了C/V转换电路、低通滤波、移相电路。
　　(3)分析比较常用的速度算法，深入研究了互相关算法，并在准确性实时两个方面对相关算法进行改进。研究适用于DSP环境的具有较低采样频率和采样点数的快速互相关测速算法及去噪、插值、滤波等信号处理方法。
　　(4)对上下游信号做频谱分析，确定滤波器截止频率。分析FIR、IIR两种数字滤波器特点及适用环境，设计应用于上下游信号的IIR滤波器，以及应用于互相关数组的FIR滤波器。
　　(5)采用TMS320C6713作为系统的数字处理单元并加入显示及通信，在CCS6000环境下编程实现信号采集、滤波、相关运算、显示，实现气固两相流流速度测量。
　　(6)构建了基于Labview的测速实验平台，并能实现上下游信号显示，速度显示，数据存储等功能。并对系统进行测试调试，通过理论推导、实验数据分析对速度值校正。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 气固两相流测量存在的困难

1．3 气固两相流速度的测量方法

1．4 气固两相流测量常用的传感器

1．5 本课题的主要工作

第2章 电容相关流速测量理论基础

2．1 相关流量测量技术的理论基础

2．2 相关测量系统的原理

2．2．1 “凝固”流动图形假说

2．2．2 相关测速系统的基本原理

2．3 相关测量系统误差分析

2．4 互相关处理系统的参数选择依据

2．4．1 相关器的采样频率的确定

2．4．2 采样时间(积分时间)的确定

第3章 电容相关测速系统设计

3．1 传感器设计及参数分析

3．1．1 电容极板宽度的选择

3．1．2 速度极板间距

3．1．3 电容传感器设计的注意事项

3．2 电源部分设计

3．3 噪声信号提取电路设计

3．3．1 正弦信号发生电路

3．3．2 C／V转换电路设计

3．3．3 交流放大器设计

3．3．4 相敏解调电路设计

3．3．5 移相电路设计

3．3．6 低通滤波电路设计

3．3．7 量程调节及限幅电路设计

3．4 数字电路部分

3．4．1 AD采集部分

3．4．2 串口发送芯片TL16C550

3．4．3 1602显示部分

3．5 系统整体设计

第4章 相关算法及信号处理方法研究

4．1 相关算法

4．1．1 相关系数

4．1．2 相关函数的实现

4．2 相关算法实时性精确性的改进

4．2．1 提高相关运算实时性方法

4．2．2 低采样率下插值提高测量精度

4．3 数字滤波器设计

4．3．1 FIR数字滤波器

4．3．2 IIR数字滤波器

4．3．3 两种滤波器性能及实时性比较

第5章 基于虚拟仪器的测量平台构建

5．1 虚拟仪器的基本概念及LabVIEW简介

5．2 虚拟仪器测量平台的组成

5．2．1 采集模块的介绍

5．2．2 信号调理模块的设计原则及组成

5．3 虚拟相关器的设计

5．3．1 虚拟相关器程序流程图

5．3．2 LabVIEW实现互相关运算

5．3．3 信号分析及噪声信号处理

第6章 实验与数据分析

6．1 实验平台及设备

6．2 上下游通道一致性实验

6．3 采样点数对相关速度测量的影响

6．4 插值法验证

6．5 滤波器对相关性影响

6．5 系统误差与分析

第7章 结论与展望

7．1 本文工作总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文