车载杜瓦液氮液位检测及自动补给系统研究

摘要

近年来，超导一直是科学界的重要课题，随着超导技术的层层突破和不断创新，超导体的应用前景也成为了广泛关注的话题。尤其当临界温度高于液氮温区的高温超导体被发现后，世界各地的研究小组在高温超导磁悬浮技术上面进行了许多探索。2000年底，王家素和王素玉教授率领本研究小组在西南交通大学研发并制造出全球首辆载人高温超导磁悬浮车“世纪号”，2014年本研究小组再次在“世纪号”的基础上研制成功真空管道高温超导磁悬浮原型试验线。真空管道内的低气压环境能有效减少列车在高速行驶过程中受到的空气阻力，使列车可以达到更高运行速度，但同时也会带来一系列新的问题。高温超导磁悬浮列车的工作原理是用液氮冷却高温超导体使其进入并保持超导状态，和永磁轨道相互作用产生悬浮力。在整个列车运行过程中，超导体必须完全浸没在液氮里面才能保证超导体不会失超。
　　本文对低气压环境下液氮的蒸发特性进行研究，了解低气压环境下液氮的蒸发速度，合理预防失超现象。同时，由于杜瓦的密封性，不能通过肉眼观测内部液氮剩余量，所以提出了一种基于Kalman滤波算法的液氮液位检测方法对液氮余量进行检测，根据液氮余量判断是否需要加注液氮，并且当液氮液位低于一定的阈值时进行报警，进入液氮自动补给流程对杜瓦进行液氮灌装。本车载杜瓦液氮液位检测及自动补给系统采用STM32微处理器作为控制芯片，使用PT100铂电阻及其信号采集电路作为温度采集模块，低温电磁阀作为命令执行模块。涉及的关键技术包括:液位检测技术、Kalman滤波算法、人机界面交互技术、电磁阀控制技术等。本系统属于闭环自动控制系统，其设计的主要难点在于液氮液位检测方法的选择、液位滤波算法的研究、系统实时性和可靠性的实现以及满足用户操作的流畅性和科学性等。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 产业背景

1．1．2 技术背景

1．2 论文主要研究内容

第2章 低气压环境下的液氮蒸发损耗特性研究

2．1 实验设备

2．2 实验过程

2．3 实验结果及分析

2．3．1 常压下液氮蒸发特性

2．3．2 不同气压下的液氮蒸发速率

2．3．3 抽真空过程中液氮蒸发速率的变化

2．3．4 真空管道内的液氮蒸发实验

2．4 本章小结

第3章 液氮液位检测方法研究

3．1 液氮液位检测方法综述

3．1．1 超导体液位计

3．1．2 改良型电容式液位计

3．1．3 光纤传感器液位计

3．1．4 二极管传感器液位计

3．1．5 铂电阻温度传感器液位计

3．2 液氮液位检测方法选择

3．3 基于Kalman滤波的液氮液位检测系统设计

3．3．1 温度-液位对应关系

3．3．2 Kalman滤波算法

3．4 本章小结

第4章 液氮液位检测及自动补给系统

4．1 总体设计

4．1．1 系统需求分析

4．1．2 系统硬件架构

4．1．3 系统软件架构

4．2 系统硬件平台设计

4．2．1 STM32微控制器

4．2．2 电源电路

4．2．3 温度采集电路

4．2．4 电磁阀控制电路

4．2．5 显示屏电路

4．3 嵌入式软件系统设计

4．3．1 软件平台

4．3．2 液位检测程序设计

4．3．3 液氮补给程序设计

4．3．4 显示程序设计

4．4 本章小结

第5章 系统调试

5．1 硬件调试

5．2 液位检测模式调试

5．3 自动补给模式调试

5．4 人机界面调试

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文