基于内外环电容传感器的湿气检测技术研究

摘要

有别于前人从电容传感器本身去分析考虑问题，本文提出了从被测介质、被测物场以及电容传感器的角度综合考虑的设计方法，研究设计了用于湿气流速和含率测量的内外环电容传感器，为湿气的非分离计量提供了一个新的途径，并研制了一种新型的基于ARM的湿气智能信息处理系统。本文主要完成工作如下：
　　 引入颗粒动力学理论，利用解析方法建立了以离散相惯性、空间滤波函数以及离散相浓度为影响因素的内外环电容传感器传递函数模型。结合物理实验验证，指出了离散相的尺寸对时间频率带宽有影响，随着离散相尺寸的增加，带宽减小；随着离散相速度(被连续相携带着运动的速度)的增加，带宽增加；两相之间介电常数的不同是电容传感器能检测到流动噪声的根本原因。
　　 建立了有限元分析和正交实验相结合的传感器优化设计仿真平台，利用该平台对相关测速内外环电容传感器的径向灵敏度进行仿真研究，该传感器的检测场均匀性误差在1％以下，远远优于其它类型的电容传感器10％的检测场均匀性误差的指标，同时从检测场灵敏度的角度得到了一组最优结构参数；在径向灵敏度仿真的基础上进行了轴向灵敏度仿真，利用仿真结果分析了传感器结构参数对轴向空间滤波特性和时间频率响应特性的影响，综合上述仿真结论，设计了相关测速内外环电容传感器，该电容传感器的检测场均匀性误差小于2％，物理实验结果表明，流速测量误差在±5％以内，同时结合轴向灵敏度仿真结果指出了离散相浓度是影响流速校正因子的主要因素。
　　 通过对湿气中液滴大小以及流型分布的解析分析，得到了天津大学三相流实验装置垂直管段的流型为间断流，水平管道的流型为波状流，这种相对稳定的流型减小了流型变化对湿气液相含率测量产生的影响。设计了内外环电容传感器测量湿气液相含率，该结构的电容传感器同样具有很好的检测场均匀性误差(＜2％)，物理实验结果表明，湿气液相含率测量误差小于±10％，与目前比较关注的差压式流量测量装置具有相同的测量精度。
　　 将ARM微处理器、嵌入式实时操作系统引入到湿气智能信息处理系统中，实现了友好的人机交互、数据的实时采集和处理以及数据的U盘拷贝和有线传输。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1气液两相流动

1.2湿气的定义及特点

1.3湿气测量的特性参数

1.4电容法测量相浓度的研究现状

1.5相关流量测量技术的研究现状

1.6仪表智能信息处理系统的发展趋势

1.7论文研究内容

1.7.1研究目的及意义

1.7.2章节安排

1.7.3创新点

第二章内外环电容传感器空间滤波效应和传递函数模型

2.1传感器的选择和分析

2.2空间滤波效应

2.3传递函数模型

2.3.1理论基础

2.3.2离散相的惯性

2.3.3空间滤波效应

2.3.4离散相的浓度

2.3.5传递函数模型

2.4物理实验分析

2.5小结

第三章相关测速内外环电容传感器仿真平台建立

3.1相关流速测量原理

3.1.1相关理论的数学基础

3.1.2相关测量基本原理

3.2有限元法原理简介

3.3正交试验设计方法

3.4检测场灵敏度

3.4.1单元灵敏度

3.4.2轴向灵敏度定义

3.4.3优化指标

3.4.4检测场灵敏度分布的计算过程

3.5小结

第四章相关测速内外环电容传感器径向灵敏度仿真

4.1优化设计的参数

4.2场域剖分网格的选取

4.2.1二维场域剖分

4.2.2三维场域剖分

4.3仿真优化设计

4.3.1传感器敏感场分析

4.3.2传感器最佳几何尺寸确定

4.4小结

第五章相关测速内外环电容传感器轴向灵敏度仿真

5.1轴向灵敏度特性

5.2轴向空间滤波特性

5.3时间频率响应特性

5.4小结

第六章相关测速内外环电容传感器实验研究

6.1影响相关测量的因素

6.2双内外环电容传感器的设计

6.3物理实验研究

6.3.1实验装置

6.3.2实验数据及分析

6.4小结

第七章湿气液相含率内外环电容传感器实验环境研究

7.1湿气中液滴大小影响因素分析

7.2流型分析

7.2.1流型分类

7.2.2流型分布

7.3小结

第八章湿气液相含率内外环电容传感器实验研究

8.1内外环电容传感器设计及灵敏度仿真

8.1.1内外环电容传感器设计

8.1.2检测场灵敏度仿真

8.2实验装置

8.3垂直管段实验

8.4水平管段实验

8.5小结

第九章基于ARM的湿气智能信息处理系统

9.1设计要求和目的

9.2开发板选型及硬件特性

9.2.1 ARM微处理器特点

9.2.2 H9200F开发板简介

9.3仪表显示界面设计

9.4软件设计

9.4.1系统软件的整体设计

9.4.2字符显示程序设计

9.4.3显示一行字符程序设计

9.4.4控制程序设计

9.4.5 USB主体函数设计

9.5软件调试运行

9.5.1嵌入式Linux在H9200F上的开发

9.5.2程序运行情况

9.6小结

第十章总结与建议

10.1总结

10.2建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢