离子迁移型新型气体流量计的研究

摘要

随着当今世界科技的飞速发展，流量计量在各行各业的生产中有着越来越重要的应用，气体流量测量更是在各类流量计量中占有较大的比重。目前工业常用的气体流量计多为传统流量计，虽然也有新技术流量计的诞生，但是由于昂贵的价格以及严格的使用条件，新技术流量计始终无法得到广泛应用。因此研究新型气体流量计是十分迫切且有意义的。针对流量计的发展现状，本文对离子迁移应用于气体流量测量进行了研究，提出了一种离子迁移型新型气体流量计，构建了离子迁移型新型气体流量计系统，包括离子源模块、离子门模块、TDC时差测量模块，无线WIFI通信模块等。并对新型气体流量计进行流量标定测试与气体种类鉴别探索，取得了一些初探性的成果，证明了离子迁移型新型气体流量计的可行性。本文创新性地提出了离子迁移型气体流量计，该气体流量计原理不同于任何一种现存的流量计，为未来气体流量计提供了一种新的原理与发展方向。
　　本论文的主要工作和创新点如下:
　　1.研究了离子迁移型新型气体流量计的原理，并运用SIMION软件对离子迁移现象进行了仿真，结果表明气体对离子的运动产生影响使得离子运动产生时间差，说明了离子迁移型新型气体流量计的可行性，同时，对新型流量计的机械设计进行了阐述，并具体说明了安装、绝缘等问题。
　　2.概述了离子迁移型新型气体流量计的总体硬件结构，设计真空紫外灯作为离子源实现有机物的电离;使用离子网结构来实现离子门功能;运用高精度运算放大器来检测放大法拉第盘引出的微小电流信号;TDC芯片完成测量两路信号时差的功能;使用无线WIFI转换模块使流量计与安卓客户端软件进行远程通信，实现远程监控功能。
　　3.对离子迁移型新型气体流量计的系统软件框架及开发流程进行了设计，并详细阐述了高压电源控制软件的实现;基于状态机的串口通信的实现和TDC测时流程;并首次提出开发安卓客户端软件实现与流量计的远程通信。
　　4.成功研制了离子迁移型新型气体流量计的研究型样机，并对其进行了性能测试实验，获得了时间差与气体流量的关系，并对气体种类鉴别功能进行探索分析。实验结果表面，离子迁移型新型气体流量计可以较好的测量气体流量，并对不同气体种类有一定的鉴别功能。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 流量计的发展与现状

1．3 流量计的分类与特点

1．4 本文主要研究内容

第2章 离子迁移型新型气体流量计(IMGF)理论研究与结构设计

2．1 IMGF理论分析

2．2 IMGF原理仿真

2．2．1 新型流量计仿真模型建立

2．2．2 新型流量计初始状态设定

2．2．3 新型流量计仿真结果讨论

2．3 IMGF的结构设计

2．3．1 IMGF结构设计

2．3．2 绝缘与封装

2．4 本章小结

第3章 IMGF硬件设计与实现

3．1 系统总体结构

3．2 离子源设计

3．2．1 离子源选型

3．2．2 真空紫外灯的几何尺寸和性能参数

3．2．3 真空紫外灯的电商机理

3．2．4 VUV灯离子源的设计

3．3 离子门设计

3．3．1 离子门结构设计

3．3．2 离子门驱动电路

3．3 电流信号检测与放大模块

3．3．1 微弱电流信号放大检测方案的选择

3．3．2 前级I-V转换电路设计

3．3．3 后级放大电路设计

3．4 TDC-GP21时间差测量模块

3．4．1 TDC-GP21芯片

3．4．2 测量模式1

3．4．3 测量模式2

3．4．4 TDC-GP21硬件连接

3．5 串口WIFI模块

3．6 系统硬件控制核心

3．6．1 STC12C5A60S2单片机

3．6．2 串口通信电路设计

3．7 本章小结

第4章 IMGF系统软件设计

4．1 系统软件总体流程图

4．2 高压电源控制软件

4．3 基于状态机方法的串口通信设计

4．4 TDC-GP21时差测量软件设计

4．5 安卓远程监控软件的开发

4．5．1 远程监控平台选择

4．5．2 安卓平台的新型流量计远程监控软件的设计

4．6 本章小结

第5章 IMGF的测试与分析

5．1 IMGF流量标定测试实验

5．1．1 实验装置与材料

5．1．2 实验条件与方法

5．1．3 实验结果与讨论

5．2 气体种类鉴别探索

5．2．1 实验条件与方法

5．2．2 结果分析与讨论

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介

作者在攻读硕士学位期间的研究成果