基于MEMS技术的热式流量检测方法及其系统研究

摘要

本文结合杭州市科技创新项目“基于MEMS技术的嵌入式智能质量流量计”和国家自然科学基金资助项目“基于温度场模型及特征提取的大型变压器远程诊断方法与技术的研究”(编号：50575095)，开展基于MEMS的热式流量检测方法和系统的研究工作，建立了热分布式微流量计在恒功率模式和恒温模式下的数学模型，分析了流量计的响应特性、灵敏度和测量误差，设计了基于虚拟仪器和多．Agent系统技术的流量监测系统总体框架，对于研究和开发频响快、精度高、量程大的新型热式流量计以及开展远程流量监测，具有重要的意义和良好的前景。 论文的主要研究内容及章节安排如下： 第一章阐述了流量检测及其研究的意义，介绍了流量检测技术的主要分类方法和发展趋势，论述了热损失式、热分布式和热脉冲式等三种热式流量检测技术的研究现状及MEMS技术在热式流量计中的应用，分析了远程流量监测系统的应用现状和发展趋势，最后结合课题提出了本论文的研究内容，给出了论文的总体结构。 第二章引入传热学基本理论，分析了热分布式微流量计的热传递规律，建立了流量计的传热微分方程。根据流量计在恒功率模式和恒温模式下不同的边界条件分别对微分方程进行求解，从而得出这两种模式下的热分布式微流量计数学模型。最后利用有限元分析方法对模型进行验证，分析了模型的误差来源。 第三章根据建立的热分布式微流量计数学模型，分析了流量计的响应特性和灵敏度，论述了流量计结构尺寸参数的取值和加工误差对响应特性和测量误差的影响，最后对微流量传感器进行了总体设计。 第四章阐述了流量监测系统的基本构成；分析了其目前发展中存在的重要问题；采用GPRS无线通讯技术、虚拟仪器技术和多Agent技术，设计并分析了基于Agent和空间概念的流量监测系统总体框架。 第五章针对流量监测系统总体框架中软件空间实现时需要解决的两个关键问题，即通讯系统设计和运行机制实现，分析了LabVIEW开发平台和Agent概念的相关特性，并进行了流量监测原型系统的设计，最后提出了基于配置表的系统组态设计方式。 第六章对全文研究工作进行了总结，并结合课题对其发展进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1流量检测及其研究的意义

1.2流量检测技术概述

1.2.1流量检测方法的分类

1.2.2流量检测原理及系统的最新发展

1.3热式质量流量检测技术发展现状

1.3.1热损失式流量检测技术

1.3.2热分布式流量检测技术

1.3.3基于MEMS技术的热脉冲式流量检测技术

1.4远程监测系统的发展与应用

1.5本论文课题背景与研究内容

1.6本章小结

第二章基于MEMS技术的热式流量测量方法研究

2.1引言

2.2传热学基本理论

2.2.1热量传递的基本方式

2.2.2导热

2.2.3对流换热

2.3热分布式微流量计数学模型

2.3.1传感器结构模型

2.3.2传热微分方程的建立

2.3.3方程求解与边界条件

2.4仿真验证与分析

2.4.1仿真工具ANSYS简介

2.4.2仿真结果

2.4.3模型误差因素分析

2.5本章小结

第三章热分布式微流量计的响应特性与误差分析

3.1引言

3.2流量计温差输出与流速的关系分析

3.3流量计的灵敏度分析

3.4流量计结构参数对温差输出和灵敏度的影响分析

3.4.1温差输出与结构参数的关系

3.4.2灵敏度与结构参数的关系

3.4.3热电堆位置对温差响应曲线的影响

3.5流量计尺寸精度对测量误差的影响分析

3.5.1恒功率模式

3.5.2恒温模式

3.5.3尺寸精度引起的测量误差与流速变化关系

3.6热分布式微流量传感器的总体设计

3.6.1衬底材料

3.6.2热敏感元件

3.6.3加热元件

3.7本章小结

第四章远程分布式流量监测系统总体框架设计

4.1引言

4.2流量监测系统的基本构成

4.3 GPRS无线通讯技术

4.3.1基于GPRS的流量监测网络结构

4.3.2 GPRS的特点

4.3.3 GPRS的安全性

4.4多Agent系统及其在大型测控系统中的应用

4.4.1 Agent基本概念

4.4.2多Agent系统(MAS)

4.4.3多Agent系统实现的几个关键问题及其研究现状

4.5虚拟仪器及其在测控系统中的应用

4.5.1 LabVIEW中Ⅵ程序的运行方式与控制技术

4.5.2 LabVIEW在测控系统中的应用现状

4.6基于Agent与空间概念的流量监测系统总体框架

4.6.1流量监测系统中Agent与空间概念的提出

4.6.2空间概念与测控系统中的层次概念的对比

4.6.3监测系统中空间的融合

4.6.4任务求解空间的变迁与监测技术发展的关系

4.7本章小结

第五章基于MAS与LabVIEW的远程流量监测系统原型设计

5.1引言

5.2流量监测系统软件空间的总体设计

5.2.1软件空间的实现平台

5.2.2流量监测系统软件空间的基本构成

5.3通讯方法研究与系统设计

5.3.1通讯方式的选择与设计

5.3.2通讯消息的格式框架

5.3.3 Agent通讯消息的表达与封装

5.4 Agent运行机制的设计与实现

5.4.1 AgentⅥ的动态运行控制

5.4.2 Agent Ⅵ的重入调用

5.4.3 Agent Ⅵ的休眠与更替

5.4.4任务的负载监管机制

5.5基于配置表的系统组态功能实现方式

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的项目

致谢