静电式气固两相流速度测量系统的设计与开发

论文摘要

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。目前,采用静电传感技术进行固体颗粒流速测量是国际多相流检测领域的-项新技术,但由于气固两相流的复杂性和随机性,使得静电传感技术在理论和实践中都还存在不少问题和难点。本文针对静电传感器特性,从理论上对静电传感原理进行了分析,并对不同速度下两相流的静电波动信号进行尺度分析,设计静电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。本文主要完成以下工作：（1）从理论上推导静电传感的原理,明确地分析静电传感器的工作机理及静电传感器的空间滤波特性；讨论静电传感器极板宽度对传感器灵敏度及灵敏场均匀性的影响；（2）利用FFT和HHT对静电传感器输出的静电波动信号进行多尺度的仿真实验；对非线性、非平稳性的静电信号进行深入分析,得出静电波动信号的时间-频率-能量关系；（3）根据静电传感器输出信号的特点,设计相应的信号调理电路,实现静电传感器输出信号不失真地放大和滤波；通过计算机对各部分电路进行仿真,确定前置放大电路倍数、低通滤波器Q值、陷波电路的选取及F值、PGA放大电路外围电容值；（4）对基于静电传感器的互相关速度测量算法进行研究；讨论基于幅频特性的速度算法；另外验证源于光纤传感技术的空间滤波算法的可用性；（5）完成系统的设计,在ADS环境下对ARM7平台进行编程,通过HMI完成人机交互,实现气固两相流速度实时在线测量；系统提供CAN总线接口,通过C#完成上位机软件平台的开发；（6）搭建实验平台,进行系统装置测试和结果分析,修正系统误差；通过测试,观察输出信号的相关性；通过分析和试验确定系统采样频率和采样点数；完成系统精密度、长期稳定性测试。

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第1章绪论

1.1 课题提出的背景和意义

1.2 气固两相流速度测量方法简介

1.2.1 电容法

1.2.2 静电法

1.2.3 其他几种常用方法

1.3 本文研究的主要内容

第2章静电传感原理及静电传感器设计

2.1 静电传感原理

2.1.1 静电的产生

2.1.2 静电感应现象

2.1.3 静电测速原理

2.1.4 静电传感器的空间滤波特性

2.2 静电传感器设计

2.2.1 静电传感器极板宽度的设计

2.2.2 静电传感器间距的设计

2.2.3 静电传感器的补偿设计

2.3 本章小结

第3章静电波动信号的尺度分析

3.1 复杂信号的多尺度分析方法

3.1.1 加窗傅里叶变换

3.1.2 小波变换

3.1.3 Hilbert-Huang变换

3.2 静电波动信号的多尺度仿真实验

3.2.1 静电波动信号功率谱分析

3.2.2 静电波动信号的Hilbet-Huang变换分析

3.3 本章总结

第4章系统硬件检测电路设计与分析

4.1 前置放大电路

4.2 高通隔直电路

4.3 50Hz工频滤波电路

4.3.1 双T型无源陷波电路

4.3.2 双T型有源陷波电路

4.3.3 仿真结果分析

4.4 低通滤波电路

4.5 PGA放大电路

4.6 电压跟随电路,量程调整电路及限幅电路

4.7 本章小结

第5章静电测速算法研究

5.1 相关算法

5.1.1 相关系数及相关函数

5.1.2 互相关算法在两相流速度测量中的实现

5.2 基于静电信号幅频特性求速度算法的原理及仿真

5.3 基于光纤光栅的空间滤波法

5.3.1 光纤光栅的传感原理

5.3.2 基于光纤光栅传感原理的空间滤波算法

5.3.3 基于静电传感器空间滤波效应的速度测量实验研究

5.4 本章小结

第6章系统的设计与实现

6.1 测量装置设计与搭建

6.1.1 电源部分

6.1.2 AD采样部分

6.1.3 HMI的设计与实现

6.1.4 CAN通信部分的设计

6.1.5 系统设计中的其他问题

6.2 上位机软件平台设计

6.2.1 上位机软件功能介绍

6.2.2 数字滤波器设计

6.3 本章小结

第7章系统实验与结果分析

7.1 系统误差的分析与修正

7.2 上下游通道一致性实验

7.3 采集系统中有关参数的确定

7.3.1 采样频率的选取原则

7.3.2 采样点数的选取原则

7.3.3 采样频率与采样点数的确定

7.4 系统精密度实验

7.5 系统长期稳定性实验

7.6 本章小结

第8章结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

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