论文总字数：17750字

摘 要

在很多情况下气/固两相流参数检测技术已经成为制约气/固两相流研究的关键因素。本文介绍了一种新型的螺旋式电容传感器，它的检测场灵敏度均匀。从极板张角和管壁厚度两方面优化设计了螺旋式传感器的结构。针对传统电容测量电路的不足，采用交流激励法设计了一种高精度，抗干扰能力强的电容检测电路。以AD9850作为稳定的信号发生源，在前级运算放大器和交流放大后引入带通滤波，对电路本身的噪声先进行预滤波。用高精度的乘法器AD734和二阶低通滤波器组成相敏检测电路。并由AD7606和STM32F103ZET6组成高速的数据数据采集系统。

关键词：电容检测 电容传感器 气/固两相流 信号处理

Design of Spiral Two - phase Flow Concentration Measurement System

Abstract

In many cases, gas / solid two-phase flow parameter detection technology has become a key factor in the study of gas / solid two-phase flow. This paper introduces a new type of spiral capacitance sensor, which detects the field sensitivity uniformity. The structure of the screw sensor is optimized by both the angle of the plate and the wall thickness. Aiming at the shortcomings of traditional capacitance measurement circuit, a kind of high capacitance and anti - interference ability is designed by AC excitation method. AD9850 as a stable signal generator, in the former op amp and AC amplifier after the introduction of band-pass filter, the noise of the circuit itself filtering. High-precision multiplier AD734 and second-order low-pass filter composed of phase-sensitive detection circuit. And by the AD7606 and STM32F103ZET6 high-speed data collection system.

Key words: detect of capacitance; capacitance transducer; Gas / solid two-phase flow; Signal processing

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2课题的目的和意义 1

1.3课题的内容和所要解决的问题 2

第二章 相浓度测量原理及传感器 3

2.1相浓度测量原理 3

2.2电容传感器的介绍 4

2.3传感器的特性参数 4

2.3.1管道厚度对灵敏度的影响 5

2.3.2 极板张角对灵敏度的影响 6

第三章 电容检测和数据采集的硬件设计 7

3.1测量原理 7

3.2信号发生器 8

3.3 电流电压转换电路 10

3.4 C/V转换电路 11

3.5电压放大电路 12

3.6带通滤波 12

3.7相敏检测 13

3.7.1乘法器 13

3.7.2二阶低通滤波器 14

3.8数据采集系统 15

3.8.1 AD7606模数转换 16

3.8.2 STM32F103ZET6芯片 17

3.9电源模块 18

第四章 系统软件设计 20

4.1 开发软件简介 20

4.2 信号发生器软件设计 20

4.3 AD7606数据采集模块软件设计 23

结语 25

参考文献 26

致谢 27

附录1 28

第一章 绪论

1.1课题背景

多相流其实就是指流动的物质中包含液体，固体，气体这三种其中任意两种或三种的流体^[1]。实际工作环境中普遍存在的混合流。控制其流动的特征参数对工业的发展拥有重要意义。近年来不计其数的人力和资源投入到多相流的研究中。它受到了广大科学工作者的关注和兴趣。在不断的努力下，在理论和实际成果上都获得了不错的成绩。这一方面在国际上非常需要科学工作者去研究。向世人展示新的成果^[2][3]。

气固两相流是工业上比较常见多相流体流动的方式。管道内气固混合物的流动就是最突出的例子。获取锅炉内煤粉浓度时。常用的办法是利用测量出输送管内物质的温度间接测量煤粉的浓度^[4]。由于煤粉分布不均匀，传热不一致，这种测量的措施往往存在很大的误差^[5]。煤粉的均匀是很难控制的，而控制温度一致则需要好的材料，这样会大大提高成本。所以从煤粉和浓度方面入手是不可行的，只能更换一种方法。煤粉的不充分燃烧一方面会提高成本，另一方面会造成水循环故障，严重是会造成炉内结渣，影响锅炉的安全运行^[6]。所以控制煤粉的充分燃烧，对锅炉非常重要。发电中会用到气体和固体的混合输送，在化工，制药和食品等领域也会使用这种输送方式。解决这一问题将会对人类的进步做出宏大的奉献。

目前大都是利用传感器来的得到煤粉的浓度。通过测量计算传感器输出的变化量间得到所需目标物质的浓度^[7][8]。其中使用电容传感器测量拥有响应的速度比其他都快，不需要与被测物质接触这两大显著的优势^[9]。特别是这种办法是不需要与被测物质发生接触的，在不干扰煤粉流动的情况下测量，提高了结果的准确性。因此在工业现场中大多数情况下都是使用这种方法。

1.2课题的目的和意义

此次设计使用电容传感器来测量输送管道内固相的浓度。其实是通过测出输送管道内由空气和煤粉组成的两相流体的等效介电常数。间接测出目标物质的浓度。电容器的介电常数会跟着两极板间的物质含量大小变动。在这里设计出一种能用在工业现场，实时，连续测量的传感器。通过研究发现锅炉管道内的煤粉含量与电容传感器的电容成正比，这样就可以不用取多点测量取平均，使测量结果更接近实际值^[10]。这是一种非常实用测量锅炉管道煤粉浓度的方法。

1.3课题的内容和所要解决的问题

煤粉气力输送中，介质（氮气和煤粉）为绝缘体，各相间的介电常数相差较大，粉煤流动不稳定且复杂多变。在工业现场有电磁干扰，不可忽略的杂散电容，以及静电场。再加上被测电容的信号十分微小，极易受到外界的干扰，这给测量大大增加了难度^[11][12]。现有的电容检测电路很难测量到有效的电容信号。本文通过交流电流法测量电容。从传感器结构参数的优化和测量电路着手，获取更为准确的测量数据。

本课题的主要研究内容如下：

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