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摘 要

针对气/固两相流的测量需要，本文提出将静电传感器和电容传感器融合的设计思路，以电学原理为基础设计一套两相流测量系统用于检测两相流体浓度和颗粒速度两项参数。基于静电感应原理，将圆环式静电传感器应用于颗粒速度测量；基于两相混合流体等价介电常数与电容传感器测量电容值之间的关系，将螺旋式电容传感器应用于两相流浓度测量。两相流系统的设计包括硬件电路部分和软件程序部分。首先，设计静电信号和电容信号的调理电路，对传感器的模拟输出信号进行转换、放大、滤波等处理；其次，将模拟信号经过模数转换成为数字信号；最后，采用意法半导体STM32F4系列微控制器完成数字信号的采集、存储与运算。

关键词：圆环式静电传感器 螺旋式电容传感器 STM32微控制器 气固两相流

Design of Two-phase Flow Measurement System Based on combination of Electrostatic and Capacitance Sensors

Abstract

In order to meet the need of the measurement needs of gas/solid two-phase flow, this paper proposes the design idea of combining the electrostatic sensor and the capacitance sensor. Based on the electrical principle, a two-phase flow measurement system is designed to detect the two-phase fluid concentration and particle velocity. Based on the principle of electrostatic induction, a ring-shaped electrostatic sensor is applied to the measurement of particle velocity. Based on the relationship between the equivalent permittivity of two-phase mixed fluid and the capacitance value measured by a capacitance sensor, a spiral capacitance sensor is applied to the measurement of two-phase flow concentration. The design of the two-phase flow system includes a hardware circuit portion and a software portion. First, the conditioning circuit for the electrostatic and capacitance signals is designed to process, amplify and filter the output analog signals of the sensors. Second, the analog signals are converted to digital signals through analog -to-digital conversions. Finally, the STMicroelectronics STM32F4 series micro-controller is used to complete the acquisition, storage, and operations of signals.

Keywords: Ring-shaped electrostatic sensor; Spiral capacitance sensor; STM32 micro-controller; Gas-solid flow

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 两相流测量技术的发展现状 1

1.2.1 固相浓度检测技术 2

1.2.2 固相速度检测技术 3

1.3 两相流测量技术的未来发展趋势 3

1.4 毕业设计内容与论文结构安排 4

1.4.1 毕业设计内容 4

1.4.2 论文结构安排 4

第二章 两相流测量系统设计方案与检测原理论证 5

2.1 系统设计方案论述 5

2.2 静电传感器测量速度的原理 6

2.3 电容传感器测量浓度的原理 8

第三章 基于静电和电容传感器融合的两相流系统硬件电路设计 10

3.1 系统硬件电路总体框架 10

3.2测量系统模拟电路设计 10

3.2.1 螺旋型电容传感器部分的电路设计 10

3.2.2 圆环型静电传感器部分的电路设计 17

3.3测量系统数字电路设计 21

3.3.1 测量系统微控制器设计 21

3.3.2 测量系统模数转换设计 22

第四章 基于静电和电容传感器融合的两相流系统软件设计 25

4.1 系统软件程序总体结构 25

4.2 正弦信号发生程序设计 25

4.3 ADS1115模数转换程序设计 30

4.4 互相关算法程序设计 33

结语 36

参考文献 37

致谢 38

附录：两相流测量系统硬件电路原理图 39

第一章 绪论

1.1 概述

最近几年，管道运输产业飞速发展，越来越多的工业场合需要实现能源的相互连通。其中，气/固两相流（管道中的运送物质为气体和固体的混合流体）的运送比重持续上升。出现气/固两相流这一运送对象之后，伴随而来的是监控其流动参数和过程的技术，这项技术对于合理调节流动状态以及系统的安全运行有重要意义。目前，我国煤炭资源占所有一次能源总使用量的70%，如此大的占比使得提高煤炭资源的利用效率至关重要。仅以火电燃煤锅炉的燃烧过程为例,煤在大多数情况下靠气力运送，在锅炉的燃煤过程中，管道中煤（通常为煤粉）的浓度和速度等指标直接影响燃烧过程和燃烧效率。由此可见，这是一门现代工业环境中的必备技术，而且为开发两相流精确测量仪表系统提供技术准备。

对于工业管道中气/固两相混合流体的测量参数，当前主要集中于固相流体浓度以及颗粒速度这两项参数。因为在获取浓度和速度参数的基础上，可以间接推得其质量流量等指标，从而可以调整管道中气/固两相流的流动状态，例如调节两种的流体的比例大小，使得能源得到最大化的利用，对环境的污染降到最小。随着运输技术的进步，越来越多的工业场合利用管道运送两相流流体，所以，对流体各项参数进行监控与调控的技术就显得尤为重要与迫切。

1.2 两相流测量技术的发展现状

当前，电学原理间接测量技术在两相流检测方面取得了很大的发展，因其具有非侵入、结构简单、成本低、可靠性好、无辐射等优点，这项技术日益成熟与普遍，并且受到越来越多学者的关注与钻研。这里电学原理法具体指的是电容法与静电法^[1]。其中，电容法依据流动介质的等价介电常数的变化来获取流动信息，目前主要用于混合流体浓度的测量。运用电容法的前提是两相流的介电常数存在明显差异，本课题的被测对象为气/固两相流体，通常情况下，气相流体的介电常数为1.0，固相流体的介电常数为3.5，可见电容法可以应用于两相流系统中；静电法根据颗粒的静电现象结合互相关技术或者空间滤波技术进行固相速度的测量。另外，静电法还可用于颗粒质量流量的直接测量以及颗粒浓度的测量，是一种较为全面的测量方法。

目前，对两相流参数的测量方案大多数依托电容传感器以及静电传感器搭配相应的检测电路来实现，因而设计出现了一批结构各异的传感器来满足工业环境的需要,这些自主研发的传感器结构各不相同，各项性能参数（例如灵敏度、误差系数）也有差异。但是总体上都在不断贴近工业的实际需要，不断优化各项性能指标。同时，测量传感器的发展也推动了测量技术的不断创新。

1.2.1 固相浓度检测技术

对于固相浓度测量, 应用不同类型的传感器，主要有基于电容因数变化^[2-3]、静电感应原理^[4]的方法，基于电容的层析成像^[5-12]方法等。

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