基于丝网传感器的气液两相流监测系统设计与实现

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气液两相流的监测需求广泛存在于核反应、石油冶炼、生化反应等众多场合。实现宽范围的气液两相流体的测量和图像重构对相关反应机理的研究,以及实现精准的物料控制和生产安全等有着巨大好处。采用高速摄像机可以实现无接触的气液两相流监测,但存在成本高、使用场合受限等缺点;电学层析法具有响应速度快的优点,又存在测量精度较低、成像效果不佳等问题;采用在管道中布设丝网传感器进行监测在响应速度、成像效果、经济性等方面兼具优点,已成为一种重要的气液两相流监测方法。但国内采用丝网传感器进行气液两相流监测的研究起步较晚,已有的研究成果多数通过与国外合作的方式完成,核心部分仍由国外掌握。基于以上背景,论文设计了一款具有测量范围宽且低成本的气液两相流可视化监测系统。论文提出了一种脉冲激励行扫描丝网监测方案,研究了图像重构算法,结合嵌入式开发技术,完成了基于丝网传感器的气液两相流监测系统的设计及样机制作、调试与测试工作,实现了管道截面相态信息的实时可视化监测。系统硬件设计主要工作有:设计主控模块协调控制各模块稳定有序的运行;设计激励模块实现多通道稳定幅值的双极性电压激励信号的顺序控制;设计接收模块完成多路微弱电流响应信号经过I/U转换、放大后电压信号的量化采集;设计通信模块实现电脑端和嵌入式端的通信功能。系统软件设计主要工作有:完成了程控放大电路增益参数的保存和调节,实现了运放增益的有效控制;完成了激励扫描、信号采集处理和网络通信,实现管道截面相态信息的准确获取和快速上传;设计了两端的通信协议;完成了电脑端软件设计,为系统功能调试和重构图像显示提供了便利。论文的主要贡献包括:(1)针对测量信号微弱且易受干扰的问题,采用了I/U转换、放大、滤波等处理手段,有效地提高了测量数据的准确率。(2)针对测量数据直接成像效果不佳的问题,采用了三次样条插值算法和中值滤波算法对测量数据进行处理,实现了气液两相流成像图像更加真实的复原。(3)针对单一液体和气体的两相流监测系统难以满足应用需求的问题,采用两级放大电路设计方案并通过数字电位器调节其增益大小,提高了系统对多种气液两相流监测环境的适应性。经测试,论文设计的气液两相流监测系统完成了所有的功能需求,系统操作简单,运行稳定,各项性能指标均达到了预期目标,具有一定的实用价值。
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