基于集成电容数字转换器的某系统分析

1引言

1.1课题研究背景

多相流现象广泛存在于化工、石油、冶金等领域,对于多相流的分布特征、特征参数的研究具有重大深远的意义。多相流(多组分)有很多种,但以两相流最为普遍。目前常见的两相流有:

1.气液两相流。例如,在火力发电厂中,锅炉汽中夹杂有细小的雾状水滴,这种锅炉汽直接供给汽轮机组会产生影响。这种气液两相流的精确测量一直是电力部门亟待解决的问题。

2.气固两相流。例如,在冶金工业中,高温煤粉喷吹是一项既可以提高燃烧效率又可以大量节省能源的有效技术措施[2]。目前,虽然喷煤技术比较成熟稳重并已经成功在高炉冶炼中广泛应用。但是,由于不能可靠并在线实时检测各喷管内高压气体中的煤粉的质量流量,整个喷吹系统难以在合理的工作状况下运行,因而煤粉的最佳燃烧就无法实现,高炉喷煤技术就无法获取最大经济效益。

3.液固两相流。例如,在管道内部用液体(水等)输送颗粒状固体物[3],这种运输既有提高运输效率,避免环境污染的优点,同时又有投资少、运输费用低等经济优势。但是,运输过程中为了使运输系统维持最佳工作现实且能耗低,期望系统在低流速下运转,同时又不希望因流速低导致管道堵塞。这就需要很好的液/固两相流测量与调节系统。

既然多相流应用的如此广泛,对于多相流的检测的意义也就很显然了。对于多相流的检测技术大致可以分为三大类。第一类是采用传统单相流检测方法来实现多相流检测。例如,利用电导传感器测量井下油水两相流的含水率检测。

2电容层析成像的理论基础

2.1电容层析成像系统模型

电容层析成像技术是利用多相介质往往具有不同的介电常数,该技术通过电容传感器获取介电常数分布而获得介质分布的图像,以一个8电极的典型电容层析成像系统(ECT)来进行说明, 典型的电容层析成像系统主要由电容传感器部分,电容数据采集系统和图像重建计算机三部分组成。其中,电容传感器将两相流体的分布转化为传感器的输出电容;电容数据采集系统则将这些电容转化为数字量并传送给图像重建计算机;图像重建计算机则依据一定的图像重建算法进行图像重建工作。由此可见,电容传感器部分,电容数据釆集系统部分以及图像重建算法三大部分构成了电容层析成像技术的核心,任何一部分的好坏都会对系统的性能产生很大影响。

3应用集成电容数字转换器的ECT系统硬件设计14

3.1 ECT前端电容采集系统板硬件设计14

3.1 电源模块部分15

3.2 电容传感器切换电路板硬件设计21

3.3 本章小结26

4应用集成电容数字转换器的ECT系统软件设计27

4.1 嵌入式程序设计27

4.2 上位机程序设计38

应用集成电容数字转换技术,结合电容层析成像的基本原理,本论文对电容层析成像系统进行了软硬件设计及相关的仿真和实验。但还有很多需要发展和完善的地方:

1.本应用集成数字转换技术的ECT系统还比较粗糙,本设计只是处于实验阶段,距离工业应用还有需要改进的地方。比如电容测量范围的扩展,电路切换板的抗干扰能力以及数据传输的实时性优化改进(FPGA)等方面。

2.尝试用多种图像重建算法对应用集成数字转换技术的ECT系统进行验证评估系统优劣。电容层析成像技术发展至今,许多优秀的算法也应运而生,具体来讲有非迭代类的奇异值分解算法(SVD)等;迭代类的Newton-Raphson算法和共轭梯度算法等;以及十分新颖的智能优化类算法,如人工神经网络算法、遗传算法和模拟退火法等。这些优秀算法的应用必然会对ECT系统的改进和性能的评估起到更为科学的指导作用。