用于气固两相流在线测量的ECT电容测量电路
用于气固两相流在线测量的ECT 电容测量电路
3
孙 楠 黄 民 祁志生
(北京机械工业学院机械工程系,北京100085)
3北京市优秀人才专项资助项目(20041D0500602)
摘 要 电容层析成像(ECT )技术是目前最具发展前景的多相流参数检测方法。介绍了12电极ECT 成像系统的测量原理及设计方法。研制了一种交流激励的微电容测量电路,该电路具有较强的抗杂散电容性能、结构简单、容易实现等优点,较好地解决了电子开关的电荷注入效应对测量分辨力的影响问题。经试验证明可达到的实际分辨力为0104f F 。
关键词 电容层析成像(ECT );交流激励;测量电路;两相流
0 引言
随着当代科学技术的高速发展,对广泛存在于
工业过程中的两相流(多相流)体系的认知在科学研究和工程技术领域显得越来越重要。对于多相流的研究已经成为一个新兴的前沿学科。
电容层析成像,即ECT (Electrical Capacitance Tomography )是上世纪80年代末、90年代初提出的一种新的过程成像技术[1]。目前,ECT 技术是公认的最具发展前景的两相流参数检测途径之一,其中电容测量电路是该技术的关键和难题之一,设计研制一套具有相当精度和数据采集速度、稳定可靠的电容测量电路是保证整个成像系统正常运行的前提条件。
1 ECT 系统的构成及测量原理
ECT 系统主要由传感器、数据采集系统和成像
系统三部分组成[3]。图1是8电极电容成像系统的示意图。一个典型的电容成像系统包括电容传感器
阵列、测量及数据采集电路、成像计算机三大部分。其基本原理是沿流体流动管道外侧均匀地粘贴若干电容极板,任意两个极板均可组成一个两端子电容。管道内两相流动介质的不同相分布会引起电容极板
间介电常数变化,从而改变电容值的大小。各对极板间的电容值包含了与相分布有关的信息,通过测量不同极板组合间的电容值并将其送入计算机按一定的算法进行图像重建,就可以得到管道截面上的相分布图像
。
图1 8电极电容成像系统示意图
由于ECT 传感器的被测电容值一般在0101～1p F 之间,属于微弱电容的检测,因而成为ECT 系
统中最关键、也是最难以解决的问题之一。ECT 成像系统的关键是成像算法。目前应用主要的算法有:反投影算法、Fourier 变换重建算法、滤波反(逆)投影算法、AR T 算法、SIR T 算法、约束最小二乘类算法等。
本文着重对电容测量电路的设计方法进行探讨和研究。
2 电容测量电路设计与研制
目前,电容测量常见的方法有充放电激励法、交
测量与设备
计量技术20071No 1
?7 ?
流激励法、电荷放大法及有源差分法等[5],其中充放电激励法和交流激励法等由于能有效地克服分布电容的影响,因此被广泛应用于电容成像系统中。但由于充放电激励法是采用直流放大,所以有漂移及CMOS 开关的电荷注入问题,需在电路中周期性检测并补偿。与此相比,交流激励法测量电路中,切换激励极板与测量极板的CMOS 开关阵列不再处于高频的导通/关断状态,使得测量电路受注入电荷的影响大大减小。因此交流激励微电容测量信号的信噪比和稳定性比充放电激励电路要好。211 交流激励法电容测量电路的原理
交流型的电容/电压(C/V )转换电路基本原理如图2所示。正弦信号V s (t )对被测电容进行激励,激励电流流经有反馈电阻R f 、反馈电容C f 和宽带运放组成的检测器D 转换成交流电压V o (t )
。
图2 交流激励电容/电压转换电路原理图
V o (t )=-
j ωR f C x
j ωR f C f +1V s
(t )
(1)
式中:ω为角频率。如果参数ω、R f 及C f 的选取满足ωR f C f μ1,则式(1)时域表达式可简化为:
V o (t )=-C x
C f V s
(t )(2)
式(2)表明,输出电压值正比于被测电容值。为了使输出直接反映被测电容的变化量,目前常用的是带负反馈回路的C/V 转换电路。这种电路的特点是抗杂散性强、分辨力可高达0104f F 。由于采用交流放大器,所以漂移低、信噪比高,但电路较复杂,成本高,频率受限。
在图2中,流经C s 1的电流不会流过被测电容
C x ,所以不会对测量结果造成影响。而C s 2接在运
算放大器的正负输入端,在使用开环增益为无穷大的理想运算放大器的时候,由于C s 2两端电位为零,没有电流流过,因此不会影响测量结果。然而,使用
开环增益有限的实际运算放大器的情况下,由于运算放大器正负输入端之间电压差不为零,因此会有电流流过C s 2,但是分布电容C s 2对测量电路输出电压幅度的影响是C x 的几十万分之一,所以可以忽略不计。212 电容测量转换电路的设计及元器件选择
图3为ECT 系统的交流激励电容测量电路的示意图。其中,正弦激励信号采用AD7008芯片产生正弦信号;检测器D 和交流放大器以及低通滤波器均选用高精度运放μA741;相敏解调选用模拟乘法器MP Y634;数据采集部分选用研华公司的高速数据采集卡PCI1712,可简化电路并且提高数据采集的速度
。
图3 交流激励电容测量电路整体示意图
213 交流激励电容测量电路的分析
由式(1)可见,C/V 转换电路是一个低通电路,由
C f 及R f 组成的反馈阻抗决定了该电路的响应速度和
带宽。这个低通滤波电路的带宽对测量速度有着重要的影响。正弦激励信号频率ω对系统精度也有着重要的影响,ω越高越有利于提高系统精度,但由于激励信号源有内阻,信号频率不能无限大,存在一个极限频率,当大于这一频率时杂散电容会因充电不满而将电源电压拉低,使测量结果不准确。若ωR f C f ν1,选用电阻反馈方式会缩短放大器的过渡时间,但是输出比较容易受激励源频率变化的影响,输出信号与激励信号相比有一个90°的相移,这给解调信号的相位调节带来一些困难。若ωR f C f μ1,选用电容反馈方式,这时输出电压与反馈电阻和激励频率无关,主要是取决于被测电容C x 与反馈电容C f 的比值。但是放大器的过渡时间增加。
由于只有被测电容的变化量才能对图像重建有贡献,而被测电容值较小,需经过交流测量电路后进一步放大,然后采用模拟乘法器对其进行解调,得出与电容成正比的直流电压信号,再经低通滤波器滤
测量与设备
?8 ?
计量技术20071No 1
除乘法解调器输出的高频分量。低通滤波器的上限截止频率越低,输出信号中的交流分量越少,信噪比
也越高,但是系统整体响应速度也随之降低。因此,滤波器的上限截止频率需要在满足信噪比和提高响应速度的要求之间取一个折中值,同时可依据乘法器输出信号的高频分量进行选择。
3 实验与结论
系统实验框图如图4所示。激励信号由50MH z 石英晶振形成,采用多路模拟电子开关进行电容极板的转换。多路模拟电子开关由CC4067器件实现。检测电路采用具有场效应管做输入的高输入阻抗运放,有很低的输入电流和低失调电压。为了提高测量精度,
采用集成稳压电路实现高稳定电压源V c 。
图4 系统实验框图经测试,本系统的电容测量电路理论分辨力为0104f F 。而在实际电路中,电路噪声对分辨力有着
一定的影响,所以实际的分辨力为0155f F 。如果采
用高精度的直流稳压电源给系统供电,分辨力还有可能进一步提高。
根据式(2)可得到传感器的灵敏度为:
V o (t )C x =V s (t )
C f
(3)
将系统参数V s (t )=15V 、C f =22p F 代入式
(3)中,可得到本系统的灵敏度为0168V/p F 。在激励电压稳定的情况下,可选择不同的C f 值来改变系统的灵敏度,小的C f 值可以提高系统的灵敏度,但是会降低系统的抗干扰性。
理论和实验表明,该电路抗寄生电容能力强、结构简单、容易实现。但是,在保证系统的抗寄生电容干扰的情况下,需要进一步提高系统的灵敏度,这值得进一步的研究。
参考文献
[1]Yang Wuqiang.An improved normalisation approach for electrical
capacitance tomography[M ].in Proc :1st World Congress on Indus 2trial Proc.Tomography ,Buxton ,U K pp 215～218.1999
[2]Prof.L.R.,Subramanyan.Capacitance based Tomography for In 2
dustrial Applications[D ].Sharath Subash Donthi (04307905)
[3]王兴,颜华.电容层析成像技术及发展现状[J ].沈阳工业大学学
报,2001(6):497～500.
[4]陆耿,彭黎辉,姚丹亚,等.电容层析成像系统的实用化设计[J ].
计量学报,2004(7):241～261
[5]高彦丽,杨蓓,邵富群,等.用于ECT 系统的低成本、宽带微小电
容测量电路[J ].电测与仪表,2004(9):29～32
[6]李国娜,王保良,黄志尧,等.电容层析成像中电容检测方法的分
析比较[J ].仪器仪表学报,2005(8):730～747
基于光电编码技术的数字式车用燃油表的设计
薛金林1
张为公2
(1.南京农业大学工学院,南京210031;2.东南大学仪器科学与工程系,南京210096)
摘 要 为解决当前车用燃油表计量精度及非定量化等方面存在的不足,通过应用光电技术、数字编码技术于液位检测中直接采集燃油液位的数字信号的原理,开发出新型数字化燃油表。通过硬件和软件处理,增强了系统抗干扰能力,提高了测量精度和数字显示的准确性。
关键词 液位检测;光电技术;数字编码;燃油表
0 引言
用于指示汽车燃油箱内所储存燃油量多少的燃油
表,由装在驾驶室仪表板上的燃油指示表和装在燃油
箱内的传感器两部分组成。传感器多为滑动电阻式,燃油量的计量都是基于浮子→滑变电阻→模拟显示(或数字显示)的原理[1]。该计量原理具有结构简单、指示直观的优点,但存在燃油量指示精度不高,传感器
测量与设备
计量技术20071No 1
?9 ?
气固两相流论文气固两相流流动参数检测方法研究
气固两相流论文：气固两相流流动参数检测方法研究 【中文摘要】随着科学技术的发展,气固两相流体系越来越广泛的存在于现代工农业生产中,如电厂发电、钢铁冶金、流化床反应装置中的气/固两相流以及粮食的气力输送等,它们都涉及到气固两相 流体系。气固两相流各种流动参数的精确测量与实时监测都关系到生产过程的稳定运行以及产品质量的高低。由于气固两相流属于复杂流动体系,其流动参数的检测方法一直以来都是一项亟待解决的技术难题。电容层析成像技术以其非接触及可视化等优点成为目前两相流参数检测方法的研究热点。本文选择电容层析成像技术作为切入点进行了以下研究:首先,文章对电容层析成像技术进行了系统的分析与研究,并且利用大型有限元分析软件ANSYS建立了二维、三维立体模型,方便快捷的得出了仿真电容值,相比较于利用MATLAB或者VC编程的方法获得电容值缩短了开发时间并降低了开发成本。其次,通过对应用于电容层析成像技术中的典型的八电极结构传感器进行深入的分 析与实验仿真,文章给出了此结构传感器的灵敏度分布,并且利用神 经网络对实验管道内部的物像分布进行了图像重建。结果表明,八电极电容传感器没有均匀的灵敏场分布以及较高的灵敏度,这给图像重建的精确度造成了一定的影响。最后,为了... 【英文摘要】With the development of science and technology, gas-solid two-phase flow systems are more and more widely applied in modern industrial and agricultural production. For
微小电容测量电路
电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛应用。例如在气力输送系统中，可以用电容传感器来获得浓度信号和流动噪声信号，从而测量物料的质量流量；在电力系统中，采用电容传感器在线监测电缆沟的温度，确保使用的安全；由英国曼彻斯特科学与技术大学(UMIST)率先开发的电容层析成像(ECT)技术是解决火电厂煤粉输送风-粉在线监测等气固两相流成分和流量检测的有效途径，其中微小电容测量是关键技术之一。 电容传感器的电容变化量往往很小。结果电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。特别在电容层析成像系统中被测电容变化量可达0.01pF，属于微弱电容测量，系统中总的杂散电容(一般大于100 pF)远远大于系统的电容变化值，且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素的影响而变化，同时被测电容变化范围大。因此微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。 1 充/放电电容测量电路 充/放电电容测量电路基本原理如图1所示。 由CMOS开关S1，将未知电容Cx充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve·Cx，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T 重复进行，因而平均电流Im=Ve·Cx·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压 Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf为检波器的反馈电阻) 。 充/放电电容测量电路典型的例子为差动式直流充放电C/V转换电路，如图2所示。
51单片机做电容测量仪解析
第十三届“长通杯”大学生电子设计竞赛 电容测量仪（A题） 2016年5月14日
摘要 电容测量仪装置是一种精度高、测试范围宽、操作简便、功能完善的电容测量仪。随着科技的不断发展，电容在电路中有着越来越多的应用，其容量大小直接决定着电路的稳定性和准确性。因此，电容值的的测量在日常使用中不可避免。 为了深入了解和学习52单片机的功能，本设计采用STC89C52和555振荡器为主要元件对电容进行测量。先将555设计为多谐振荡器产生输入脉冲信号，然后利用单片机对脉冲进行中断计数，再使用公式计算出电容值。在多谐振荡器终端加一个HD74LS08（二输入与门）稳定输出波形，从而使测量中更精确。多谐振荡器会因为连接电阻值的不同而产生的方波的频率不同，从而可以变换档位测量容量差距较大的电容。如果在工程问题中想寻找出符合要求的电容，便可通过矩阵键盘输入相应的电容值的范围，以方便筛选。当电容测定完以后，其数值通过LCD1602显示出来，以便阅读。 关键词：STC89C52单片机；电容测量；555定时器；LCD1602；
目录 1系统方案...................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.1 电容测量仪的论证与选择.............................................................. 错误！未定义书签。 1.2 控制系统的论证与选择.................................................................. 错误！未定义书签。2系统理论分析与计算.................................................................................. 错误！未定义书签。 2.1 设计方案的分析............................................................................ 错误！未定义书签。 2.1.1利用电容器放电测电容实验原理................................ 错误！未定义书签。 2.1.2利用放电时间比率来测电容......................................... 错误！未定义书签。 2.1.3利用单片机测脉冲来测时间常数RC再计算电容.错误！未定义书签。 2.2 电容的计算...................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.1 计算振荡周期....................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.2 计算频率............................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.3 计算Cx ................................................................................. 错误！未定义书签。3电路与程序设计.......................................................................................... 错误！未定义书签。 3.1电路的设计....................................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.1系统总体框图........................................................................ 错误！未定义书签。 3.1.2系统框图................................................................................ 错误！未定义书签。 3.1.3总程序框图............................................................................ 错误！未定义书签。 3.1.4电源........................................................................................ 错误！未定义书签。 3.2程序的设计....................................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.1程序功能描述与设计思路.................................................... 错误！未定义书签。 3.2.2程序流程图............................................................................ 错误！未定义书签。4测试方案与测试结果.................................................................................. 错误！未定义书签。 4.1测试方案........................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2 测试条件与仪器.............................................................................. 错误！未定义书签。 4.3 测试结果及分析.............................................................................. 错误！未定义书签。 4.3.1测试结果(数据) ..................................................................... 错误！未定义书签。 4.3.2测试分析与结论.................................................................... 错误！未定义书签。附录1：电路原理图...................................................................................... 错误！未定义书签。
大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟
上海理工大学学报 第32卷 第4期J.University of Shanghai for Science and Technology Vol.32 No.4 2010 文章编号:1007-6735(2010)04-0333-07 收稿日期:2009-11-02 基金项目:上海市浦江人才计划资助项目(07pj14072);上海市重点学科建设资助项目(J50501) 作者简介:晁东海(1985-),男,硕士研究生. E ma il:x yguo@https://www.wendangku.net/doc/2814950769.html, 大颗粒气固流化床内两相流动的CFD 模拟 晁东海, 郭雪岩 (上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093) 摘要:采用欧拉双流体模型和颗粒动力学方法,数值模拟了大颗粒流化床在不同密度、布风装置及曳力模型情况下的气固两相流动,考察了大颗粒流化床流化和流动特点,颗粒体积分率分布,床层压力瞬时变化,床层碰撞比,以及颗粒速度径向和空隙率轴向分布规律.研究结果表明,与直型布风板流化床比较,凹型布风板流化床内的气泡产生快,颗粒横向运动能力强;随着颗粒密度的增大,其在凹型布风板流化床边壁处的速度比中心位置处减小的快;比较3种曳力模型,发现其模拟的轴向空隙率分布和床层压力存在较大差异,且与床层膨胀比实验关联式相比,3种模型预测的值比实验关联式要大一些.通过研究,3个曳力模型中Gidaspow 模型相对适用于大颗粒气固流化床的数值模拟.关键词:流化床;欧拉双流体模型;并行计算;大颗粒中图分类号:TQ 051.13 文献标志码:A CFD simulation on two phase flow in gas solid fluidized beds with coarse granules CH AO Dong hai, GUO Xue yan (School of En er gy an d Pow er En gin eering ,Un iversit y of S han ghai for S cience and Technology ,Shanghai 200093,Chin a ) Abstract:Eulerian pseudo fluid model combined with the granule kinetics model,by integrating them in a CFD code(Fluent 6.3)was used to numerically simulate the gas solid flow patterns in fluidized beds of coarse granules.Different conditions including particle density,distributor types and drag models were taken into account for paramter study.The dependance of characteristics of fluidization and flow patterns,as well as the influences of phase fraction distribution,instantaneous pressure,radial particle velocity,expansion ratio and axial voidage distribution,on the parameters were thoroughly investigated.Simulation results show that two phase flow characteristics in the bed with a concave distributor is rather different from that in the bed with a flat distributor.For ex ample,bubbles will occur so oner and more particles move laterally in the concave distributor bed.It is also found that for larger solid gas density ratio,particle velocity profile near the wall becomes much flatter in the concave distributor bed.A comparison among the Syamlal O Brien,Gidaspow and Arastoopour models illustrates that the predicted axial voidage distributions and pressure drops by the three models are very different.Numerical prediction based on all the three drag models un derestimates the bed expansion ratio,comparing with the published experimental correlation.It can be concluded that numerical results based on Gidaspow drag model are of the least deviation in the
一种高精度测量微小电容的电路
摘要：提出了一种高精度、低成本的电容的测量方法。该方法采用差动式直流充电法测量微小电容，具有功耗低、体积小、分辨率高、刷新率高的特点。同时详细阐述了测量电路的基本原理、具体实现，并且通 过测量固定电容验证了电路的性能。 关键词：电容传感器；差动式测量；直流充电 0 引言 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量，及能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，并 且已在工农业生产的各个领域得到广泛应用。 微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。电容式传感器输出的电容信号往往很小(1fF～10 pF)，又存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响，这对电容信号的测量电路提出了非常高的要求，如此微小的电容信号的测量成为电容式传感器技术发展的瓶颈。 本文提出一种恒流源充电法对两个微小电容进行充电检测的方法。本设计仅由单片机和少数芯片即可以实现电容的高精度，高频率测量。由于采用了差动式测量，本设计可以有效地减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减少干扰，减少寄生电容的影响。若选用高性能模拟开关能大大减小电荷注入效应的影响。 在检测0～5 pF的实验中，采样频率可以达到100 kHz，有效精度位最高可达12位。 1 原理分析 实现测量的电路原理如图1所示，其完整的测量过程是：单片机控制模拟开关K1，K2断路，标准电容Cl和待测电容C2由相同的两个恒流源I1和I2进行充电；在相同的时间T1内，电容C1、C2的充电电压 为U1、U2。由电容基本公式可得： 令△U=U1-U2，则电压差△U经过放大后，通过MSP430单片机的AD转换模块进行转换，数据存储的同时，单片机控制K1、K2闭合，在T2时间内，使C1，C2两端的短路，两电容两端电压降到零，此时完成 放电过程。 至此，一次完整的采样过程结束，充放电时序见图2。
电容传感器测量电路
第一部分引言 本设计是应用于电容传感器微小电容的测量电路。 传感器是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器在发展经济、推动社会进步方面有着重要作用。 电容式传感器是将被测量转换成电容量变化的一种装置，可分为三种类型：变极距（间隙）型、变面积型和变介电常数型。 二、电容式传感器的性能 和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、分辨力高、工作可靠、可非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中[1]。 电容式传感器也存在不足之处，比如输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大等。上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服。电容式传感器成为一种大有发展前途的传感器[2]。 第二部分正文 一、电容式传感器测量电路 由于体积或测量环境的制约，电容式传感器的电容量一般都较小，须借助于测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成与其成正比的电压、电流或者电频率[3],[4]。电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能。
由于电容传感器的电容变化量往往很小，电缆杂散电容的影响非常明显，系统中总的杂散电容远大于系统的电容变化值[5]。与被测物理量无关的几何尺寸变化和温度、湿度等环境噪声引起的传感器电容平均值和寄生电容也不可避免的变化，使电容式传感器调理电路设计相当复杂[6]。分立元件过多也将影响电容的测量精度[3]。 微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。测量仪器应该有飞法（fF）数量级的分辨率[6]。 二、常用电容式传感器测量电路 1、调频电路 这种电路的优点在于：频率输出易得到数字量输出，不需A/D转换；灵敏度较高；输出信号大，可获得伏特级的直流信号，便于实现计算机连接；抗干扰能力强，可实现远距离测量[7]。不足之处主要是稳定性差。在使用中要求元件参数稳定、直流电源电压稳定，并要消除温度和电缆电容的影响。其输出非线性大，需误差补偿[8]。 2、交流电桥电路 电桥电路灵敏度和稳定性较高，适合做精密电容测量；寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作。但电桥输出电压幅值小，输出阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作，而且电路不具备自动平衡措施，构成较复杂[9]。此电路从原理上没有消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等措施，效果不一定理想[10]。 3、双T型充放电网络 这种电路线路简单，减小了分布电容的影响，克服了电容式传感器高内阻的缺点，适用
气固两相湍流模型的分类
气固两相湍流模型的分类 对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质，在欧拉坐标系内加以描述，而把颗粒群作为离散体系，在拉氏坐标系内加以描述；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体，两相在空间共存和互相渗透，两相都在欧拉坐标系内加以描述。不同观点描述两相流所得数学模型也不同，目前常用的模拟模型有：单流体模型（无滑移模型）、小滑移模型、双流体模型（多流体模型或滑移－扩散的多连续介质模型）、颗粒轨道模型。 单流体模型 把单相流体力学概念直接推广到两相流中，把含有颗粒群流体看成一个单一的流体，提出了一种模拟气粒两相流动简化模型，即单流体模型或无滑移模型。与单相流体流动方程相比，单流体模型仅增加了几个颗粒相连续方程（类似于气相组分扩散方程），并在气相方程中增加了颗粒源项，因此该模型相当简单。该模型的主要优点是处理方法简单，计算方便。其缺点是未考虑颗粒相及气相之间的阻力作用（即假设气体与颗粒之间无速度和温度滑移），以及认为颗粒扩散系数和气体扩散系数相等，与实际的气固两相流动情况差异很大，故目前应用的较少。 小滑移模型 小滑移模型则是在单流体模型的基础上发展的，在此模型中，或者颗粒相对流体流动的影响被认为是小扰动，或者该影响被完全忽略。模型中假设颗粒的运动单纯由流体流动引起，流体与颗粒的速度滑移相对于平均流动来说是小量，这一滑移是颗粒扩散的结果。它考虑了颗粒的滑移并涉及了颗粒和气相间因滑移而引起的阻力，从而增加了颗粒群的动量方程，但求解典型程序仍与无滑移模型相同。其优点是考虑了颗粒的湍流扩散、湍流粘性以及滑移引起的阻力，相对接近于实际情况。 双流体模型 该模型的出发点是把颗粒群和气体都作为连续介质，两者相互渗透组成双流体或多流体系统，在欧拉坐标系下考察气粒两相流动，即欧拉—欧拉模拟湍流两相流动。近年来双流体模型已用于模拟一维非定常水汽两相流、炮膛内非定常二维湍流气粒两相流、气粒两相射流、有蒸发的液雾气体射流、闭式同轴射流中气体液雾流动与燃烧、带有或不带高速射流的突扩燃烧室中二维及三维湍流回流气粒两相流动和燃烧、四角喷燃炉中三维湍流旋流回流气粒两相流动和流化床中二维气化过程等。 颗粒轨道模型 颗粒轨道模型可分为：颗粒群轨道模型和随机轨道模型。前者假设不存在颗粒扩散，而后者利用Monte-Carlo法计算，考虑了颗粒扩散。 颗粒轨道模型的主要优点是计算工作量小，对有蒸发、挥发和异相反应的颗粒相复杂经历时，能较好的追踪颗粒的运动，颗粒相用拉格朗日处理数值计算也不会产生伪扩散。其缺点是对颗粒湍流扩散缺乏较好的处理方法，不能全面模拟颗粒的紊流扩散过程，而且计算所得到的拉氏
微电容测量研究
微小电容测量电路 时间:2007-12-07 来源: 作者:邱桂苹于晓洋陈德运点击：995 字体大小:【大中小】 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛应用。例如在气力输送系统中，可以用电容传感器来获得浓度信号和流动噪声信号，从而测量物料的质量流量；在电力系统中，采用电容传感器在线监测电缆沟的温度，确保使用的安全；由英国曼彻斯特科学与技术大学(U MIST)率先开发的电容层析成像(ECT)技术是解决火电厂煤粉输送风-粉在线监测等气固两相流成分和流量检测的有效途径，其中微小电容测量是关键技术之一。 电容传感器的电容变化量往往很小。结果电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。特别在电容层析成像系统中被测电容变化量可达0.01pF，属于微弱电容测量，系统中总的杂散电容(一般大于100 pF)远远大于系统的电容变化值，且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素的影响而变化，同时被测电容变化范围大。因此微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。 1充/放电电容测量电路 充/放电电容测量电路基本原理如图1所示。 由CMOS开关S1，将未知电容C x充电至V e，再由第二个C MOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期内从C x传输到检波器的电荷量Q=V e·C x，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进行，因而平均电流Im=V e·C x·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压V o=Rf·Im=Rf·V e·C x·f(Rf为检波器的反馈电阻) 。 充/放电电容测量电路典型的例子为差动式直流充放电C/V转换电路，如图2所示。 C s1和C s2分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散电容(通过分析可知，它们不影响电容C x的测量)。S1-S4是C MOS开关，S1和S3同步，S2和S3同步，它们的通断受频率f的时钟信号控制，每个工作周期由充/放电组成。分析可得电路输出为
利用Multisim设计电容测量电路
精心整理 一、概述 随着科学技术的不断发展，人类社会进入高科技时代，而以电子元件组成的电器在生活中被运用的越来越广泛，大至航空航天技术，小到手机、电子手表等等。而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。特别是电容在这些电路中的作用，因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少，测量电容的大小的办法也越来越多，并且多样化、高科技化。当然，测量的结果应该保持较高的精确度和稳定性，不仅如此，还应兼顾测量速度快等要求。 目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于NE555的RC 充放电原理等等，在这个脉（0.2uF —20uF 杂。 路、确的脉冲个数N ，而准确的数值大小为显示稳定后的数值。
由于本方案大多采用的是数字元器件，因此对外界的干扰信号有着很强的抵抗能力，而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件，只要外界存在有一定强度的干扰信号，就会使测量结果发生较 大的改变。不仅 如此，外界的温 度也会对模拟 元器件产生很 大的影响，而在 实际生活中的 多外界环境不 5V直流
首先是测量电路部分，电路图如图3所示，此部分由2片555定时器连成的单稳态触发器和多谐振荡器 定时器为单稳态振荡器。端输出 的单位脉发器2端2C 为待测电器中。由单稳 态触发器电容大小这个信号经存器的时的输出单产生的脉后作为计计数。 图3 单稳号的脉宽 当R 与2C 的 2C 与4 C 出信号、单稳态触发器输出信号、非门输出信号、与门输出信号如图4所示。
图4待测电容为1uF 时各输出信号波形 上图中的波形自上至下分别为单稳态输出信号、非门输出信号、多谐振荡器输出信号、与门 74L S 160N
微小差分电容检测电路设计
微小差分电容检测电路设计 摘要 电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的精密测量中。由于受结构限制，其输出电容信号很小，一般为几pF至几十pF，精密测量其值更小，因此其后续测量电路的选择与设计非常关键。本文简要介绍了传统及现有小电容测量方法，重点设计了一种用于微小差分电容检测的交流放大电路，阐述了此方法的基本原理及参数的选取原则。实验结果和理论分析具有良好的一致性，并仿真出了实验结果，该电路具有抗寄生电容能力强、容易实现、成本低等优点。 关键词：差分电容，高频信号，电容传感器，抗寄生电容
Design of measured circuit about micro differential capacitive Abstract The capacitive sensor widely used in precision measuring physical quantity such as displacement, vibration, angle and acceleration. For the structure limit, the output of capacitance sensor is very small, about several pF to several dozens pF, and smaller in the precision measurement, so it is important to select and design the capacitance measurement circuit. Several techniques for measuring of small capacitance including methods with tradition are briefly overviewed. A kind of AC amplifier circuit for micro differential capacitance sense is introduced in the text.The experiment results show a good correspondence with the theoretical analysis. The basic principle of the method and the principle of choose the parameters in the circuit are provided and test conclusion is given. The measurement is free of stray immune capacity, low-cost and easy for realization. Key word: differential capacitance, high frequency signal, capacitive sensor, stray-immune capacitance
大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟
大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟 摘要：采用欧拉双流体模型和颗粒动力学方法，数值模拟了大颗粒流化床在不同密度、布风装置及曳力模型情况下的气固两相流动，考察了大颗粒流化床流化和流动特点，颗粒体积分率分布，床层压力瞬时变化，床层碰撞比，以及颗粒速度径向和空隙率轴向分布规律．研究结果表明，与直型布风板流化床比较，凹型布风板流化床内的气泡产生快，颗粒横向运动能力强；随着颗粒密度的增大，其在凹型布风板流化床边壁处的速度比中心位置处减小的快；比较3种曳力模型，发现其模拟的轴向空隙率分布和床层压力存在较大差异，且与床层膨胀比实验关联式相比，3种模型预测的值比实验关联式要大一些．通过研究，3个曳力模型中Gidaspow模型相对适用于大颗粒气固流化床的数值模拟． 关键词：流化床；欧拉双流体模型；并行计算；大颗粒 近年来，随着流态化技术的发展，大颗粒流化床在煤粉流态化燃烧和水泥熟料流态化煅烧等领域的应用也越来越广泛．由于流化床内两相流动情况复杂，使得人们对气固两相间的作用、固相应力本构方程的建立、两相湍流的认识以及多种因素的相对控制和协调的理解等变得很困难[】]．实际上大多数流化床反应器都是根据经验设计的，大颗粒流化床的设计更是如此．文献[2]在研究颗粒的粒度及颗粒的表观密度等对流化特性影响后，将颗粒分成了A(30～100 tma)、B(100～600 tLm)、C(一般情况下粒度小于20 tLm)、D(600 Fm以上)4类_3]．依据此分类，粒度在600肿以上的颗粒称为过粗颗粒．然而由于颗粒的
表观密度与气体密度之差不同，本文所用颗粒直径为855 可能为B类(鼓泡颗粒)，也有可能为D类(喷动用颗粒)．其中，D类颗粒流化时极易产生大气泡或节涌，使实验难以操作，然而数值模拟可以克服这一困难，而且D类颗粒粒度在1．5 rain以下时，是完全 可以流化的[3]．文献[4]用粒径为3 mm的颗粒进行了模拟与实验，研究了气体进口速度和温度对床内含湿量、颗粒温度等的影响，得出模拟与实验的结果大体是一致的．文献[5]研究了表观气速、床内有无管道及布风方式对大颗粒流动的影响．模拟和试验的结果都表明，布风方式对颗粒体积分率及速度径向分布有着很大的影响，而且不论有无管道，某些布风方式都有助于气固形成环核流动结构．文献[6]通过改变颗粒粒径(从o．25 mm到1 mm)、密度、进口气速等参数后进行了模拟，结果表明：颗粒的粒径和进口气速对颗粒滑移速度的影响较大；合适的进口气速对减少能 耗起着很重要的作用．本文借助CFD软件FLUENT对大颗粒气固流化床进行了模拟计算．对比并分析了不同密度颗粒、曳力模型及布风装置对流化床流动特性的影响．有些曳力模型采用皿F(用户自定义函数)实现．通过这些研究，从数值计算的角度揭示出了一些大颗粒的流化及流动特性． 1 控制方程及曳力系数模型 1．1 流体控制方程 由于气固间没有质量交换，且升力、附加质量力等对流化床的影响很小，故气固两相流动所遵循的连续方程和动量方程可以简化成如下形
气固两相流模型在流场分析中的研究进展_孙晨(1)
第25卷第1期2011年3月 上 海 工 程 技 术 大 学 学 报 JOU RNAL OF SH ANGH AI UNIVERSIT Y OF ENGINEERING SCIENCE Vol.25No.1M ar.2011 文章编号:1009-444X(2011)01-0049-05 收稿日期:2010-12-23 基金项目:上海市科委重点科技攻关资助项目(0852*******);上海工程技术大学研究生科研创新资助项目(A-0503-10-14)作者简介:孙 晨(1985-),男,在读硕士,研究方向为车辆尾气排放与控制.E m ail:scn_ok@https://www.wendangku.net/doc/2814950769.html, 指导教师:陈凌珊(1966-),女,教授,博士,研究方向为车辆尾气排放与控制.E m ail:b ech enlsh@https://www.wendangku.net/doc/2814950769.html, 气固两相流模型在流场分析中的研究进展 孙 晨,陈凌珊,汤晨旭 (上海工程技术大学汽车工程学院,上海201620) 摘要:介绍了气固两相流的基本方程、理论模型和研究方法,论述了常用3类模型在流场模拟中的研究进展及应用状况.研究表明,气固两相流模型在工程实践中具有重大的应用价值,并对其研究趋势作出了展望. 关键词:气固两相流;连续介质;颗粒轨道模型;拟流体;数值模拟中图分类号:TK 121 文献标志码:A Study and Development of Gas Solid Two Phase Flow Model in Flow Field Analysis SU N Chen,CH EN Ling shan,TANG Chen x u (College of Automotive Engineering,Sh angh ai University of Engineering Science,Shanghai 201620,Chin a) Abstract :Basic equations,theo retical models and research m ethods o f the g as solid two phase flo w w er e introduced.Recent studies and applications of three com mon m odels in flow field simulatio n w ere dis cussed.A conclusion is draw n that the gas so lid tw o phase flow m odel ow ns g reat value in engineering practice.Then,the trend of researches on gas so lid tw o phase flow model w er e ex pected. Key words :g as solid tw o phase flow ;continuous m edium ;par ticulate tr ajector y mo del;pseudo fluid;numerical simulatio n 纷繁复杂的多相物体流动普遍出现在自然界、日常生活和生产实践中.其中,气体与固体颗粒形成的多相流称为气固两相流,是流体力学与能源、动力、石油、化工等学科交叉的新兴系统科学.随着科技的迅猛发展,人们对两相流在工业应用领域的研究日益重视,如何用气固两相流模型对流场内流体分布及特征进行模拟仿真,已成为两相流问题的研究热点. 近年来,国内外众多专家学者对气固两相流问题进行了大量的研究.其中,气相流动、固相流动、气固相互作用是气固两相流研究的3个主要方面.本文着眼于稠密两相流颗粒运动模拟、气固紊流剪切流场模拟、不同管线及复杂弯管流场模拟、内燃机缸内湍流燃烧分析、旋风分离器和流化床气力输送等当前热门研究领域,结合相关理论与方法,系统地论述了基于欧拉坐标系的连续介质模型、基于
电容测量电路
2011 ~ 2012 学年第二学期 《电容测量电路》 课程设计报告 题目：电容测量电路 专业：通信工程 班级： 10通信(2)班 组员：吴悦肖梦奇方克文胡勇 吴冬冬徐磊付文涛卢大卫指导教师：王银花 电气工程系 2012年5月20日
1、任务书
目录 第一章:摘要 (4) 第二章:题目分析和设计构思 (5) 2.1题目分析 (5) 2.2设计构思 (5) 第三章:测量电路原理 (5) 3.1工作原理 (5) 第四章:硬件电路设计 (6) 4.1了解功能 (6) 4.2化整为零 (7) 4.3功能分析 (7) 4.4统观整体 (11) 第五章:元件参数 (12) 第六章:调试 (12) 6.1仿真截图 (12) 第七章:课程设计心得体会 (15) 附录一：参考文献 (16)
第一章:摘要 五量程电容测量电路是以集成运放为核心器件可将其分解为四个部分。可分解为文氏桥振荡电路、反相比例运算电路、C/ACV电路、有源滤波电路。该电路是利用容抗法测量电容量的。起基本设计思想是：将400Hz的正弦波信号作用于被测电容Cx,利用所产生的容抗Xc实现C/ACV转换，将Xc转换为交流电压；再通过测量交流电压来获得Cx的电容量。本课题小组通过小组分工到图书馆、网上查找课题参数资料；了解电容测量电路应用及其工作原理，运用Multisim仿真软件绘制电路图并进行仿真实验；分析仿真实验数据和记录课题实验过程；制作打印课题实验报告。 综上所述，在测量电容量时，文氏桥振荡电路所产生400Hz正弦波电压，经过反相比例运算电路作为缓冲电路，作用于被测电容Cx；通过C/ACV转换电路将Cx转换为交流电压信号，再经二阶带通滤波电路滤掉其他频率的干扰，输出是幅值与Cx成比例的400Hz正弦波电压。 电容测量电路的输出电压作为AC/DC转换电路的输入信号，转换为直流电压；再由A/D转换电路转换为数字信号，并驱动液晶显示器，显示出被测电容的容量值。 电路有如下特点： （1）在C\ACV转换电路中，电容挡愈大，反馈电阻值愈小，使得各挡转换系数的最大数值均相等，从而限制了整个电路的最大输出电压幅值，也就限制 了A\D转换电路的最大输入电压，其值为200mV； （2）电路中所有集成运放的输入均为交流信号，因而其温漂不会影响电路的测量精度，也就需要对电容挡手动调零。电路中仅有一个电位器Rw1用于校准电容挡，一般一经调好就不再变动。 （3）二极管D9和D10用于A2输出电压的限幅，二极管D11和D12用于限制A3净输入电压幅值，以保护运放。此外，尽管电容挡不允许带电测量，但是若发生误操作，则二极管可为被测电容提供放电回路，从而在一定程 度上保护壳测量电路。 重点：电容测量电路；Multisim仿真软件。
气固两相流在燃烧器中的应用
气固两相流在燃烧器中的应用 1、气固两相流的基本理论 不管何种型式的燃烧器，其内流动的本质都是气固两相流动。因而，要改进燃烧器，必须对气固两相流动的规律有深入的理解。 2、气固两相流的基本特点 单相气流中只有气体的存在，但是在锅炉内的气流中都存在一定浓度的固体颗粒，而且各处的固体颗粒浓度存在差异，这就使得炉内的燃料颗粒流动变的相当复杂。一般来说，有以下主要的特点: (1)气体分子分布均匀，而燃料颗粒是分散的、且直径大小不同，为了简便起见，人们通常仅仅考虑一个平均尺寸。 (2)燃烧装置中颗粒浓度一般不大，所以颗粒相一般不能作为连续介质。 (3)颗粒相的惯性较大，气体和颗粒间存在着速度的滑移，因而各自运动规律相互会产生影响。 (4)颗粒之间及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。在不等温的热流中还存在着热泳现象。 (5)由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同的速度。 (6)在有压力梯度、速度梯度存在的流场中，颗粒经常处于加速或者减速的不稳定状态，颗粒间及与管壁间相互碰撞等都会引起颗粒的高速旋转，产生升力效应。 (7)颗粒的湍流扩散系数和气体不同，因而其横向扩散运动的特点也不一样。小颗粒的扩散速率比大颗粒的扩散速率大。 3、气固两相流的分类 工程中的两相流种类繁多，结构复杂，从空气动力学的特征出发，可以分为稀相两相流和浓相两相流。这是以颗粒在气相中的含量多少来区分的，通常认为稀相两相流中颗粒的浓度不大，使得颗粒的存在对气相运动的影响不大，颗粒相的运动规律基本与相一致，只要把气相和固相运动的相互影响加以修正就可以了。浓相两相流动就是颗粒相浓度增加到一定数值以后，对气相的流动形成了很大影响，这时候用气相流动方程就很难准确的加以描述。一般来说，颗粒的浓度小于lkg/kg空气时，可以认为是稀相两相流，反之就是浓相两相流。 对于浓相气固两相流，气相决定着固相运动，固相对气相的影响也不可以忽略，这种情况称为双向祸合(Two-Way Coupling)。稀相两相流的颗粒相对气相影响很小，可以忽略不计，但是气相场决定这颗粒的轨迹和其他参数的变化，这种情况称为单向祸合(One-Way Coupling)。 4、气固两相流的特性参数 由于气固两相流中增加了颗粒相，流动中存在着一个形状与分布随机可变的相界面。而各个相之间又存在着一个不可忽略的相对速度，导致了流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比不相等。因此描述气固两相流的流动特性参数比气体单相的流动特性参数要复杂很多。主要的参数有:两相浓度(各相所占的相对容积，重量等)、空隙度(流体所占的体积与整个两相流体的总体积之比)、两相密度(各相的总重量与总体积的比)，比面积(分散颗粒相的表面积与其体积之比)、以及两相粘度、两相比热、两相导热系数和颗粒的松弛时间等。 除此，还有其他的一些参数，如两相流体的密度，颗粒平均尺寸等。 5、工程气固两相流模化实验的原理 气固两相流进行模化时，首先要做到几何相似，其次要使雷诺数相等或者气流达到自模化区，另外，还要做到单值条件相似，即达到流动相似。为了使模型与原型中的两相流动相似，还必须要遵循一定的准则。