湿蒸汽湿度测量传感器及控制系统的设计与实现

论文摘要

湿蒸汽湿度的准确测量对常规电站中大型冷凝式蒸汽透平具有重要意义。在本文中,首先研究了湿蒸汽湿度测量原理及其相应的系统。从理论上分别阐述了单通道测湿系统和双通道测湿系统的工作原理,比较了两者实现的难易程度,理论结果表明采用双通道能避免因热膨胀导致的频率偏移,使系统输出信号满足实验测量要求。然后,对系统核心部件微波谐振腔进行设计。设计了圆柱形谐振腔,其工作模式为TE011模,用两个小孔将圆柱形谐振腔和矩形波导的窄壁相耦合,在谐振腔的侧面开多个窄缝以使湿蒸汽自由通过谐振腔;使用ANSOFT HFSS9.0对传感部件谐振腔进行设计;分析了由测量方法和测量仪器引起的系统误差;依据谐振腔的等效原理设计了谐振腔的等效电路,对谐振腔的结构和等效电路进行了仿真,得到在谐振频率为9.575GHz时,TE011模的品质因数为30537,适合作为测量流动湿蒸汽湿度的传感器。最后,设计了湿度测量系统。介绍了频率跟踪和频率测量模块的原理,以MSP430F157单片机为核心,设计了频率跟踪和频率测量两个模块,频率跟踪模块实现了VCO的输出频率与谐振腔的谐振频率实时相等,在频率测量模块中采用多周期同步测量与量化延迟法相结合的测量方法,使测量分辨率达到了0.1 Hz;利用串行通信接口实现了PC机与单片机之间的通信,调试结果表明频率测量和频率跟踪模块能正常工作并且其性能指标满足测量系统的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 第2章 蒸汽湿度测量系统
• 2.1 单通道测湿系统原理
• 2.2 双通道测湿系统原理
• 2.3 单双通道测湿系统实现的难易程度
• 2.4 本章小结
• 第3章 湿度传感器的设计
• 3.1 圆柱形谐振腔
• 3.2 使用HFSS 软件设计谐振腔的结构
• 3.2.1 HFSS 软件简介
• 3.2.2 湿度传感器的实际结构
• 3.2.3 结果分析
• 3.3 谐振腔的等效电路模型
• 3.3.1 等效电路模型的理论基础
• 3.3.2 湿度传感器的等效电路
• 3.3.3 仿真分析
• 3.4 微波谐振腔湿度测量系统的精度分析
• 3.5 提高湿蒸汽湿度测量系统的精度
• 3.6 本章小结
• 第4章 湿度测量系统的设计
• 4.1 16 位系列单片机MSP430 介绍
• 4.2 MSP430F157 在系统中的引脚配置
• 4.3 频率跟踪模块
• 4.3.1 频率跟踪模块组成
• 4.3.2 频率跟踪模块的流程
• 4.3.3 频率跟踪的硬件设计
• 4.4 频率测量模块
• 4.4.1 频率测量模块
• 4.4.2 频率测量的方法
• 4.4.3 时间间隔测量方法的设计
• 4.5 串行通信接口
• 4.6 主程序的流程图
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 论文摘要