嵌入式高炉喷吹煤粉质量流量计的设计与开发

论文摘要

高炉煤粉喷吹是现代高炉炼铁普遍采用的一项技术,而煤粉流量的检测是高炉喷煤技术的一个重要环节。在大喷吹量煤粉输送的前提下,如何稳定、均匀、准确地调节煤粉喷吹量,是维持炉温稳定、保持炉况顺行,使得高炉达到最佳冶炼状态的基本前提之一。设计一个精确、稳定的高炉煤粉质量流量检测装置是两相流检测领域一个亟待解决的难题。本文以南钢3#高炉煤粉检测系统为背景,根据对南钢现场工艺的调研分析,在电容法测量煤粉流动信号的基础上,结合互相关算法及线性回归等相关知识,设计一个嵌入式煤粉质量流量计来实现煤粉质量流量的在线检测。本文主要完成了以下工作：(1)对电容法速度和浓度传感器进行了优化设计,确定两种传感器的结构尺寸,并设计制作了上下游平行极板式的速度传感器以及旋转角为180°的螺旋极板式的浓度传感器。(2)针对信号检测电路存在的问题,提出了利用数字信号合成技术产生正弦信号、利用交流激励法进行C/V转换、对电路的动态响应进行分析并优化电路参数以获得最佳动态响应时间等电路设计方法。(3)采用S3C6410作为系统的数字处理单元并外扩AD采集电路,在Platform Builder环境下实现硬件电路驱动程序的编写并定制Windows EmbeddedCE 6.0作为嵌入式操作系统。(4)分析比较常用的速度和质量流量算法,速度计算选用基于FFT的互相关算法,并对速度算法进行优化以及对速度计算结果进行校正。浓度测量中考虑温度变化对浓度的影响。然后利用非线性回归分析对质量流量算法进行分段建模,并实现模型识别以及模型校正功能。(5)利用Visual Studio 2005软件实现速度和流量算法,并实现数据存储以及人机接口界面等功能。(6)结合硬件电路进行浓度和速度信号检测的相关实验,并对基于非线性回归分析的流量算法进行精度分析。结果表明,该质量流量计的设计精度能够满足现场的精度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 国内外煤粉流量检测技术研究和应用现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 流量测量系统的总体设计
• 2.1 传感器的选择
• 2.2 信号检测电路的选择
• 2.2.1 充放电电容测量电路
• 2.2.2 交流激励C/V转换电路
• 2.3 嵌入式数字电路的选取
• 2.3.1 嵌入式系统简介
• 2.3.2 嵌入式微处理器简介
• 2.3.3 S3C6410处理器的选择
• 2.4 嵌入式操作系统的选取
• 2.4.1 嵌入式操作系统概念及特点
• 2.4.2 常见的嵌入式操作系统
• 2.4.3 WinCE 6.0操作系统的选择
• 2.5 模数转换芯片的选取
• 2.6 本章小结
• 第3章 传感器及硬件平台的设计
• 3.1 传感器设计
• 3.1.1 浓度传感器的设计
• 3.1.2 速度传感器的设计
• 3.1.3 电容传感器设计的注意事项
• 3.2 电源部分设计
• 3.3 信号提取电路设计
• 3.3.1 正弦激励信号发生电路设计
• 3.3.2 C/V转换电路设计
• 3.3.3 交流放大器设计
• 3.3.4 相敏解调电路设计
• 3.3.5 移相电路设计
• 3.3.6 滤波电路设计
• 3.3.7 浓度电压调节电路设计
• 3.4 AD转换电路设计
• 3.4.1 电路设计原理图
• 3.4.2 AD7656的工作原理
• 3.5 数字电路设计
• 3.5.1 串行通信电路设计
• 3.5.2 USB接口电路设计
• 3.5.3 存储设备SD卡电路的设计
• 3.5.4 LCD和触摸屏接口电路
• 3.6 电路设计注意事项
• 3.7 本章小结
• 第4章 操作系统定制及AD驱动的实现
• 4.1 WinCE 6.0操作系统的定制
• 4.1.1 操作系统定制流程
• 4.1.2 Platform Builder简介
• 4.2 WinCE 6.0驱动程序开发
• 4.2.1 驱动程序开发基础
• 4.2.2 驱动程序模型
• 4.2.3 驱动程序的系统结构
• 4.3 AD7656驱动程序的实现
• 4.3.1 流接口函数的实现
• 4.3.2 加载流接口驱动程序
• 4.4 本章小结
• 第5章 算法分析及实现
• 5.1 常见速度算法
• 5.1.1 相关算法
• 5.1.2 波形比较法
• 5.1.3 最小差法
• 5.2 流量测量方法分析
• 5.2.1 煤粉体积浓度的确定
• 5.2.2 速度算法的优化及校正
• 5.3 其它流量测量方法
• 5.3.1 流量软测量方法简介
• 5.3.2 辅助变量的选择
• 5.3.3 测量数据的处理
• 5.3.4 流量测量模型的建立
• 5.3.5 基于多元非线性回归流量算法的实现
• 5.3.6 模型的识别
• 5.3.7 流量校正模块
• 5.4 人机界面的实现
• 5.5 本章小结
• 第6章 实验与结果分析
• 6.1 螺旋极板式浓度传感器均匀性误差测试
• 6.2 交流激励法与充放电法电路对比实验
• 6.2.1 交流激励电路输出电压与激励频率关系实验
• 6.2.2 稳定性对比实验
• 6.2.3 灵敏度与线性度对比实验
• 6.3 滤波电路动态响应分析
• 6.3.1 品质因子Q对动态响应的影响
• 6.3.2 器件参数对动态响应的影响
• 6.3.3 滤波器阶数对动态响应的影响
• 6.4 速度算法对比分析实验
• 6.5 质量流量算法精度分析实验
• 6.5.1 瞬时质量流量算法精度
• 6.5.2 累积质量流量算法精度
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢