基于相关法的电厂锅炉煤粉浓度检测仪设计

论文摘要

一次风煤粉浓度的准确测量对电厂安全经济运行起着重要的作用。然而对于煤粉在一次风管内的浓度测量属于两相流的检测,一直是个难题,目前煤粉浓度在线测量的方法有直接法和间接法,但这些测量方法在准确性、安全性和经济性方面都有些不足。本文提出一种测量煤粉浓度的新方法——超声波互相关函数法,并在这一方法的基础上开发了一次风煤粉浓度测量仪。论文对超声波互相关函数法测量一次风煤粉浓度的原理进行了介绍,再根据测量原理以及测量仪器的具体功能需要,对一次风煤粉浓度测量仪进行了总体规划,测量仪的硬件结构由超声传感器驱动电路、超声传感器接收电路、信号控制电路和信号采集处理系统等部分组成。并针对测量仪的数据高速采集、传输瓶颈问题,提出了基于FPGA (Field Programmable Gate Array)和ARM (Advanced RISC Machines)结合DMA (Direct Memory Access)传输协议的数据高速采集传输方案,该方案具有易于修改和升级、调试方便等特点。整体结构框架给出后,对整个测量仪硬件进行了具体设计,并在ADS1.2集成环境下,对一次风煤粉浓度测量仪的控制程序进行了基于ARM架构的设计和编写。最后对所设计的超声波互相关法煤粉浓度测量仪进行了软、硬件调试和装箱,并在实验室对各功能进行了相应的可行性和可靠性实验验证。实验结果表明该浓度测量仪满足设计要求,对提高锅炉效率有很重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景与科学意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 一次风煤粉浓度测量仪的总体设计
• 2.1 超声波相关函数法测量原理
• 2.1.1 声速与煤粉浓度的依变关系
• 2.1.2 互相关函数法测量时延τ
• 2.2 系统的功能及性能要求
• 2.3 一次风煤粉浓度测量仪的总体结构
• 2.4 测量仪的采集传输方案设计
• 2.5 本章小结
• 3 基于FPGA的数据高速采集方案的实现
• 3.1 模数转换转换器AD9201的时序分析
• 3.2 ARM的DMA分析
• 3.2.1 ARM的DMA工作过程
• 3.2.2 ARM的DMA应答协议
• 3.3 FPGA可编程设计
• 3.3.1 FPGA的内部结构及选型
• 3.3.2 Quartos Ⅱ开发软件及设计流程
• 3.3.3 模块设计
• 3.3.4 模块综合及仿真验证
• 3.4 本章小结
• 4 煤粉浓度测量仪的硬件设计
• 4.1 超声波与超声探头的选择
• 4.2 传感器驱动电路
• 4.3 信号控制器电路
• 4.4 传感器接收电路
• 4.5 温度采集电路
• 4.6 微处理器采集处理系统设计
• 4.6.1 基于AD9201的信号采集模块设计
• 4.6.2 基于FPGA的外围电路设计
• 4.6.3 ARM的选型以及电路设计
• 4.6.4 数码管显示驱动设计
• 4.6.5 键盘输入模块
• 4.6.6 串口通信模块
• 4.6.7 LED指示电路设计
• 4.7 印制电路板设计
• 4.7.1 布局设计
• 4.7.2 布线设计
• 4.7.3 抗干扰处理
• 4.8 面板设计
• 4.9 本章小结
• 5 测量仪的软件设计
• 5.1 程序的开发调试环境
• 5.2 装载程序BOOTLOADER
• 5.3 用户程序代码
• 5.3.1 初始化处理模块
• 5.3.2 按键输入模块
• 5.3.3 DMA传输模块
• 5.3.4 串口通信模块
• 5.3.5 数码管显示模块
• 5.3.6 相关算法处理模块
• 5.4 本章小结
• 6 调试与实验
• 6.1 系统的调试
• 6.1.1 模拟电路的调试
• 6.1.2 数字电路以及软件的调试
• 6.1.3 装箱
• 6.2 实验与实验结果分析
• 6.2.2 实验
• 6.2.3 实验数据分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录