溴化锂溶液浓度电子测量系统研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 3.17MB 84 页 15积分

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摘要

本课题受国家自然科学基金项目（50576056）“膜反转板式降膜热质传递过程研

究”资助。

本文针对“膜反转板式降膜热质传递过程研究”中测量溴化锂水溶液浓度的需

求，基于比重计法测量浓度的原理，利用电磁力反馈原理、数据采集等研究设计了溴

化锂溶液浓度自动测量系统，并进行了相应实验平台的搭建和调试。利用实验搭建的

装置进行溴化锂溶液样本的浓度测量表明，本装置可快速准确地实现溴化锂溶液的浓

度测量，操作方便。论文所做的工作主要体现在以下几个方面：

1. 理论研究：分析了比重计法测量浓度的原理，利用力平衡式传感器的原理设

计了溴化锂溶液浓度自动测量系统，其关键技术包括：利用最小二乘法及已有数据对

溴化锂溶液浓度、比重及温度三者的关系公式进行拟合；基于电磁力反馈的比重传感

器原理分析及参数计算，并针对具体的实验平台推导出相应的计算公式；数据采集及

数据采集卡的相关原理等等。

2. 比重传感器及相应处理电路平台搭建：比重传感器负责比重信号的物理传感，

相应的信号处理电路对其处理后，一路输出送比重传感器实现反馈调平，另一路输出

经数据采集卡送电脑终端进行数据显示和计算。相应工作主要包括电路设计、CAD

图纸绘制、器件的加工和购买、平台搭建和调试以及相关的公式推导和参数计算等等。

3. 数据采集及相应操作界面设计：采用 USB-9211 数据采集卡的两个通道分别

进行温度信号和比重信号的数据采集，在 LabVIEW 平台上进行程序编写和处理，实

现数据采集的驱动、数据显示及浓度计算。

4. 整体平台综合调试、修改及效果测试：将软硬件结合起来调试，以良好的实

现整个的电磁反馈平衡以及使软件根据硬件的运行自动显示采集和计算结果等等。在

综合调试中针对遇到的具体问题进行了相应的分析和修改，最后利用修改后的装置对

已知浓度的溴化锂溶液样本进行了测量，效果良好。

本论文设计搭建了基于力平衡式电磁力反馈原理的溴化锂溶液浓度测量系统。理

论研究和实验结果均表明，所设计的溴化锂溶液浓度测量系统能够实现溶液浓度的自

动测量。

本文的研究和实验为新的溴化锂溶液浓度测量系统的可行性及实际应用提供了

理论和实验依据，也为其他浓度测量系统的开发提供了一些思路。

关键词：溴化锂溶液比重传感器信号处理 LabVIEW 数据采集

ABSTRACT

This research is supported by the Project 50576056 “Research on the heat and mass

transfer process of plate falling film absorber with a film-inverting configuration”, which is

one of the National Natural Science Foundation Projects of China.

To meet the requirement of measuring the LiBr solution concentration in ‘The

Research on the heat and mass transfer process of plate falling film absorber with a

film-inverting configuration’, by analyzing the principle of the concentration measurement

method by using the Hydrometer, and based on the principle of the electromagnetic force

torque feedback balance, Data acquisition and etc., this paper designed a new kind of LiBr

solution concentration automatic measurement system, built the corresponding experiment

system and tested it. The test results of the experiment system showed that, this new

system can measure the LiBr solution concentration accurately, conveniently and quickly.

The major works of this paper were as follows:

1. Principle research: This paper analyzed the principle of the concentration

measurement method of using the Hydrometer and designed this new kind of LiBr solution

concentration automatic measurement system, its key technologies are: the approximate

fitting of the relation equation of the LiBr solution concentration, proportion and

temperature by using the least squares method and the tested data we have; the

electromagnetic force torque feedback balance principle analysis, parameters calculatings

of the proportion sensor and the formulas deducing based on the specific experiment

system; the corresponding principles of the data acquisition module and etc.

2. The experiment system building for the solution proportion sensor and its

corresponding signal disposaling circuit: the solution proportion sensor is taking the

responsibility for catching the proportion sensing signals, the signals will be disposed by

the signal disposaling circuit, then one output will force the electromagnetic force to

balance the lever, the other ouput will be sent to the computer to be used for data

calculating and display pass through the data acquisition module. The corresponding works

include circuit designing, drawing the CAD drawings, the machining and purchasing of the

subassemblies, the combination of the subassemblies to be a system, system tests,

corresponding formulas deducing, parameters calculatings and etc.

3. Data acquisition and the GUI designing: This system uses two channels of the

USB-9211 data acquisition module to acquire the temperature signal and the proportion

signal. Then programming and signals disposing will be performed in the LabVIEW

platform to control the data acquisition process, the data display and the solution

concentration calculation.

4. The whole experiment system testing and adjusting: Connected the hardware part

and the software part to be an integrated system, tested it to make it perform the whole

process of the lever self- balance drived by the electromagnetic force well, made the

software can automaticly calculate and display the results based on the parameters of the

hardware and etc. In this part of working, I analyzed and corrected several encountered

specific problems. At last, I tested the finished system by using it to measure the

concentration of several LiBr solution swatches and the results are good.

This paper designed a new kind of LiBr solution concentration automatic

measurement system based on the principle of the electromagnetic force torque feedback

balance and built its corresponding experiment system. Both the principle research and the

test reaults showed that, this new designed system can perform the automatic measurement

of the LiBr solution concentration sucessfully.

The research and experiments not only lay the basic for the feasibility and the formal

use of this new LiBr solution concentration measurement system, but also provide some

methods and thoughts for developing other kinds of concentration measurement system.

Keywords: Lithium bromide aqueous solution, The solution proportion

sensor，signal disposaling, LabVIEW, Data acquisition

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................................................................................... 1

§1.1 课题来源及意义 ................................................................................................. 1

§1.2 国内外研究水平 ................................................................................................. 2

§1.3 本文的主要工作 ................................................................................................. 9

第二章溴化锂溶液浓度测量系统原理 ........................................................................... 11

§2.1 基本原理 ........................................................................................................... 11

§2.1.1 相关概念及背景知识 ............................................................................. 11

§2.1.2 系统组成及测量原理概述 ..................................................................... 13

§2.2 溴化锂溶液比重、浓度及温度关系式拟合 ................................................... 17

§2.3 LabVIEW 及数据采集 ......................................................................................22

§2.3.1 虚拟仪器及 LabVIEW ........................................................................... 22

§2.3.2 数据采集原理 ......................................................................................... 23

§2.4 本章小结 ........................................................................................................... 28

第三章比重传感器设计与搭建 ....................................................................................... 29

§3.1 比重传感器方案分析 ....................................................................................... 29

§3.2 比重传感器所用主要器件及其加工 ............................................................... 31

§3.2.1 杠杆机构的加工设计 ............................................................................. 31

§3.2.2 其它器件及其参数 ................................................................................. 33

§3.3 比重传感器平台搭建 ....................................................................................... 38

§3.4 本章小结 ........................................................................................................... 40

第四章硬件电路及温度采集设计 ................................................................................... 41

§4.1 硬件电路设计及搭建 ....................................................................................... 41

§4.1.1 电路设计流程 ......................................................................................... 41

§4.1.2 电路测试及修改 ..................................................................................... 45

§4.2 温度采集及实现 ............................................................................................... 48

§4.3 本章小结 ........................................................................................................... 51

第五章数据采集及操作界面设计 ................................................................................... 52

§5.1 数据采集卡 USB-9211 ...................................................................................... 52

§5.1.1 外观及参数 ............................................................................................. 52

§5.1.2 连接及电路 .............................................................................................. 54

§5.1.3 测量精度和最小化误差 ......................................................................... 55

§5.2 程序设计基础 .................................................................................................... 58

§5.3 程序设计及调试 ............................................................................................... 60

§5.3.1 温度采集模块 ......................................................................................... 61

§5.3.2 电压（比重）采集模块 ......................................................................... 63

§5.3.3 浓度计算部分程序设计 ......................................................................... 64

§5.4 本章小结 ........................................................................................................... 66

第六章总体平台搭建与实验研究 ................................................................................... 67

§6.1 浓度测量装置平台搭建 ................................................................................... 67

§6.2 效果测试及实验数据 ....................................................................................... 69

§6.3 系统性能分析及优化方案 ............................................................................... 70

§6.4 本章小结 ........................................................................................................... 72

第七章总结与展望 ........................................................................................................... 74

§7.1 总结 ................................................................................................................... 74

§7.1.1 主要工作 ................................................................................................. 74

§7.1.2 系统优点 ................................................................................................. 75

§7.2 展望 ................................................................................................................... 75

参考文献 ............................................................................................................................. 77

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................................. 80

致谢 ................................................................................................................................. 81

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

本课题来源于国家自然科学基金项目（50576056）“膜反转板式降膜热质传递过

程研究”。

随着工业的快速发展，工厂及汽车尾气等的废气排放到大气中的 CO2不断增加，

地球表面的温室效应日益严重，环境日益受到破坏。同时随着现代化的发展，人们对

居住环境的要求也越来越高，因而出现对制冷和空调工程的迫切需求。由于氟利昂工

质破坏大气中的臭氧层，直接给人体的健康造成危害，根据《关于破坏臭氧层物质的

蒙特利尔议定书》明文规定，氟利昂工质将逐渐被禁用，开发和应用清洁无污染的溴

化锂吸收式制冷将是制冷行业的热点。

溴化锂溶液是无色透明液体，无嗅、有咸苦味，化学稳定性好，价格低廉。用溴

化锂溶液作为吸收式制冷机的吸收剂是比较理想的[1]。目前溴化锂吸收式制冷机由于

一系列优点，使得这种制冷形式越来越受到青睐。

在溴化锂吸收式制冷机中以溴化锂水溶液作为吸收剂，水为制冷剂。水作为制冷

剂有许多优点：价格低廉、取之方便、汽化潜热大、无毒、无味、不燃烧、不爆炸等。

缺点是常压下蒸发温度高，而当蒸发温度降低时，蒸发压力也很低，蒸汽的比容又很

大。另外，水在 0℃就会结冰，因此，用它做制冷剂所能达到的低温仅限于 0℃以上。

自溴化锂吸收式制冷机诞生到现在，大多数吸收器的设计都采用降膜吸收形式，

其中又以喷淋管束式为主。这种降膜吸收的显著特点是能在较小的溶液流量和温差

下，获得较高的传热系数和热流密度。近年来，板式降膜技术由于造价低、换热效率

高、便于清洗等优点在工业应用中越来越受到青睐。无论是管内降膜还是管外降膜，

无论是喷淋降膜还是板式降膜，降膜吸收的效果是影响吸收器性能的主要因素，因此

吸收器内复杂的热质传递现象成为近几十年的研究热点[2～6]。

在膜反转板式降膜吸收过程中，溴化锂溶液吸收过程是一个传热传质同时进行的

复杂过程[7]，膜反转板式降膜吸收实验台如图 1-1 所示[8]。在分析传热传质特性时需

要进行溶液浓度测量。

溴化锂水溶液具有作为吸收剂的良好品质。溴化锂极易溶于水，不同的温度有不

同的溶解度。在常温下溴化锂溶液的饱和质量分数约为 60％。在一定温度下，当质

量分数超过饱和质量分数或质量分数一定，温度低于结晶温度时会有晶体析出。溴化

锂溶液的结晶温度与质量分数关系很大，质量分数略有相差时，结晶温度差别很大。

溴化锂溶液浓度电子测量系统研究

在进行溴化锂溶液降膜吸收试验，以及在溴化锂吸收式制冷机运行过程中，应该

特别注意溴化锂的溶解度，尽量避免溴化锂溶液的结晶。因为晶体数量达到一定程度

就会变成固体，使实验无法进行或影响制冷机的运行。溴化锂溶液浓度也会随着溶解

度的变化而变化。

图1-1 膜反转板式降膜吸收实验台照片

溶液浓度测量的误差取决于温度、比重测量系统的精度。传统由比重法测量溶液

浓度一般是先取样，然后再用液体比重计测量样品溶液的比重，用温度计测量被测溶

液的温度。最后查溶液浓度与比重、温度关系表得到溶液浓度。传统测量浓度方法操

作复杂，需要作业人员长时间职守岗位观测读数，并且由于是查表得到浓度值，因此

人为估计误差较大，测量误差与操作人员的技术水平、熟练程度有很大的关系，使得

取样溶液的测量数值精度得不到保障。

新的溴化锂溶液浓度自动测量系统引入了基于力矩平衡的电磁力反馈测量系统，

与传统的开环测量系统相比，测量误差小、精度高；温度测量采用热电偶传感器和高

转换精度的数据采集卡。使用该系统可以从 PC 端直接进行操作来读取溶液的浓度值。

因此，该测量系统具有较高的精度，实现便捷、精确、自动地测量液体的浓度。能够

满足制冷行业中溴化锂降膜吸收过程的需要，及其他相关领域的需求。

§1.2 国内外研究水平

目前国内外有很多种测量溶液浓度的方法[9]。常用的几种测量浓度方法有以下几

第一章绪论

种：

1. 比重计测浓度法

在进行溴化锂水溶液降膜吸收试验、以及在溴化锂吸收式制冷机运行过程中，溴

化锂水溶液浓度测量大都采用了传统的比重计法。这种方法操作不便，测量过程中容

易产生误差，而且不能实时自动控制，不适用于工业生产。

比重计法测量液体浓度多是先对溶液进行取样，然后再用液体比重天平测量液体

样品的比重。这种方法需要手动操作，人工观测读数，读数误差因人而异，不能自动

实时测量。

比重法测量溶液浓度时，先用液体比重天平测得溶液比重之后，再用温度计测量

被测溶液即时温度。最后根据所测量数值与 LiBr 水溶液比重等浓曲线平滑值表对照，

得到溶液浓度。该方法不能进行数据的自动采集与自动显示，难于实时自动控制。该

测量方法中所使用的 PZ-A-5 型液体比重天平如图 1-2 所示。

图1-2 PZ-A-5 型液体比重天平

2. 折射计法

折射计是一种测量液体浓度的仪器，它的原理是光通过任何液体都会产生折射，

光的折射随着液体浓度的增加成一定比例地增加。如果观察放置在一杯水中的铅笔，

铅笔顶端将会显得弯曲；如果在一个杯子中放置糖水并且做相同的实验，铅笔的顶端

应该显得更加的弯曲，这就是折光率现象的一个例子。

折射计采用新型的光学系统，利用了光折射的物理特性。光通过液体的折射率与

液体浓度具有一定的对应关系，经过换算来测量溶液的溶度，当溶液的密度增加，它

的折射率也相应地升高，折射计是利用棱镜特有的比溶液较高的折射率原理，通过换

溴化锂溶液浓度电子测量系统研究

算来测量试液的浓度或折射率。

折射率测量仪已经在自动化领域获得了成功的商业应用。折射率测量方法的主要

优点是没有运动部件，无需维护，这种测量方法响应时间快，无人为误差，更准确，

可重复性强，如图 1-3 就是一种折射计。

图1-3 便携式折射仪

这种检测仪器体积小，重量轻，造型美观，使用方便，于化工、食品、医疗、机

加工切削业、汽车等行业得到广泛应用。

3. 超声波检测法

超声波在线浓度仪是专为工业企业产品生产工艺过程中，液体配方或催化时液体

浓度的在线监测与控制而设计的。它是目前国际上最先进的测量模式和最新检测理念

相结合的高品质、低价位液体物理量检测仪器，可广泛应用于酿酒业、造纸业、矿产

业、石油化工、食用油加工、制糖业、食品配方、水处理、奶制品、饮料业、环保、

冶炼、制药厂、化妆品制造等生产工艺过程的检测与控制。可大幅度的节约原料与能

源成本，提高产品质量。

这是一种利用超声波在液体中速度与浓度的相互关系，通过声时测量去推算浓度

的一种方法。利用这种方法测量液体浓度的两种超声波在线浓度仪，型号分别为：

UH21X 和HUX，如图 1-4、图 1-5 所示。

图1-4 UH21X 超声波在线浓度仪

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摘要：

摘要本课题受国家自然科学基金项目（50576056）“膜反转板式降膜热质传递过程研究”资助。本文针对“膜反转板式降膜热质传递过程研究”中测量溴化锂水溶液浓度的需求，基于比重计法测量浓度的原理，利用电磁力反馈原理、数据采集等研究设计了溴化锂溶液浓度自动测量系统，并进行了相应实验平台的搭建和调试。利用实验搭建的装置进行溴化锂溶液样本的浓度测量表明，本装置可快速准确地实现溴化锂溶液的浓度测量，操作方便。论文所做的工作主要体现在以下几个方面：1.理论研究：分析了比重计法测量浓度的原理，利用力平衡式传感器的原理设计了溴化锂溶液浓度自动测量系统，其关键技术包括：利用最小二乘法及已有数据对溴化锂溶液浓度、比...

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