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。

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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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