数字式溶液浓度测量系统研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 3.27MB 82 页 15积分
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摘 要
本文以“膜反转板式降膜热质传递过程研究”为背景，研究分析了溴化锂降膜热
质传递过程中溶液浓度的测量方法及特点，研究了数字式溶液浓度测量系统，并进行
了理论与实验研究。本论文的研究工作为膜反转板式降膜热质传递过程中溶液浓度的
准确快速测量与信息传输提供了理论与实践基础。论文所做的工作主要体现在以下几
个方面：
1. 查阅大量文献，分析和比较了几种浓度测量的方法，采用 PZ-A-5 型液体比重
天平对溶液浓度进行了高精度测量，分析了 PZ-A-5 型液体比重天平的结构，在此基
础上设计了基于力平衡式电磁力反馈原理的数字式溶液浓度测量系统，电磁力反馈测
量系统由以下几部分构成，分别为：浮子、杠杆、电涡流位移传感器、永磁体、电磁
线圈、桥路检测放大电路等构成。
2. 数据采集与传输：为方便溶液浓度与比重、温度关系软件的数值计算，我们
通过数据采集卡把电信号采集到计算机端，在 LabVIEW 平台上进行 G 语言编程建模，
通过传感器、数据采集卡等设备的连接来进行数据的采集与传输，实现温度及比重信
号的采集。
3. LiBr 水溶液比重等浓曲线平滑值的曲线拟合：根据 LiBr 水溶液比重等浓曲
线平滑值表格中数值的分析结果，认为表值在三维空间里可以近似的看成是一个平
面，将表格中的数据在 EXCEL 中进行三维曲面效果模拟，利用最小二乘估计对此曲面
进行近似的估计拟合及回归分析。
本论文对溴化锂溶液浓度进行了精确的测量，设计了基于力平衡式电磁力反馈原
理的溶液浓度测量系统。理论研究和实验结果均表明，所设计的数字式溶液浓度测量
系统能够实现溶液浓度的自动测量。
本文的研究为数字式溶液浓度测量系统的科学研究和实际应用提供了一定依据，
也为进一步开发浓度测量系统提供了一些方法和思路。
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。
关键词：溴化锂溶液 电磁力反馈系统 数据采集 最小二乘法 曲线拟合
ABSTRACT
Based on ‘The Research on the heat and mass transfer process of plate falling film
absorber with a film-inverting configuration’, this paper studied and analyzed
measurement method and characteristics of solution concentration in the process of LiBr
falling-film heat and mass transfer. It also studied the digital solution concentration
measurement system and made the theoretical and experimental research. The research of
this paper has provided theoretical and practical basis for solution concentration’s accurate
and rapid measurements as well as transmission of information in the process of the
research on the heat and mass transfer process of plate falling film absorber with a
film-inverting configuration. The major work of the paper was as follows:
1. The massive literature had been consulted while several kinds of concentration
measurement methods had been analyzed and compared. The PZ-A-5 Hydrometer had
finally been chosen to make a high-accuracy measurement of the solution concentration.
Its structure had been analyzed too. On the basis of these work, the digital solution
concentration measurement system was designed through the application of the
electromagnetic feedback force principle of torque balance. And the application of the
electromagnetic feedback force system consisted of the following: Float, Leverage, Eddy
Current Displacement sensor, Permanent magnet, Electromagnetic coil and the bridge
detection amplifier circuit, etc.
2. Data acquisition and transmission: In order to facilitate the numerical calculation
about the solution’s concentration, proportion and temperature by software, we collected
the signal to a computer terminal by DAQ card. Then, we carried on the G language
programming modelling in the LabVIEW platform. With the help of equipments like
sensors, data acquisition card and so on, data collection and transmission could be realized.
And the signal of temperature and proportion could be collected.
3. The curve fitting of LiBr aqueous solution proportion’s curve-smoothing value: In
accordance with the results by analyzing the value in the chart of LiBr aqueous solution
proportion’s curve-smoothing value, the value in the chart could be regarded as a similar
plane. After simulating 3D curve by EXCEL, Least squares method was used to make the
approximate estimate fitting and regression analysis.
Through this paper, LiBr solution concentration has been measured accurately.
Moreover, solution concentration measurement system has been designed which is based
on the electromagnetic feedback force principle of torque balance. Both the theoretical
research and the experimental results show that automatic measurement can be realized by
the digital solution concentration measurement system.
The research not only lays the basic on the scientific investigation and application of
the digital solution concentration measurement system, but also provides some methods
and advices on the further development of measurement system of the solution
concentration.
The Project 50576056 “Research on the heat and mass transfer process of plate falling
film absorber with a film-inverting configuration” is supported by National Natural
Science Foundation of China.
Keywords: Lithium bromide aqueous solution, The electromagnetic
feedback force system ，Data acquisition ，Least squares
method，Curve fitting
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
§1.1 浓度测量的国内外发展现状 ................................... 1
§1.1.1 目前该领域的国内外先进水平..................................................................1
§1.1.2 浓度测量的意义及概念 .................................. 7
§1.2 课题研究背景及意义 ......................................... 8
§1.3 本文的主要工作 ............................................ 10
第二章 数字式溶液浓度测量系统理论研究 ............................... 11
§2.1 测量系统硬件结构设计 ...................................... 11
§2.1.1 比重信号检测系统 ..................................... 11
§2.1.2 桥路与放大电路 ....................................... 18
§2.1.3 杠杆系统数值计算分析 ................................. 21
§2.2 数据分析及软件系统设计 .................................... 24
§2.2.1 溴化锂溶液比重等浓曲线拟合 ........................... 24
§2.2.2 温度采集系统理论研究 ................................. 26
§2.3 本章小结 .................................................. 47
第三章 系统通讯与 GUI 人机界面设计 ................................... 48
§3.1 温度采集系统的实现方案 .................................... 48
§3.1.1 创建 LabVlEW 图形化用户界面 .......................... 48
§3.1.2 温度采集系统的软件设计 ............................... 51
§3.2 GUI 人机用户界面 ........................................... 55
第四章 曲线拟合及浓度测量实验研究 ................................... 58
§4.1 溴化锂水溶液的性质 ........................................ 58
§4.1.1 无水溴化锂的一般特性 ................................. 58
§4.1.2 溴化锂溶液的物理性质 ................................. 59
§4.1.3 其他性质 ............................................. 59
§4.2 密度和温度的关系 .......................................... 60
§4.3 LiBr 水溶液比重等浓曲线平滑值拟合过程 ...................... 62
§4.3.1 LiBr 水溶液比重等浓曲线平滑值表数据分析 .............. 62
§4.3.2 Excel 处理数据 ....................................... 64
§4.4 最小二乘法拟合平面公式 .................................... 66
§4.5 本章小结 .................................................. 70
第五章 实验研究分析 ................................................. 71
§5.1 课题研究中遇到的问题 ...................................... 71
§5.2 浓度测量实验可行性 ........................................ 72
第六章 总结与展望 ................................................... 73
§6.1 总结 ...................................................... 73
§6.1.1 应用效果效率 ......................................... 73
§6.1.2 系统可靠性好 ......................................... 74
§6.1.3 系统灵活性强 ......................................... 74
§6.2 展望 ...................................................... 74
参考文献 ............................................................ 75
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 78
致 谢 .............................................................. 79
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 浓度测量的国内外发展现状
在科学实验、环境监测和产品制造过程中，根据工艺要求，需要对一些影响产品
质量的物理量进行检测，进而进行分析、控制，使那些处于自然态的物理参数，如温
度、湿度、压力、流量、比重、浓度、物位、密度、浓度等许多与产品有关的量值处
于人们的监视状态下。因此对于其中之一的液体浓度的实时测量在很多方面都是必不
可少的，浓度的测量研究在一些领域的科学实验中、特性分析中是十分重要的。
在生产过程中，为了节约原料与能源成本，提高产品质量也非常注重对于液体浓
度的测量，例如酿酒业、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、环境保护、冶炼、制药、化妆品制造等等。
§1.1.1 目前该领域的国内外先进水平
目前国内外有很多种测量溶液浓度的方法[1]。常用的几种测量浓度方法有以下几
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 1-1 所示。
数字式溶液浓度测量系统研究
2
图1-1 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
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 1-2 就是一种折射计。
图 1-2 便携式折射仪
第一章 绪论
3
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 1-3、图 1-4 所示。
图1-3 UH21X 超声波在线浓度仪
图1-4 HUX 超声波在线浓度仪
超声波在各种液体中的传播状态随温度、压力、和介质混合单元数、单元比浓度
的不同而变化，多普勒参数是上述因素的有限元多次方程，在不同工艺精度要求下，
数字式溶液浓度测量系统研究
4
可简化为 N元三次～四次方程。超声波的多普勒参数在各种液体中及不同的温度、
压力、混合元数、单元浓度条件下将随液体的浓度不同而改变，超声波或浓度仪通过
精确的测定这些参数，并进行精确计算，即可直观显示相应液体及单元浆体液体的浓
度变化，并可根据工艺精度要求在远程仪表上预置报警点或闭环控制。
为便于自动记录和微机控制，仪器配有计算机接口，并且全部采用光电隔离，具
有较强的抗干扰性能，用石英振荡器提供的时间讯号作为测量的标准，能够保证极高
的测量精度。应用超声波浓度检测仪能实现对各类单元液体反应过程的长时间连续在
线监测，对保证长期连续安全生产，提高产品质量，提高经济效益具有重要意义。
4. 利用光纤探头检测液体浓度
利用弯曲光纤探头作为传感器件来测量液体浓度，并使用单片机进行控制和数据
处理，实现了系统的智能化。这种检测方法是以光纤弯曲损耗为原理，采用拟合技术
得到系统输出的电压信号同浓度的解析函数，对于工程实际应用具有实用性参考价
值。
光在光纤中稳定传输满足全反射条件，即入射角
)(
大于临界角
)( c
。当光纤弯
曲时，部分光线因入射角
)'(
小于
)( c
而通过界面透射出去，如图 1-5 所示。若将光
纤绕成一定直径的螺线管状，传输光线将连续发生透射，导致传感光强的衰减。对给
定的光纤材料，出、入光强
)( 0
II、
之间有如下关系
])(exp[ 20 lnrII
(1-1)
式中，
是衰减系数，它同光纤弯曲半径
)(r
、入射光波长
)(
、包层折射率
有关；
l
是弯曲光纤的长度。
如果将光纤包层去掉，并浸入检测液体中，则
2
n
代表液体折射率。在保持
、
r
、
l
不变的条件下，光强的变化与液体的折射率变化，即与液体浓度
)(C
变化相关。
图1-5 光纤弯曲损耗示意图
摘要：

摘要本文以“膜反转板式降膜热质传递过程研究”为背景，研究分析了溴化锂降膜热质传递过程中溶液浓度的测量方法及特点，研究了数字式溶液浓度测量系统，并进行了理论与实验研究。本论文的研究工作为膜反转板式降膜热质传递过程中溶液浓度的准确快速测量与信息传输提供了理论与实践基础。论文所做的工作主要体现在以下几个方面：1.查阅大量文献，分析和比较了几种浓度测量的方法，采用PZ-A-5型液体比重天平对溶液浓度进行了高精度测量，分析了PZ-A-5型液体比重天平的结构，在此基础上设计了基于力平衡式电磁力反馈原理的数字式溶液浓度测量系统，电磁力反馈测量系统由以下几部分构成，分别为：浮子、杠杆、电涡流位移传感器、永磁体...

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