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。
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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