电容层析成象系统中微小电容测量法
16 仪表技术与传感器1998年
电容层析成象系统中微小电容测量法
颜 华 王 师 邵富群
东北大学信息科学与工程学院 沈阳市 110006
【摘要】电容层析成象技术(ECT ) 是一种最早发展起来的过程成象技术。由于为重建图象所需测量的电容变化量相对于ECT 传感器的固有电容非常小, 总的杂散电容值又远大于待测电容, 因此ECT 对电容检测提出了极为严格地要求。本文介绍了ECT 系统中最常用的3种微小电容检测电路—充电 放电电路、带反馈补偿的交流测量电路以及自平衡电容测量电路, 。叙词:层析成象 电容 测量 电路 补偿
The M easurem en t of L ow i n Electr ical
System
, ang Sh i Shao Fuqun
Schoo l &Engineering , N o rtheastern U n iversity , Shenyang 110006.
:E lectrical capacitance tom ograp hy (ECT ) is one of the techn iques w h ich w ere firstly developed fo r p rocess tom ography . ECT p resen ts a p articu 2larly stirct dem and fo r cap acitance m easu rem en t becau se the capacitance changes to be m easu red fo r i m age recon structi on are very s m all relative to the ECT sen so r standing cap acitances , and the to tal stray cap aciance is m uch larger than the to be m easu red . In th is p ap er th ree typ es of low value capacitance m easu ring circu its , the charge discharge circu it , the A C m easu ring circu it w ith feedback com pen sati on , and the self -balancing capacitance m easu ring circu it are described , w h ich are m o st su itab le fo r the u se in ECT system , T heir advan 2tages and disadvan tages are also po in ted ou t .
Key W ords :Tom ogrphy , Cap acitance , M easu rem en t , C ircu it , Com pen sati on .
一、引 言
两相流(或多相流) 是一种广泛存在的混
合流动形式, 如石油工业中的油气、油水两相流, 化学工业中流化床反应装置中的气固两相流等。随着工业水平的不断提高, 对于计量、节能和控制等方面均提出更高的要求, 对
两相流参数进行测量的要求也越来越迫切。
电容层析成象技术(E lectrical cap acitance tom ograp hy , 缩写为ECT ) 是本世纪80年代中后期形成和发展起来的, 一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术。ECT 系统具有非侵入、结构简单、成本低、响应速度快、安全
第4期仪表技术与传感器 17
性能好(非辐射) 、适用范围广(理论上只要求各相介质有一定的介电常数差异) 等优点, 目前已在多相(或多组分) 流动、流化床以及内燃机内焰成象等方面获得初步应用。
数据采集ECT 系统可分为传感器系统、系统、图象重建及显示用计算机三部分。传感
器系统通常是由均匀安装在绝缘管道外壁的多对电容极板构成。一个N 极板的电容成象系统可构成N (N -1) 2对极板, 对应着N (N -1) 2个独立的电容测量值。数据采集系统测量任意一对极板间的电容, 并把该值馈入图象重建计算机。由于该值反映了管道内介电常数分布情况, 采用某种图象重建算法, 就可以给出被测对象介电常数分布的断层图。
由于为重建图象所需测量的电容变化量相对于ECT , , ECT —充电 带反馈补偿的交流测量电路以及自平衡电容测量电路, 并指出了它们的优缺点。
感器为例, 空管道时的固有电容值范围为6107fF ~01489pF (最小、最大值分别对应着相对极板和相邻极板) 。当用相对介电常数为216的聚苯乙烯珠充满管道时, 电容值变化量只有5147~7619fF 。如此小的电容值和电容变化是很难测量的。不仅如此, ECT 传感器中还存在3个主要的杂散电容源。一是连接电容极板与测量电路的屏蔽电缆(大约100pF m ) ; 二是选择极板工作模式为源或检测的c m o s 开关; 三是防止外电磁场干扰的屏蔽
罩。故总的杂散电容远大于系统的固有电容值, 且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电。因此ECT 。
) 、测量灵敏度、强的杂散电容抑制能力; (2) 能平衡系统的固有电容值, 只测量电容变化量;
(3) 快速的数据获取能力以适应流动成象的要求。
ECT 系统中最常用的3种C V 电路是带直流偏量补偿的充 放电电路、带反馈补偿的交流测量电路以及自平衡电容测量电路。
二、ECT 系统对电容检测电路的要求
以极板长度为10c m 的12极板ECT 传
三、充 放电电路
差动式充 放电电路如图1所示
。
图1 标有杂散电容C s 1、放电电路C s 2的差动充
(a ) 电路 (b ) 开关波形
C ——防止开关切换时尖峰脉冲使运放过载的平滑电容 C s 1、C s 2——源极板和检测极板与地间的等效杂散电容
每个工作周期由充电和放电两相组成。在充电相, 开关S 1、S 4闭合, S 2、S 3断开, 未知电容C x 的源极板被充电到电压V c , 充电电
流流入电流检测器CD 1, CD 1输出一负电压
在放电相, 开关S 2、V 1。S 3闭合, S 1、S 4断开, 未知电容C x 的源极板被放电到地, 放电电流由
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电流检测器CD 2流出, CD 2输出一正电压V 2。增益为K 的差动放大器对这两个电压求差, 输出一个与被测电容C x 成比例的直流信号:
V 3=K (V 2-V 1)
=2Kf V c C x R f +K (e 2-e 1)
(1)
间, 两端电势差近乎零, 故对C x 的测量也无影响。故该电路在原理上是抗杂散电容的。
充 放电电容测量电路可采用直流偏量补偿法来平衡固有电容值, 如图2所示。每个电极后接一个独立的充 放电电路, 其输出的直流信号经多路开关送入直流放大器放大, 并由差分放大器减去一偏移补偿信号以平衡其固有电容, 得到的电容变化量经可编增益放大器PGA , A D 转换器送入PC 机处理。所有极板组合对应的偏移补偿器及PGA 增益都是在系统初始标定时获得的并存储在PC 机中, 由微控制器在测量过程中设置
。
式中 f ——充 放电频率
e 1、e 2——电流检测器CD 1、CD 2的偏移输
出e 1、e 2主要来源C M O S 开关S 3、S 4的电荷注入, 即开关门控制信号通过开关的泄露, 而不是运放的失调电压。由于杂散电容C s 1的充放电电流不流经C x , 故对C x 的测量无影响。杂散电容C s 2接在运放输入的虚地点与地之
图2 放电电容测量电路
充 、
电路简单、成本低。其缺点主要是采用直流放大有漂移及C M O S 开关的电荷注入问题, 虽然e 1、e 2可相互抵消一部分, 但仍需在电路中周期性检测并补偿。充 放电电路已成功地应用于6、8、12电极传感器系统中, 典型分辨率是013fF 。
放电电路。当C s 1、C s 2的抑制原理同充 j 2Πf C f R f µ1时, 运放1输出交流电压为:
V o =i
j ΞC f R f +1(2) ≈i
C f
该电压经交流放大、解调、低通滤波器后输出一代表被测电容C x 大小的直流电压。由
式(2) 可知, 激励频率越高, 线性度越好, 一般f 可达500kH z 或1M H z , 受运放带宽的限制
。
四、带反馈补偿的交流电容测量电路
交流电容测量电路原理图如图3所示。V
i
(t ) 为正弦激励电压源, 该电路对杂散电容
图3 标有杂散电容C s 1、C s 2的交流电容测量电路原理图
交流电容测量电路可采用交流反馈法来补
偿固有电容值, 如图4所示。数字反馈信号DA C 转换成模拟量, 在一宽带四象限模拟乘法器中与来源于信号发生器的正弦信号相乘, 产生一幅度可变, 相位与施加于被测电容C x 相反的正弦信号。该信号施加于平衡电容C b 以平衡C x
第4期仪表技术与传感器
量值就只是电容变化量了
。
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中的固有电容值, 这样最后输出的模拟电容测
图4 带平衡反馈的交流电容测量电路
五、自平衡电容测量电路
用微控制器控制平衡过程的自平衡电容
测量电路(如图5所示) 可提供更高的测量精度。电路平衡过程类似于逐次比较A D 转换, DA C 的每一位从最高位到最低位依次被置为“1”, 如ADC 输出仍能保持为正, 则“1”保留, 否则该位置“0”。随着DA C 输出的增加, ADC 输出逐渐减少, 直至DA C 的最低位使ADC 输出由A 变成-B , 此时有:
C x =
N
A +B 2
式中 N ——DA C 位数
(D +
) (3)
D ——反馈到DA C 的二进制数值
自平衡电路可提供高达17位的高分辨率, 并具有高稳定性和高线性度(DA C 位数决定) 。多次平衡因而速度慢16或可采用这种
图5 自平衡交流电容测量电路
六、结束语
带直流偏量补偿的充电 放电电路、带反馈补偿的交流测量电路以及自平衡电容测量
电路, 都能平衡系统的固有电容值, 只测量电(上接第8页)
容变化量, 并具有强的杂散电容抑制能力。因而是ECT 系统中最常用的3种电容检测电
(参考文献略) 路。
(收稿日期:1997年10月31日)
五、结束语
本文利用光纤内传输光的模间干涉原
理, 研究了微压力检测的光纤传感器, 实验证明, 它不仅可以检测微压力, 诸如光纤径向压力、流体静压、晶体单轴应力、流体流速等参量; 而且对研究光纤内双模或多模干涉理论具有积极的意义, 进而为多参量同时检测的光纤传感器的实现提供参考。
参考文献
1 马建军等. 多参量同时测量的干涉型光纤传感器. 光学
学报, 1996; 16(8) :1163
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3 张国顺, 何家祥, 肖桂香. 光纤传感技术. 北京:水利电力
出版社, 1988
4 史锦珊, 郑绳楦. 光电子学及其应用. 北京:机械工业出
版社, 1991
(收稿日期:1997年5月6日;
修改稿日期:1997年11月11日)