CN104101578B - 一种用于气液两相流测量装置的红外检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于气液两相流测量装置的红外检测电路，包括依次连接的电压‑电流转换电路、采样保持电路、滤波电路和二级放大电路；所述采样保持电路输入端端与光源驱动信号延时电路输出端连接；所述光源驱动信号延时电路接收光源发出的光源驱动信号。本发明的电路结构简单、检测精度高、响应快、功耗低，稳定性好；不受光源驱动占空比影响且不受前级电路速率影响的特点，克服了现有电路的缺点。

Description

一种用于气液两相流测量装置的红外检测电路
技术领域
本发明涉及气液两相流测量与分析领域,特别是一种用于气液两相流测量装置的红外检测电路。
背景技术
目前，国内外气液两相流测量分析的方法主要有超声波测量法、电磁法、电容测量法和光学检测法。
光学检测法，红外光源通常采用恒流驱动，其功耗大、灵敏度低且红外光源寿命缩短。为提高光源的发射强度、增大测量灵敏度和降低功耗，光源需采用脉冲恒流驱动，但这导致探测器接收到的信号亦为脉冲信号，检测电路不能将此信号放大后直接输出供信号采集与处理设备使用。
通常红外光源脉冲驱动的探测器检测电路采用实用新型专利中200720047753.3中类似的整流与微处理器处理电路或发明专利201210275848.6中类似的积分与采集电路。
上述电路存在以下不足之处：
1、动态响应速度慢：输出为相邻的多个脉冲信号共同作用的结果；
2、受光源驱动占空比影响：占空比变化时，有效值或平均值变化，积分输出也会跟随变化；
3、前级电流-电压转换电路的电压转换速率影响输出：因前级输出脉冲电压无法瞬间达到稳定值，电压上升的时间和斜率均影响积分结果，从而影响后级输出；
4、电路复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种结构简单、检测精度高、响应极快、功耗低和稳定性好的用于气液两相流测量装置的红外检测电路。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于气液两相流测量装置的红外检测电路，包括依次连接的电流-电压转换电路、采样保持电路、滤波电路和二级放大电路；所述采样保持电路输入端与光源驱动信号延时电路输出端连接；所述光源驱动信号延时电路接收光源发出的光源驱动信号；所述电流-电压转换电路的输入端连接红外探测器，接收红外探测器发送的脉冲电流信号，然后将脉冲电流信号转换为与被测气液两相流含量相关的脉冲电压信号，并将所述脉冲电压信号输出至采样保持电路；所述光源驱动信号延时电路控制采样保持电路的工作状态，将输入到采样保持电路的脉冲电压信号扩展为平整的直流电压信号；所述采样保持电路将所述直流电压信号输出至滤波电路进行平滑滤波，再输入二级放大电路放大，得到幅值符合后级信号采集处理电路的平缓直流电压信号。
所述电流-电压转换电路采用电流-电压转换芯片OP07。
所述光源驱动信号延时电路采用CD4093芯片，所述CD4093芯片的第一与非门两个输入端均与所述光源输出端连接，所述CD4093芯片的第二与非门两个输入端接有一个电阻，所述电阻与所述第二与非门两个输入端之间并联有电容，所述电容接地；所述电阻与所述光源输出端连接；所述CD4093芯片的第一与非门输出端、第二与非门输出端分别与所述CD4093芯片的第三与非门两个输入端连接；所述CD4093芯片的第三与非门输出端与采样保持电路的输入端连接。
所述采样保持电路采用采样保持芯片LF398，所述采样保持芯片LF398控制端接有采样保持电容；当所述光源驱动信号延时电路输出的采样保持控制信号为高电平时，采样保持电容电压跟随电流-电压转换电路输出；当所述光源驱动信号延时电路输出的采样保持控制信号为低电平时，采样保持电容电压保持不变，将电流-电压转换电路输出的脉冲电压信号一个个地展宽为直流电压信号，从而消除脉冲电压信号的低电平部分。
所述采样保持电路的工作频率与光源的工作频率相同。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的电路结构简单、检测精度高、响应快、功耗低，稳定性好；具有不受光源驱动占空比影响且不受前级电路速率影响的特点，克服了现有电路的缺点。
附图说明
图1为本发明的应用于气液两相流分析的红外检测电路结构示意图；
图2（a）为红外探测器接收到的被测气液两相流吸收后的红外光；图2（b）为经电流-电压转换电路后的输出；图2（c）为采样保持电路的输出；图2（d）为滤波后的输出电压；图2（e）为经过二级放大后的电压；
图3为本发明的电流-电压转换电路原理图；
图4为本发明的光源延时电路原理图；
图5为本发明的采样保持电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例包括电流-电压转换电路，光源驱动信号延时电路，采样保持电路，滤波电路及二级放大电路。电流-电压转换电路输入端连接红外探测器，输出端输出与被测气液两相流含量相关的脉冲电压信号，输入到采样保持电路；光源驱动信号延时电路输出控制采样保持电路的工作状态，将输入到采样保持电路的脉冲电压信号一个个脉冲的扩展为较平整的直流电压信号；采样保持电路的输出经滤波电路平滑滤波后，再输入二级放大电路放大，得到幅值符合后级信号采集处理电路的平缓直流电压信号。
本发明电路的检测过程如下：
第一步：红外光源以2kHz，20%占空比发射脉冲红外光，红外探测器检测到经气液两相流吸收之后的脉冲变化的红外光信号，输出微弱的脉冲电流信号，发送给电流-电压转换电路；电流-电压转换电路将此微弱脉冲电流信号转换为脉冲电压信号。
第二步：光源延时电路采集光源驱动信号，延时1μs~10μs后输出至采样保持电路，控制采样保持电路与光源同频率的工作。
第三步：采样保持电路受光源延时电路的控制，工作频率与光源工作频率相同，光源驱动信号延时电路输出连接采样保持电路控制端，当信号为高电平时采样保持电容Ch电压跟随电流-电压转换电路输出，当信号为低电平时采样保持电容Ch电压保持不变，将电流-电压转换电路输出的脉冲一个个的展宽为直流输出，从而消除掉脉冲的低电平部分，原脉冲输出的低电平部分则保持红外光源工作时的电压；下一脉冲到来后，采样保持电路的输出立即变化为与此脉冲的输出相同；因此，具有响应极快、不受光源驱动占空比影响且不受前级电路速率的影响特点，克服了现有电路的缺点。
第四步：滤波电路和二级放大电路将采样保持电路的输出再平滑滤波和放大后输送给信号采集处理设备。
如图2，本实用新型的信号变化过程分为5个步骤，（a）为红外探测器接收到的被测气液两相流吸收后的红外光，因光源工作在脉冲状态，红外探测器的输出也为同频率的脉冲光电流；（b）为经电流-电压转换电路后的输出，红外探测器输出的脉冲光电流被转变为脉冲电压，频率仍与光源工作频率相同；（c）为采样保持电路的输出，经采样保持电路处理后，电流-电压转换电路输出的脉冲电压信号被一个个脉冲的展宽为直流输出，输出电压幅值与脉冲的高电平电压相同；（d）为滤波后的输出电压，采样保持电路输出的高频干扰被滤除，波形为更平缓的直流信号输出；（e）为经过二级放大后的电压，电压波形不改变，幅值达到后级信号采集处理设备的要求。
如图3，电流-电压转换电路采用电流-电压转换芯片OP07实现。
如图4，光源驱动信号延时电路采用CD4093芯片，所述CD4093芯片的第一与非门两个输入端均与所述光源输出端连接，所述CD4093芯片的第二与非门两个输入端接有一个电阻，所述电阻与所述第二与非门两个输入端之间并联有电容，所述电容接地；所述电阻与所述光源输出端连接；所述CD4093芯片的第一与非门输出端、第二与非门输出端分别与所述CD4093芯片的第三与非门两个输入端连接；所述CD4093芯片的第三与非门输出端与采样保持电路的输入端连接。
如图5，采样保持电路采用采样保持芯片LF398，所述采样保持芯片LF398控制端接有采样保持电容Ch。

Claims (5)

1.一种用于气液两相流测量装置的红外检测电路，其特征在于，包括依次连接的电流-电压转换电路、采样保持电路、滤波电路和二级放大电路；所述采样保持电路输入端与光源驱动信号延时电路输出端连接；所述光源驱动信号延时电路接收光源发出的光源驱动信号；所述电流-电压转换电路的输入端连接红外探测器，接收红外探测器发送的脉冲电流信号，然后将脉冲电流信号转换为与被测气液两相流含量相关的脉冲电压信号，并将所述脉冲电压信号输出至采样保持电路；所述光源驱动信号延时电路控制采样保持电路的工作状态，将输入到采样保持电路的脉冲电压信号扩展为平整的直流电压信号；所述采样保持电路将所述直流电压信号输出至滤波电路进行平滑滤波，再输入二级放大电路放大，得到幅值符合后级信号采集处理电路的平缓直流电压信号。
2.根据权利要求1所述的用于气液两相流测量装置的红外检测电路，其特征在于，所述电流-电压转换电路采用电流-电压转换芯片OP07。
3.根据权利要求1或2所述的用于气液两相流测量装置的红外检测电路，其特征在于，所述光源驱动信号延时电路采用CD4093芯片，所述CD4093芯片的第一与非门两个输入端均与所述光源输出端连接，所述CD4093芯片的第二与非门两个输入端接有一个电阻，所述电阻与所述第二与非门两个输入端之间并联有电容，所述电容接地；所述电阻与所述光源输出端连接；所述CD4093芯片的第一与非门输出端、第二与非门输出端分别与所述CD4093芯片的第三与非门两个输入端连接；所述CD4093芯片的第三与非门输出端与采样保持电路的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的用于气液两相流测量装置的红外检测电路，其特征在于，所述采样保持电路采用采样保持芯片LF398，所述采样保持芯片LF398控制端接有采样保持电容；当所述光源驱动信号延时电路输出的采样保持控制信号为高电平时，采样保持电容电压跟随电流-电压转换电路输出；当所述光源驱动信号延时电路输出的采样保持控制信号为低电平时，采样保持电容电压保持不变，将电流-电压转换电路输出的脉冲电压信号一个个地展宽为直流电压信号，从而消除脉冲电压信号的低电平部分。
5.根据权利要求4所述的用于气液两相流测量装置的红外检测电路，其特征在于，所述采样保持电路的工作频率与光源的工作频率相同。
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