CN104597328A - 一种防静电干扰的电容测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防静电干扰的电容测量电路及测量方法，其中测量电路包括第一信号发生器、第二信号发生器、电容电压转换模块、带通滤波器、信号放大器、模拟乘法器以及低通滤波器，电容电压转换模块包括电容传感器以及用于将电容传感器检测的电容转换为电压的转换模块，第一信号发生器与电容传感器激励电极连接，在转换模块输出端依次串联带通滤波器、信号放大器、模拟乘法器和低通滤波器，在模拟乘法器的另一信号输入端口连接第二信号发生器，第二信号发生器输出信号与第一信号发生器输出信号的频率相同且相位差为零。与现有技术相比，本发明能够克服电荷注入、零点漂移和测量对象为气固两相流动时的颗粒电荷干扰问题，因此不会引起测量偏差。

Description

一种防静电干扰的电容测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及一种电容测量电路，尤其是一种能防静电干扰的测量电路及测量方法。

背景技术

两相流系统广泛存在于能源、化工、电力及冶金等工业领域。随着现代工业的发展，对工业过程参数检测与控制要求越来越高，两相流动参数的准确测量对工业过程的安全高效运行以及环保具有重要的现实意义。电容法具有非接触、高可靠性和低成本等优点已成功用于两相流或多相流的相浓度测量，其基本原理是当流体通过电容极板形成的敏感电场时，流体混合物浓度(即等效介电常数)的变化将引起电极电容值相应的变化，这样使测量固相浓度问题转化为检测电容值的问题。

目前主流的电容检测方法主要有充放电法和交流法两种，具有不受杂散电容干扰的优点，但充放电法与交流法相比具有电荷注入和零点漂移问题，容易引起测量偏差。当测量对象是气固两相流动时，颗粒荷电现象将会导致传感器电极上感应出一定的电荷，从而在测量电路中产生一定的电压输出，这样势必会给电容测量带来一定的影响，有时甚至会使测量系统失效。尽管已经有研究表明颗粒荷电会影响电容测量结果的可靠性和准确性，但是已有的基于充放电法和交流法设计的电容检测电路均没有考虑颗粒电荷的影响，不具备抗电荷干扰的能力，所以目前仍缺乏降低或者克服电荷对电容测量影响的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有电容法用于气固两相流颗粒相浓度测量时测量结果受颗粒荷电影响的问题，而提供一种防止静电干扰提高测量可靠性和准确性的电容测量电路及测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种防静电干扰的电容测量电路，其特征在于：包括第一信号发生器、第二信号发生器、电容电压转换模块、带通滤波器、信号放大器、模拟乘法器以及低通滤波器，所述的电容电压转换模块包括电容传感器以及与电容传感器检测电极连接的用于将所述电容传感器检测的电容转换为电压的转换模块，所述的第一信号发生器与电容传感器激励电极连接，在所述的转换模块输出端依次串联所述的带通滤波器、信号放大器、模拟乘法器和低通滤波器，在所述模拟乘法器的另一信号输入端口连接所述的第二信号发生器，所述第二信号发生器输出信号与所述第一信号发生器输出信号的频率相同，所述第二信号发生器输出信号与信号放大器输出信号的相位差为零；所述带通滤波器的中心频率与所述第一信号发生的频率相同。

所述的转换模块包括一运算放大器、一电容和一电阻，所述电容和电阻串联在所述运算放大器的反向输入端和输出端之间，所述电容传感器检测电极连接在所述运算放大器的反向输入端。

所述的第一信号发生器和第二信号发生器均为DDS信号发生器。

一种防静电干扰的电容测量方法，其特征在于：通过所述转换模块将所述电容传感器检测的电容信号转换为含有电容信号和静电信号的电压信号；通过中心频率与第一信号发生器频率相同的带通滤波器对所述的电压信号中的电容信号进行提取；电容信号放大后经过模拟乘法器和第二信号发生器产生的参考正弦信号进行乘法运算，所得信号再经过低通滤波器即可得到反应电容信号大小的电压信号；通过电压信号得到所要测量的电容信号。

本发明提出的基于交流法的可消除颗粒电荷影响的电容测量电路及测量方法，使用电容电压转换模块将传感器电容转换为电压信号，其实质是电容信号和静电信号的叠加，然后通过一带通滤波器提取电容信号，电容信号适当放大后经过模拟乘法器和低通滤波器即可得到反应电容大小的电压信号，从而实现电容的测量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)与基于充放电原理的电容测量方法相比，本发明能够克服电荷注入、零点漂移和测量对象为气固两相流动时的颗粒电荷干扰问题，因此不会引起测量偏差；

2)相比于现有的基于交流法的电容测量，当测量对象为气固两相流时，本发明能够消除颗粒电荷对电容测量结果的影响，保证电容测量的可靠性和准确性；

3)本发明使用与任何形式的电容式传感器，且传感器可设计为非接触式测量，适合于恶劣的工业现场情况。

附图说明

图1是本发明测量电路的连接示意图。

具体实施方式

下面结合图1，对本发明做详细说明。如图1所示，本发明测量电路主要包括两个直接数字合成(Direct digital synthesizer，DDS)信号发生器、电容电压转换模块、带通滤波器、信号放大器、模拟乘法器和低通滤波器。电容电压转换模块包括电容传感器和转换模块。电容传感器的两个电极分别为激励电极和检测电极，与DDS信号发生器1的输出相连接的电极为激励电极，另外一个为检测电极。转换模块包括一运算放大器、一电容和一电阻，电容和电阻串联在运算放大器的反向输入端和输出端之间，述电容传感器检测电极连接在运算放大器的反向输入端。DDS信号发生器差生的信号的幅值、频率和相位均可调。

DDS信号发生器1所产生的正弦信号V_s施加在传感器的激励电极上，流过C_x的电流等于流过R_f和C_f的电流之和，即：

$\frac{V_s\left(t\right)}{\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_x}}=-(\frac{V_o\left(t\right)}{\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_f}}+\frac{V_o\left(t\right)}{R_f})$

整理可得放大器的输出电压为：

$V_o\left(t\right)=-\frac{\mathrm{j\ω}{R}_f{C}_x}{\mathrm{j\ω}{R}_f{C}_f+1}{V}_s\left(t\right)$

其中ω为信号的角频率，电路不受电极对杂散电容C_S1和C_S2的影响，具有较强的抗杂散电容能力。当|jωR_fC_f|＞＞1时，上式可表示为：

$V_o\left(t\right)=-\frac{C_x}{C_f}{V}_s\left(t\right)$

表明输出信号和激励信号的频率无关。

当传感器电极间存在电荷时，由于静电感应作用，在检测电极上将有感应电荷q产生，此时电极作为静电传感器，在电容电压转换电路中形成电流，若忽略传感器得电荷泄露，检测电极上的感应电流等于流过R_f和C_f的电流之和，即：

$\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}=-(\frac{V_o\left(t\right)}{\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_q{C}_f}}+\frac{V_o\left(t\right)}{R_f})$

其中ω_q为静电信号的角频率，整理可得：

$V_o\left(t\right)=-\frac{R_f}{j{\mathrm{\ω}}_q{R}_f{C}_f+1}*\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_q{C}_f+1/R_f}*\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}$

可以看出由于感应电荷引起的输出电压除了和电极上电荷的变化有关，还和R_f、C_f以及静电信号的频率有关。

根据静电场和电路的叠加定理，当采用电容式传感器测量气固两相流中固相介质体积浓度时，传感器信号检测电路输出电压V(t)等同于以上两种情况下输出的叠加，即：

V(t)＝V_o(t)+V_q(t)

为了便于描述，将V_o(t)称为“电容信号”，V_q(t)称为“静电信号”。

实际测量中，激励信号V_s的信号频率通常在1MHz数量级，而静电信号处于低频范围，一般不超过2kHz，因此在经过增益为k₁中心频率为f的带通滤波器后得到的信号V_f其实就是电容信号V_o被放大了k₁倍，假设信号放大器的增益为k₂，则其输出信号为：

$V_a\left(t\right)=k_1\·k_2\·V_o\left(t\right)=-\frac{C_x}{C_f}\·k_1\·k_2\·V_s\left(t\right)$

其中，DDS信号发生器2产生的正弦信号和信号放大器的输出信号的相位差为零。

此时信号V_a和DDS信号发生器2的输出信号V_r在模拟乘法器内进行乘法运算，且V_r的相位可以依据V_a的相位来设定，从而保证V_r和V_a的相位差为0，DDS信号发生器2和DDS信号发生器1所产生的正弦信号的幅值分别为A_r和A，频率相同为f且在1MHz数量级，则：

$V_m\left(t\right)=\frac{1}{S}\·\frac{C_x}{C_f}\·k_1\·k_2\·A\·\sin 2\mathrm{\πf}\·A_r\·\sin 2\mathrm{\πf}=\frac{C_x}{2S\·C_f}\·k_1\·k_2\·A\·A_r(1-\cos 4\mathrm{\πf})$

其中S为模拟乘法器的比例因子。可以看出V_m包括直流部分和频率为2f的信号，当V_m再通过增益为k₃的低通滤波器时，可得：

$V_c\left(t\right)=\frac{C_x}{2S\·C_f}\·k_1\·k_2\·k_3\·A\·A_r$

所以通过测量V_c的值则可根据下式计算电容的大小：

$C_x=\frac{2S\·C_f}{k_1\·k_2\·k_3\·A\·A_r}\·V_c\left(t\right)$

其中，S、C_f、k₁、k₂、k₃、A、A_r均为已知量。

Claims (4)

1.一种防静电干扰的电容测量电路，其特征在于：包括第一信号发生器、第二信号发生器、电容电压转换模块、带通滤波器、信号放大器、模拟乘法器以及低通滤波器，所述的电容电压转换模块包括电容传感器以及与电容传感器检测电极连接的用于将所述电容传感器检测的电容转换为电压的转换模块，所述的第一信号发生器与电容传感器激励电极连接，在所述的转换模块输出端依次串联所述的带通滤波器、信号放大器、模拟乘法器和低通滤波器，在所述模拟乘法器的另一信号输入端口连接所述的第二信号发生器，所述第二信号发生器输出信号与所述第一信号发生器输出信号的频率相同，所述第二信号发生器输出信号与信号放大器输出信号的相位差为零；所述带通滤波器的中心频率与所述第一信号发生的频率相同。

2.根据权利要求1所述的防静电干扰的电容测量电路，其特征在于：所述的转换模块包括一运算放大器、一电容和一电阻，所述电容和电阻串联在所述运算放大器的反向输入端和输出端之间，所述电容传感器检测电极连接在所述运算放大器的反向输入端。

3.根据权利要求1或2所述的防静电干扰的电容测量电路，其特征在于：所述的第一信号发生器和第二信号发生器均为DDS信号发生器。

4.一种基于权利要求1所述电容测量电路的电容测量方法，其特征在于：通过所述转换模块将所述电容传感器检测的电容信号转换为含有电容信号和静电信号的电压信号；通过中心频率与第一信号发生器频率相同的带通滤波器对所述的电压信号中的电容信号进行提取；电容信号放大后经过模拟乘法器和第二信号发生器产生的参考正弦信号进行乘法运算，所得信号再经过低通滤波器即可得到反应电容信号大小的电压信号；通过电压信号得到所要测量的电容信号。