CN108828261A - 用于气固两相流静电相关测速的调理电路及信号复原方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于气固两相流静电相关测速的调理电路，包括信号采集单元、信号调理单元和分析计算单元。信号调理单元包括依次相连的“T”型电阻网络的电荷转换电路、带通滤波电路和仪表放大器；所述的“T”型电阻网络的电荷转换电路，包括三个电阻、反馈电容和运算放大器；电阻R1和R2相互串联并接在运算放大器A的负向输入端Iin和信号输出端Vout之间，电阻R3的一端接在电阻R1和R2之间，另一端接在运算放大器A的正向输入端并与参考电压源Vref相连。本发明同时提供一种采用上述电路的信号复原方法。

Description

用于气固两相流静电相关测速的调理电路及信号复原方法
技术领域
本发明涉及一种用于气固两相流静电相关测速的调理电路及信号复原方法。
背景技术
在气力输送过程中，固体颗粒在管道中随流体的运动变得复杂，其中颗粒与颗粒和颗粒与壁面的碰撞不仅带来磨损问题，还会产生静电[1]-[2]。静电法是近十年来在国际上受到重视的一种颗粒参数测量方法。目前，内嵌式静电传感器结构简单，耐磨性好，广泛应用于颗粒静电测量。内壁嵌装式将电极安装于金属管道的内壁，MaJ[3]和QianX[4]采用了这种传感器结构。由于电极直接暴露于固体颗粒，因此，检测信号既包括静电感应电荷信号，又包括颗粒与电极接触产生的转移电荷信号。在时域分析上，转移电荷信号整体呈现单向偏置特性，与感应电荷信号的零均值特性有较大区别。静电感应电荷信号具有良好的零均值特性，且上下游信号的相似性良好，非常适合求解气固两相流的相关速度。但在实际测量中，感应电荷信号与转移电荷信号是耦合在一起的，将由内壁嵌装式传感器获得的信号简单地作为感应电荷信号进行处理，将影响到气固两相流相关速度检测的信噪比，甚至错失一些重要的信息[5]-[7]。将内壁嵌装式静电传感器的测量信号分解成感应电荷信号和转移电荷信号，可有利于提高相关测速的精确性[8][9]。
但是，目前针对内嵌式静电传感器的调理电路设计主要存在以下问题：
(1)由于调理电路参数选择不当及环境噪声的影响，内嵌式静电传感器调理电路输出信号的极值点分布不均匀，尤其是信号中包含过多的毛刺，引起波形失真现象，最终造成分解具有较大误差。
(2)过大的反馈电容易导致放大电路稳定性差、噪声大和响应时间变长等结果。
(3)由于电缆分布电容、外界电荷干扰和存在漏电阻等因素，导致了电荷转换时存在误差。
为避免波形失真，必须选择合适的调理电路参数，保证输出的静电信号有效地保留感应电荷信号。显然，这给气固两相流静电相关速度测量带来了新的挑战。
参考文献
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发明内容
针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术的不足，结合感应电荷信号的特点，提供一种用于气固两相流静电相关测速的调理电路，并基于调理电路，给出信号复原方法。本发明能够增加调理电路的信噪比，提高气固两相流静电相关测速的精度。本发明的技术方案如下：
一种用于气固两相流静电相关测速的调理电路，包括依次相连的“T”型电阻网络、带通滤波电路和放大电路，其中，所述的“T”型电阻网络作为电荷转换电路，包括R1,R2和R3三个电阻、反馈电容和运算放大器A，静电电极的输入信号接在运算放大器A的负向输入端Iin，电阻R1和R2相互串联并接在运算放大器A的负向输入端Iin和信号输出端Vout之间，电阻R3的一端接在电阻R1和R2之间，另一端接在运算放大器A的正向输入端并与参考电压源Vref相连。
采用所述的调理电路实现的信号复原方法，其特征在于，设“T”型电阻网络的等效阻值为Rf，用C0表示反馈电容，放大电路输出的信号经过数模转换后得到观测信号，用U0(k)和U0(k-1)表示观测信号的此时刻和上一时刻的值，采用如下传递函数将观测信号U0复原为Iin：
本发明针对静电感应电荷信号的特点，与现有调理电路相比具有以下优点：
(1)根据静电信号的频率带宽，完整地保留了静电感应电荷信号，并排除转移电荷及随机噪声的影响。
(2)采用“T”型电阻网络的电荷转换电路代替过大的反馈电阻，提高了放大电路的稳定性、降低了噪声以及降低了失调电压和漂移的影响。
(3)利用信号复原方法，消除了调理参数对静电感应信号波形的影响。
附图说明
图1是本发明的总体结构图。
图中标号说明：
1、静电电极 2、“T”型电阻网络的电荷转换电路
3、带通滤波电路 4、仪表放大电路
5、屏蔽盒 6、信号复原方法
图2是本发明的“T”型电阻网络电荷转换电路原理图。
图3是本发明的带通滤波电路原理图。
图4是本发明的仪表放大电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
参见图1，本发明的实施例提供一种用于气固两相流静电相关测速的调理电路，包括信号采集单元、信号调理单元和分析计算单元。其中信号采集单元中的静电电极1获取静电信号；信号调理单元，包括依次相连的“T”型电阻网络的电荷转换电路2、带通滤波电路3、仪表放大器4，将采集到的静电信号保留相应频段的感应信号，滤波并放大。经过调理后的信号输入到分析计算模块。分析计算单元利用调理电路离散化的电流信号传递函数进行信号复原，获得气固两相流的静电感应电荷信号。
其中，所述的“T”型电阻网络的电荷转换电路，采用三个电阻(R1,R2和R3)、反馈电容C0和运算放大器A构成。通常选用相同值的电阻R1和R2来平衡电路。电阻R1和R2相互串联并接在运算放大器A的负向输入端Iin和信号输出端Vout之间，电阻R3的一端接在电阻R1和R2之间，另一端接在运算放大器A的正向输入端并与参考电压源Vref相连。
所述的带通滤波电路，其中二阶有源低通滤波电路，包括：Ra1、Ra2、Ra3、Ra4和C1、C2、C3、C4及A2组成的电路；RC高通电路，包括：Ra5和C5组成。
所述的仪表放大电路，包括Ra6、Ra7、Ra8和C6、C7及仪表放大器A3组成。
所述的信号复原方法6，采用如下传递函数将观测信号U0复原为Iin，用Rf表示“T”型电阻网络的等效阻值，用C0表示反馈电容，用U0(k)和U0(k-1)表示观测信号的此时刻和上一时刻的值，
本发明的实施例中，“T”型电阻网络的电荷转换电路，在高阻抗电荷转换电路中，为获得较高的放大器增益，使电流-电压变换后的结果处于一个容易被测量的范围，反馈电容(Rf)必须取得很大，通常取值要到MΩ甚至GΩ量级，但是如果Rf取值太大，则要求放大器的输入电阻也相应的更大，否则对输入电流有很大的分流作用，也会加大输入偏置电流、失调电压和漂移的影响，产生比较大的运算误差；同时，Rf过大会使放大器的响应时间增长，影响快速变化电流信号的测量；Rf越大则产生的寄生电容和热噪声就越大，影响整个系统的测量精度和稳定性，甚至会引起自激振荡，可以使用如图2所示的“T”型电阻网络电荷转换电路来代替高阻值电阻将信号放大至mV(毫伏)级，而误差则降到最小。

Claims (2)

1.一种用于气固两相流静电相关测速的调理电路，包括依次相连的“T”型电阻网络、带通滤波电路和放大电路，其中，所述的“T”型电阻网络作为电荷转换电路，包括R1,R2和R3三个电阻、反馈电容和运算放大器A，静电电极的输入信号接在运算放大器A的负向输入端Iin，电阻R1和R2相互串联并接在运算放大器A的负向输入端Iin和信号输出端Vout之间，电阻R3的一端接在电阻R1和R2之间，另一端接在运算放大器A的正向输入端并与参考电压源Vref相连。
2.采用权利要求1所述的调理电路实现的信号复原方法，其特征在于，设“T”型电阻网络的等效阻值为Rf，用C0表示反馈电容，放大电路输出的信号经过数模转换后得到观测信号，用U0(k)和U0(k-1)表示观测信号的此时刻和上一时刻的值，采用如下传递函数将观测信号U0复原为Iin：
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