一種防靜電干擾的電容測量電路及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電容測量電路，尤其是一種能防靜電干擾的測量電路及測量方 法。
【背景技術】
[0002] 兩相流系統廣泛存在于能源、化工、電力及冶金等工業領域。隨著現代工業的發 展，對工業過程參數檢測與控制要求越來越高，兩相流動參數的準確測量對工業過程的安 全高效運行以及環保具有重要的現實意義。電容法具有非接觸、高可靠性和低成本等優點 已成功用于兩相流或多相流的相濃度測量，其基本原理是當流體通過電容極板形成的敏感 電場時，流體混合物濃度（即等效介電常數）的變化將引起電極電容值相應的變化，這樣使 測量固相濃度問題轉化為檢測電容值的問題。
[0003] 目前主流的電容檢測方法主要有充放電法和交流法兩種，具有不受雜散電容干擾 的優點，但充放電法與交流法相比具有電荷注入和零點漂移問題，容易引起測量偏差。當測 量對象是氣固兩相流動時，顆粒荷電現象將會導致傳感器電極上感應出一定的電荷，從而 在測量電路中產生一定的電壓輸出，這樣勢必會給電容測量帶來一定的影響，有時甚至會 使測量系統失效。盡管已經有研宄表明顆粒荷電會影響電容測量結果的可靠性和準確性， 但是已有的基于充放電法和交流法設計的電容檢測電路均沒有考慮顆粒電荷的影響，不具 備抗電荷干擾的能力，所以目前仍缺乏降低或者克服電荷對電容測量影響的方法。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是針對現有電容法用于氣固兩相流顆粒相濃度測量時 測量結果受顆粒荷電影響的問題，而提供一種防止靜電干擾提高測量可靠性和準確性的電 容測量電路及測量方法。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0006] 一種防靜電干擾的電容測量電路，其特征在于：包括第一信號發生器、第二信號 發生器、電容電壓轉換模塊、帶通濾波器、信號放大器、模擬乘法器以及低通濾波器，所述的 電容電壓轉換模塊包括電容傳感器以及與電容傳感器檢測電極連接的用于將所述電容傳 感器檢測的電容轉換為電壓的轉換模塊，所述的第一信號發生器與電容傳感器激勵電極連 接，在所述的轉換模塊輸出端依次串聯所述的帶通濾波器、信號放大器、模擬乘法器和低通 濾波器，在所述模擬乘法器的另一信號輸入端口連接所述的第二信號發生器，所述第二信 號發生器輸出信號與所述第一信號發生器輸出信號的頻率相同，所述第二信號發生器輸出 信號與信號放大器輸出信號的相位差為零；所述帶通濾波器的中心頻率與所述第一信號發 生的頻率相同。
[0007] 所述的轉換模塊包括一運算放大器、一電容和一電阻，所述電容和電阻串聯在所 述運算放大器的反向輸入端和輸出端之間，所述電容傳感器檢測電極連接在所述運算放大 器的反向輸入端。
[0008] 所述的第一信號發生器和第二信號發生器均為DDS信號發生器。
[0009] 一種防靜電干擾的電容測量方法，其特征在于：通過所述轉換模塊將所述電容傳 感器檢測的電容信號轉換為含有電容信號和靜電信號的電壓信號；通過中心頻率與第一信 號發生器頻率相同的帶通濾波器對所述的電壓信號中的電容信號進行提取；電容信號放大 后經過模擬乘法器和第二信號發生器產生的參考正弦信號進行乘法運算，所得信號再經過 低通濾波器即可得到反應電容信號大小的電壓信號；通過電壓信號得到所要測量的電容信 號。
[0010] 本發明提出的基于交流法的可消除顆粒電荷影響的電容測量電路及測量方法，使 用電容電壓轉換模塊將傳感器電容轉換為電壓信號，其實質是電容信號和靜電信號的疊 加，然后通過一帶通濾波器提取電容信號，電容信號適當放大后經過模擬乘法器和低通濾 波器即可得到反應電容大小的電壓信號，從而實現電容的測量。
[0011] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0012] 1)與基于充放電原理的電容測量方法相比，本發明能夠克服電荷注入、零點漂移 和測量對象為氣固兩相流動時的顆粒電荷干擾問題，因此不會引起測量偏差；
[0013] 2)相比于現有的基于交流法的電容測量，當測量對象為氣固兩相流時，本發明能 夠消除顆粒電荷對電容測量結果的影響，保證電容測量的可靠性和準確性；
[0014] 3)本發明使用與任何形式的電容式傳感器，且傳感器可設計為非接觸式測量，適 合于惡劣的工業現場情況。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明測量電路的連接示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合圖1，對本發明做詳細說明。如圖1所示，本發明測量電路主要包括兩個 直接數字合成（Direct digital synthesizer，DDS)信號發生器、電容電壓轉換模塊、帶通 濾波器、信號放大器、模擬乘法器和低通濾波器。電容電壓轉換模塊包括電容傳感器和轉換 模塊。電容傳感器的兩個電極分別為激勵電極和檢測電極，與DDS信號發生器1的輸出相 連接的電極為激勵電極，另外一個為檢測電極。轉換模塊包括一運算放大器、一電容和一電 阻，電容和電阻串聯在運算放大器的反向輸入端和輸出端之間，述電容傳感器檢測電極連 接在運算放大器的反向輸入端。DDS信號發生器差生的信號的幅值、頻率和相位均可調。
[0017] DDS信號發生器1所產生的正弦信號Vs施加在傳感器的激勵電極上，流過Cx的電 流等于流過&和C f的電流之和，即： Vs(t) V0 (t) V0 (t)
[0018] ~?~ ~ + j(.〇Cx J(X)CI
[0019] 整理可得放大器的輸出電壓為： J (i) Rf Cy
[0_ 副= +1防)
[0021] 其中ω為信號的角頻率，電路不受電極對雜散電容Csi和Cs2的影響，具有較強的 抗雜散電容能力。當|j?RfCfI >> 1時，上式可表示為：
【主權項】
1. 一種防靜電干擾的電容測量電路，其特征在于：包括第一信號發生器、第二信號發 生器、電容電壓轉換模塊、帶通濾波器、信號放大器、模擬乘法器以及低通濾波器，所述的電 容電壓轉換模塊包括電容傳感器以及與電容傳感器檢測電極連接的用于將所述電容傳感 器檢測的電容轉換為電壓的轉換模塊，所述的第一信號發生器與電容傳感器激勵電極連 接，在所述的轉換模塊輸出端依次串聯所述的帶通濾波器、信號放大器、模擬乘法器和低通 濾波器，在所述模擬乘法器的另一信號輸入端口連接所述的第二信號發生器，所述第二信 號發生器輸出信號與所述第一信號發生器輸出信號的頻率相同，所述第二信號發生器輸出 信號與信號放大器輸出信號的相位差為零；所述帶通濾波器的中心頻率與所述第一信號發 生的頻率相同。
2. 根據權利要求1所述的防靜電干擾的電容測量電路，其特征在于：所述的轉換模塊 包括一運算放大器、一電容和一電阻，所述電容和電阻串聯在所述運算放大器的反向輸入 端和輸出端之間，所述電容傳感器檢測電極連接在所述運算放大器的反向輸入端。
3. 根據權利要求1或2所述的防靜電干擾的電容測量電路，其特征在于：所述的第一 信號發生器和第二信號發生器均為DDS信號發生器。
4. 一種基于權利要求1所述電容測量電路的電容測量方法，其特征在于：通過所述轉 換模塊將所述電容傳感器檢測的電容信號轉換為含有電容信號和靜電信號的電壓信號；通 過中心頻率與第一信號發生器頻率相同的帶通濾波器對所述的電壓信號中的電容信號進 行提取；電容信號放大后經過模擬乘法器和第二信號發生器產生的參考正弦信號進行乘法 運算，所得信號再經過低通濾波器即可得到反應電容信號大小的電壓信號；通過電壓信號 得到所要測量的電容信號。
【專利摘要】本發明公開了一種防靜電干擾的電容測量電路及測量方法，其中測量電路包括第一信號發生器、第二信號發生器、電容電壓轉換模塊、帶通濾波器、信號放大器、模擬乘法器以及低通濾波器，電容電壓轉換模塊包括電容傳感器以及用于將電容傳感器檢測的電容轉換為電壓的轉換模塊，第一信號發生器與電容傳感器激勵電極連接，在轉換模塊輸出端依次串聯帶通濾波器、信號放大器、模擬乘法器和低通濾波器，在模擬乘法器的另一信號輸入端口連接第二信號發生器，第二信號發生器輸出信號與第一信號發生器輸出信號的頻率相同且相位差為零。與現有技術相比，本發明能夠克服電荷注入、零點漂移和測量對象為氣固兩相流動時的顆粒電荷干擾問題，因此不會引起測量偏差。
【IPC分類】G01R27-26, G01N27-22
【公開號】CN104597328
【申請號】CN201510013877
【發明人】李健, 許傳龍, 王式民
【申請人】東南大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月12日