1 引言
工業(yè)多相流檢測中的電阻層析成像技術(shù)(ElectricalResiSTance Tomography,簡稱ERT)是多相流檢測的一種高新技術(shù)。ERT通常采用電流激勵(lì)、電壓測量,在恒定電流激勵(lì)下,場內(nèi)介質(zhì)的電阻率分布的變化通過場域邊界上陣列傳感器的感應(yīng)電壓表現(xiàn)出來,通過掃描邊界電壓, 再運(yùn)用相應(yīng)的成像算法, 便可重建場域內(nèi)的介質(zhì)分布。比起其他多相流檢測技術(shù),ERT 具有無輻射、可視化、低成本、可在線測量、信息豐富等優(yōu)點(diǎn) ,在多相流檢測領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。
ERT電流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn):
(1) 電極在導(dǎo)電溶液中容易形成電池,從而在測量電極上產(chǎn)生直流電位差,進(jìn)而使后續(xù)調(diào)理電路達(dá)到飽和,最終影響數(shù)據(jù)采集和成像。直流激勵(lì)在電極上產(chǎn)生的電位差更大, 為了減弱“電池效應(yīng)”的發(fā)生, 激勵(lì)源通常采用交流電流源, 頻率約為幾十千赫茲, 有效值約為幾毫安。
(2) 在測量過程中,ERT電場內(nèi)的電阻率是隨著不同相組分的變化而實(shí)時(shí)變化的,為了適應(yīng)這種電阻率的變化,激勵(lì)源應(yīng)該具有足夠大的帶負(fù)載能力。
2 傳統(tǒng)ERT電流源及其帶負(fù)載能力測試
2.1 基于雙運(yùn)放傳統(tǒng)ERT電流源電路
目前的ERT 系統(tǒng)都采用直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生頻率、幅度、相位數(shù)字可調(diào)的正弦電壓,再經(jīng)過電壓控制電流源(VCCS)電路變成一個(gè)正弦電流,這個(gè)電流信號有效值不隨負(fù)載的變化而變化, 是一個(gè)恒流源。
ERT恒流源在結(jié)構(gòu)上普遍應(yīng)用的是基于雙運(yùn)放的VCCS。傳統(tǒng)的VCCS 原理簡單,實(shí)用性強(qiáng),電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 基于雙運(yùn)放的傳統(tǒng)VCCS。
電路中的TL084 構(gòu)成電壓跟隨器,使其正向輸入端與輸出端同電勢,這樣AD620 的輸出電壓Vo 通過電阻R 得到電流i。
因?yàn)門L084 屬于FET 輸入型運(yùn)算放大器,輸入端阻抗非常高,典型值是1012 Ω,而ERT 負(fù)載電阻一般只有幾百到一千多歐姆, 所以產(chǎn)生的電流i 主要流向了負(fù)載端。只要在一定負(fù)載變化范圍內(nèi)保證AD620 的輸出電壓Vo 穩(wěn)定,此電路就能產(chǎn)生恒定電流i。
2.2 傳統(tǒng)ERT電流源帶負(fù)載能力測試
下面以由AD620 和 TL084 組成的VCCS 為例做實(shí)際測試。電流產(chǎn)生電阻R 取3 9 0 Ω, 在電流源激勵(lì)下,通過記錄一組變化的負(fù)載值和負(fù)載上產(chǎn)生的相應(yīng)的電壓值, 我們可以測試恒流源的恒流特性和帶負(fù)載能力,恒流源測試數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 傳統(tǒng)VCCS 恒流特性測試
注:電壓0.2(0.1)表示用示波器0.1V 檔顯示正弦幅度是0.
2V,電阻值采用ESCORT 3136A 四位半數(shù)字萬用表測得。
從表1 恒流源測試數(shù)據(jù)看到, 測試中負(fù)載電阻從56.02 Ω變化到2695.5 Ω,通過測量交流電壓值再利用歐姆定律算得交流電流值及其有效值。圖2 是該恒流源電路的電流隨著負(fù)載電阻變化的曲線, 從曲線可以看到,當(dāng)負(fù)載大于1119.1 Ω后,電流明顯變小。通過示波器可以觀察到電流明顯變小的原因: 負(fù)載電阻在大于1200 Ω后,AD620 輸出電壓Vo 開始變失真,正弦波波峰波谷變尖, 逐漸變成三角波。
圖2 傳統(tǒng)VCCS 電流隨負(fù)載變化曲線。
通過測試發(fā)現(xiàn),由AD620 和TL084 雙運(yùn)放組成的傳統(tǒng)形式的VCCS 的最大負(fù)載約為1200 Ω。在ERT 電場中, 因?yàn)檫B續(xù)相和非連續(xù)相組分的不斷變化, 恒流源的負(fù)載電阻是時(shí)刻變化的,而此恒流源只適用于變化的負(fù)載不超過1200 Ω的情形下。筆者設(shè)計(jì)的16 電極ERT 多相流管道在裝滿自來水后測得相鄰電極的電阻約為1273 Ω,在這種情況下,此VCCS 就不太適用,需要提高其帶負(fù)載能力。改進(jìn)型ERT 激勵(lì)源及其帶負(fù)載能力測試#e#
3 改進(jìn)型ERT 激勵(lì)源及其帶負(fù)載能力測試
3.1 ERT電流源帶負(fù)載能力提高的原理
限制VCCS 帶負(fù)載能力提高的原因是隨著負(fù)載的增大運(yùn)算放大器的輸入或者輸出端口電壓超出了它們能夠承受的范圍。如圖3 所示,在± 15V 供電的情況下,AD620 參考端的最大參考電壓V ref= ± 13.4V,輸出電壓范圍為 Vo =-13.4V～13.5V,TL084 的輸入電壓范圍 V+ =Vcm= - 1 2 V～1 4 V ,輸出最大電壓為± 1 2 V ,即 Vr= ± 12V。
圖3 基于雙運(yùn)放的VCCS 改進(jìn)型電路。
通過增加反饋電路的方法對基于雙運(yùn)放傳統(tǒng)型VCCS 做了改進(jìn),提高其帶負(fù)載能力,改進(jìn)型電路如圖3所示,它與圖1 所示電路的區(qū)別就是增加了R1、R2 兩個(gè)反饋電阻。
下面從理論方面推導(dǎo)一下上述改進(jìn)型電路提高恒流源帶負(fù)載能力的原理,假設(shè)AD620 的增益G=1,根據(jù)放大器虛斷、虛短的概念得到:
由上面兩式消去 V r, 得：
選擇電阻時(shí)我們令 R1 = R2 ,得到：
所以在改進(jìn)的電路中：
未改進(jìn)之前電路中：
對比6 式和7 式可知, 在改進(jìn)型的電路中,放大器輸入輸出端及參考端的電壓得到了“均衡”的分配,傳統(tǒng)型電路中AD6 2 0 的輸出端電壓 Vo 和參考電壓r V 更容易達(dá)到飽和從而產(chǎn)生失真,影響了電路的帶負(fù)載能力。
3.2 改進(jìn)型ERT電流源帶負(fù)載能力測試
由式5 看出,改進(jìn)型電流源要產(chǎn)生與原來相同大小的電流,R3 需要減少一半,它作為AD620 的負(fù)載電阻不能太小,否則影響恒流特性。所以改進(jìn)型電路提高帶負(fù)載能力的前提條件是保證R3 不能使波形失真。圖3 中反饋電阻R1、R2 取值20K Ω,電流產(chǎn)生電阻R3 取200Ω, 采用同樣的測試條件和方法, 恒流特性測試數(shù)據(jù)如表2 所示。
表2 改進(jìn)型VCCS 恒流特性測試
圖4 改進(jìn)型VCCS 電流隨負(fù)載變化曲線。
根據(jù)測試數(shù)據(jù),改進(jìn)型恒流源電路的電流隨著負(fù)載電阻變化的變化曲線如圖4 所示, 從曲線可以看到, 當(dāng)負(fù)載大于16 91. 5 Ω后, 電流才有明顯變小趨勢。通過示波器觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載電阻大于1750 Ω時(shí),AD620 輸出電壓V o 正弦波峰谷開始出現(xiàn)變形失真, 改進(jìn)型VCCS 的最大負(fù)載約為1750 Ω對比兩個(gè)恒流源電流隨負(fù)載變化的曲線可以看到,改進(jìn)型恒流源的確提高了帶負(fù)載能力。
4 結(jié)束語
本文介紹了一種提高ERT 傳統(tǒng)型雙運(yùn)放VCCS 帶負(fù)載能力的方法, 通過增加反饋電路, 使放大器各端口電壓得到更“均衡”的分配,提高了VCCS 帶負(fù)載能力。
由AD620 和TL084 組成的VCCS 測試數(shù)據(jù)表明,恒流源最大帶負(fù)載能力由原來的1200 Ω提高到1750 Ω。這種方法簡單實(shí)用,僅僅在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)反饋電阻,使VCCS 實(shí)用性更強(qiáng)。