一种防静电干扰的电容测量电路及测量方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。尽管已经有研宄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】
[0004] 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。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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】
[0015] 图1是本发明测量电路的连接示意图。
【具体实施方式】
[0016] 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。
[0017] DDS信号发生器1所产生的正弦信号Vs施加在传感器的激励电极上，流过Cx的电 流等于流过&和C f的电流之和，即： Vs(t) V0 (t) V0 (t)
[0018] ~?~ ~ + j(.〇Cx J(X)CI
[0019] 整理可得放大器的输出电压为： J (i) Rf Cy
[0_ 副= +1防)
[0021] 其中ω为信号的角频率，电路不受电极对杂散电容Csi和Cs2的影响，具有较强的 抗杂散电容能力。当|j?RfCfI >> 1时，上式可表示为：
【主权项】
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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01R27-26, G01N27-22
【公开号】CN104597328
【申请号】CN201510013877
【发明人】李健, 许传龙, 王式民
【申请人】东南大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月12日