1 引言
工業多相流檢測中的電阻層析成像技術(ElectricalResiSTance Tomography,簡稱ERT)是多相流檢測的一種高新技術。ERT通常采用電流激勵、電壓測量,在恒定電流激勵下,場內介質的電阻率分布的變化通過場域邊界上陣列傳感器的感應電壓表現出來,通過掃描邊界電壓, 再運用相應的成像算法, 便可重建場域內的介質分布。比起其他多相流檢測技術,ERT 具有無輻射、可視化、低成本、可在線測量、信息豐富等優點 ,在多相流檢測領域有很大的應用潛力。
ERT電流源應該具有以下特點:
(1) 電極在導電溶液中容易形成電池,從而在測量電極上產生直流電位差,進而使后續調理電路達到飽和,最終影響數據采集和成像。直流激勵在電極上產生的電位差更大, 為了減弱“電池效應”的發生, 激勵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電場內的電阻率是隨著不同相組分的變化而實時變化的,為了適應這種電阻率的變化,激勵源應該具有足夠大的帶負載能力。
2 傳統ERT電流源及其帶負載能力測試
2.1 基于雙運放傳統ERT電流源電路
目前的ERT 系統都采用直接數字合成(DDS)芯片產生頻率、幅度、相位數字可調的正弦電壓,再經過電壓控制電流源(VCCS)電路變成一個正弦電流,這個電流信號有效值不隨負載的變化而變化, 是一個恒流源。
ERT恒流源在結構上普遍應用的是基于雙運放的VCCS。傳統的VCCS 原理簡單,實用性強,電路結構如圖1 所示。
圖1 基于雙運放的傳統VCCS。
電路中的TL084 構成電壓跟隨器,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。
因為TL084 屬于FET 輸入型運算放大器,輸入端阻抗非常高,典型值是1012 Ω,而ERT 負載電阻一般只有幾百到一千多歐姆, 所以產生的電流i 主要流向了負載端。只要在一定負載變化范圍內保證AD620 的輸出電壓Vo 穩定,此電路就能產生恒定電流i。
2.2 傳統ERT電流源帶負載能力測試
下面以由AD620 和 TL084 組成的VCCS 為例做實際測試。電流產生電阻R 取3 9 0 Ω, 在電流源激勵下,通過記錄一組變化的負載值和負載上產生的相應的電壓值, 我們可以測試恒流源的恒流特性和帶負載能力,恒流源測試數據如表1 所示。
表1 傳統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 四位半數字萬用表測得。
從表1 恒流源測試數據看到, 測試中負載電阻從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載電阻變化的曲線, 從曲線可以看到,當負載大于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VCCS 電流隨負載變化曲線。
通過測試發現,由AD620 和TL084 雙運放組成的傳統形式的VCCS 的最大負載約為1200 Ω。在ERT 電場中, 因為連續相和非連續相組分的不斷變化, 恒流源的負載電阻是時刻變化的,而此恒流源只適用于變化的負載不超過1200 Ω的情形下。筆者設計的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,需要提高其帶負載能力。改進型ERT 激勵源及其帶負載能力測試#e#
3 改進型ERT 激勵源及其帶負載能力測試
3.1 ERT電流源帶負載能力提高的原理
限制VCCS 帶負載能力提高的原因是隨著負載的增大運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 基于雙運放的VCCS 改進型電路。
通過增加反饋電路的方法對基于雙運放傳統型VCCS 做了改進,提高其帶負載能力,改進型電路如圖3所示,它與圖1 所示電路的區別就是增加了R1、R2 兩個反饋電阻。
下面從理論方面推導一下上述改進型電路提高恒流源帶負載能力的原理,假設AD620 的增益G=1,根據放大器虛斷、虛短的概念得到:
由上面兩式消去 V r, 得：
選擇電阻時我們令 R1 = R2 ,得到：
所以在改進的電路中：
未改進之前電路中：
對比6 式和7 式可知, 在改進型的電路中,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 更容易達到飽和從而產生失真,影響了電路的帶負載能力。
3.2 改進型ERT電流源帶負載能力測試
由式5 看出,改進型電流源要產生與原來相同大小的電流,R3 需要減少一半,它作為AD620 的負載電阻不能太小,否則影響恒流特性。所以改進型電路提高帶負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, 恒流特性測試數據如表2 所示。
表2 改進型VCCS 恒流特性測試
圖4 改進型VCCS 電流隨負載變化曲線。
根據測試數據,改進型恒流源電路的電流隨著負載電阻變化的變化曲線如圖4 所示, 從曲線可以看到, 當負載大于16 91. 5 Ω后, 電流才有明顯變小趨勢。通過示波器觀察發現當負載電阻大于1750 Ω時,AD620 輸出電壓V o 正弦波峰谷開始出現變形失真, 改進型VCCS 的最大負載約為1750 Ω對比兩個恒流源電流隨負載變化的曲線可以看到,改進型恒流源的確提高了帶負載能力。
4 結束語
本文介紹了一種提高ERT 傳統型雙運放VCCS 帶負載能力的方法, 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 帶負載能力。
由AD620 和TL084 組成的VCCS 測試數據表明,恒流源最大帶負載能力由原來的1200 Ω提高到1750 Ω。這種方法簡單實用,僅僅在傳統電路的基礎上增加了兩個反饋電阻,使VCCS 實用性更強。