提高ERT电流源带负载能力的方法

1 引言

工业多相流检测中的电阻层析成像技术(ElectricalResiSTance Tomography,简称ERT)是多相流检测的一种高新技术。ERT通常采用电流激励、电压测量,在恒定电流激励下,场内介质的电阻率分布的变化通过场域边界上阵列传感器的感应电压表现出来,通过扫描边界电压, 再运用相应的成像算法, 便可重建场域内的介质分布。比起其他多相流检测技术,ERT 具有无辐射、可视化、低成本、可在线测量、信息丰富等优点 ,在多相流检测领域有很大的应用潜力。

ERT电流源应该具有以下特点:

(1) 电极在导电溶液中容易形成电池,从而在测量电极上产生直流电位差,进而使后续调理电路达到饱和,最终影响数据采集和成像。直流激励在电极上产生的电位差更大, 为了减弱“电池效应”的发生, 激励源通常采用交流电流源, 频率约为几十千赫兹, 有效值约为几毫安。

(2) 在测量过程中,ERT电场内的电阻率是随着不同相组分的变化而实时变化的,为了适应这种电阻率的变化,激励源应该具有足够大的带负载能力。

2 传统ERT电流源及其带负载能力测试

2.1 基于双运放传统ERT电流源电路

目前的ERT 系统都采用直接数字合成(DDS)芯片产生频率、幅度、相位数字可调的正弦电压,再经过电压控制电流源(VCCS)电路变成一个正弦电流,这个电流信号有效值不随负载的变化而变化, 是一个恒流源。

ERT恒流源在结构上普遍应用的是基于双运放的VCCS。传统的VCCS 原理简单,实用性强,电路结构如图1 所示。

图1 基于双运放的传统VCCS。

电路中的TL084 构成电压跟随器,使其正向输入端与输出端同电势,这样AD620 的输出电压Vo 通过电阻R 得到电流i。

　　因为TL084 属于FET 输入型运算放大器,输入端阻抗非常高,典型值是1012 Ω,而ERT 负载电阻一般只有几百到一千多欧姆, 所以产生的电流i 主要流向了负载端。只要在一定负载变化范围内保证AD620 的输出电压Vo 稳定,此电路就能产生恒定电流i。

2.2 传统ERT电流源带负载能力测试

下面以由AD620 和 TL084 组成的VCCS 为例做实际测试。电流产生电阻R 取3 9 0 Ω, 在电流源激励下,通过记录一组变化的负载值和负载上产生的相应的电压值, 我们可以测试恒流源的恒流特性和带负载能力,恒流源测试数据如表1 所示。

表1 传统VCCS 恒流特性测试

　　注:电压0.2(0.1)表示用示波器0.1V 档显示正弦幅度是0.

2V,电阻值采用ESCORT 3136A 四位半数字万用表测得。

从表1 恒流源测试数据看到, 测试中负载电阻从56.02 Ω变化到2695.5 Ω,通过测量交流电压值再利用欧姆定律算得交流电流值及其有效值。图2 是该恒流源电路的电流随着负载电阻变化的曲线, 从曲线可以看到,当负载大于1119.1 Ω后,电流明显变小。通过示波器可以观察到电流明显变小的原因: 负载电阻在大于1200 Ω后,AD620 输出电压Vo 开始变失真,正弦波波峰波谷变尖, 逐渐变成三角波。

图2 传统VCCS 电流随负载变化曲线。

通过测试发现,由AD620 和TL084 双运放组成的传统形式的VCCS 的最大负载约为1200 Ω。在ERT 电场中, 因为连续相和非连续相组分的不断变化, 恒流源的负载电阻是时刻变化的,而此恒流源只适用于变化的负载不超过1200 Ω的情形下。笔者设计的16 电极ERT 多相流管道在装满自来水后测得相邻电极的电阻约为1273 Ω,在这种情况下,此VCCS 就不太适用,需要提高其带负载能力。[p] 改进型ERT 激励源及其带负载能力测试#e#

3 改进型ERT 激励源及其带负载能力测试

3.1 ERT电流源带负载能力提高的原理

限制VCCS 带负载能力提高的原因是随着负载的增大运算放大器的输入或者输出端口电压超出了它们能够承受的范围。如图3 所示,在± 15V 供电的情况下,AD620 参考端的最大参考电压V ref= ± 13.4V,输出电压范围为 Vo =-13.4V～13.5V,TL084 的输入电压范围 V+ =Vcm= - 1 2 V～1 4 V ,输出最大电压为± 1 2 V ,即 Vr= ± 12V。

图3 基于双运放的VCCS 改进型电路。

通过增加反馈电路的方法对基于双运放传统型VCCS 做了改进,提高其带负载能力,改进型电路如图3所示,它与图1 所示电路的区别就是增加了R1、R2 两个反馈电阻。

下面从理论方面推导一下上述改进型电路提高恒流源带负载能力的原理,假设AD620 的增益G=1,根据放大器虚断、虚短的概念得到:

　　由上面两式消去 V r, 得：

　　选择电阻时我们令 R1 = R2 ,得到：

　　所以在改进的电路中：

　　未改进之前电路中：

　　对比6 式和7 式可知, 在改进型的电路中,放大器输入输出端及参考端的电压得到了“均衡”的分配,传统型电路中AD6 2 0 的输出端电压 Vo 和参考电压r V 更容易达到饱和从而产生失真,影响了电路的带负载能力。

3.2 改进型ERT电流源带负载能力测试

由式5 看出,改进型电流源要产生与原来相同大小的电流,R3 需要减少一半,它作为AD620 的负载电阻不能太小,否则影响恒流特性。所以改进型电路提高带负载能力的前提条件是保证R3 不能使波形失真。图3 中反馈电阻R1、R2 取值20K Ω,电流产生电阻R3 取200Ω, 采用同样的测试条件和方法, 恒流特性测试数据如表2 所示。

表2 改进型VCCS 恒流特性测试

图4 改进型VCCS 电流随负载变化曲线。

根据测试数据,改进型恒流源电路的电流随着负载电阻变化的变化曲线如图4 所示, 从曲线可以看到, 当负载大于16 91. 5 Ω后, 电流才有明显变小趋势。通过示波器观察发现当负载电阻大于1750 Ω时,AD620 输出电压V o 正弦波峰谷开始出现变形失真, 改进型VCCS 的最大负载约为1750 Ω对比两个恒流源电流随负载变化的曲线可以看到,改进型恒流源的确提高了带负载能力。

4 结束语

本文介绍了一种提高ERT 传统型双运放VCCS 带负载能力的方法, 通过增加反馈电路, 使放大器各端口电压得到更“均衡”的分配,提高了VCCS 带负载能力。

由AD620 和TL084 组成的VCCS 测试数据表明,恒流源最大带负载能力由原来的1200 Ω提高到1750 Ω。这种方法简单实用,仅仅在传统电路的基础上增加了两个反馈电阻,使VCCS 实用性更强。