油气润滑系统的ECT系统的设计

孙启国，陈超洲，杜 超

（北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144）

0 引言

电容层析成像（ECT）技术是20 世纪80 年代中期发展起来的一种过程层析成像技术，具有良好的工业应用背景[1]。ECT 技术主要运用多相流参数检测。如监测多相流的流动过程，实现流型辨识和计算分相含率等[2]。目前国内外关于ECT 系统在大管径的管道的两相流的检测中的运用已经做出了大量的研究工作，特别是在ECT系统的搭建上，取得了很多重要的成果[3～5]。然而对于小管径的管道的两相流的ECT 检测系统的研究，目前还没有相关文献被检索到。本文研究是将ECT 技术运用到油气润滑系统水平管道的两相流的检测中，搭建一套适合于油气润滑系统小管径的管道两相流检测的ECT系统。由于小管径的管道的直径小，相邻电极间距小，被检测电容的值和变化域变小，小管径的管道流体的流动速度比大管径的管道的流动性更快，要想实现实时成像，必须要求系统有更快的检测速度和响应速度。本文针对以上文问题，提出了一种带有电容补偿的电容层析成像系统，基本满足小管径的管道两相流的实时检测的要求。

1 系统的组成与分析

油气润滑的ECT 系统的检测电容较小，杂质电容和其他干扰对系统的影响特别明显。因此要想获得较为理想的检测电容值，必须对杂质电容和干扰源进行处理。本文运用一种带电容补偿功能的ECT 系统，对杂质电容和干扰源做过滤处理。系统的控制流程路如图1 所示，

从图1 可知，首先通过软件控制阵列电极开关的工作测量出耦合电容的大小，然后通过DA 转换器进入到差动增益补偿器中，对测量的电容进行补偿。这样就可以理论上去除杂质电容和干扰源对系统的干扰。

1.1 系统的硬件组成及各模块的分析

图1 ECT 系统控制流程图Fig.1 ECT flow chart of the control system

C/V 转化电路的设计与分析：由COMSOL 仿真软件可得油气润滑系统电容之变化为0.06～0.54pF 之间，因此采用分辨率更高的转换电路。图2 为交流的C/V 检测电路，其分辨率为0.04fF 左右，满足检测电路的精度要求，具有抗杂质电容、低漂移、高信噪比且不存在电荷注入效应等优点。

图2 交流C/V 转换电路的原理图Fig.2 Schematics of C/V AC conversion circuit

此电路的第一级放大为把电容值转换为电压值，且保持输出的相位不变；第二级放大的目的是将第一级输出电压放大，且输出的相位也无偏移。对电路进行分析，确定各个参数的值。令激励电压为：

则第一级输出电压Vmid为：

由第一级放大器输出的相位不变，可得，当jω0Cf1Rf1＞＞1，那么：

同理，可得第二级放大的输出电压Vout为：

当jω0Cf2Rf2＜＜1 时，

由式（2），（4），（5）可推得：

放大器输出的相位不变，可以推得：

输入信号的频率f=500kHz，则ω0=500kg·2π，由式（3）可知，Cx和杂质电容值叠加后应该与Cf1值相差不多；杂质电容一般在8pF 左右，Cx值前面已给出在0.06～0.54pF 之间，故Cf1值取10pF，又jω0Cf1Rf1＞＞1，取Rf1=10MΩ；将ω0、Cf1、Rf1带入式（7），可知，结合jω0Cf2Rf2＜＜1 可确定出Cf2=10pF，Rf2=1。对于R1参数的确定，可根据系统自身的特点和需要调节，本系统选择放大倍数为5 倍左右，取R1=1kΩ，这样C/V 转换电路的各个参数基本确定。

1.2 解调和滤波模块的设计与分析

在ECT 系统中，相敏解调电路的作用是将被测电容信息从C/V 转换后的交流信号中提取出来[6]，为了尽量电路中的抑制噪声信号，本文运用乘法解调来提取交流信号，其结构如图3 所示。图中选择参考信号与激励信号同频同相的电压信号，即Vrt=cos（ω0t+φ0），设激励信号经过系统相位偏移θ，输出电压为Vout=KAcos（ω0t+φ0+θ），式中K 表示增益放大倍数。同时考虑系统噪声信号n（t）的影响，则最后的Vout=KAcos（ω0t+φ0+θ）+n（t）。输出信号与参考信号送入相敏解调器后的信号为：

图3 解调和滤波模块的原理图Fig.3 Schematic of demodulation and filtering module

输出信号通过AD 采集后送入到DSP 中计算得到电容值并保存在RAM 中，用于图像的重建。

1.3 关键组成模块的电路仿真分析

C/V 转化电路是整个数据采集系统的核心，转换后输出信号的好坏对整个系统的影响很大，基于此本文对前面C/V 转换电路进行仿真分析，如图4 所示。图中加激励源为频率为500kHz，振幅为1 的正弦交流电。仿真后的图像如图5 所示。

图4 C/V 转换电路的仿真分析Fig.4 Simulation analysis of C/V conversion circuit

图5 转化电路仿真后的输出信号Fig.5 The output signal after conversion circuit simulation

从仿真结果可以看出，本文设计的C/V 转换电路输入与输出具有较好的线性特性，且最后输出的结果的相位发生变化很微小，输出的结果响应速度较快也比较稳定，基本上满足测量电路的需要。另外运用AC 交流小信号分析的方法，可以得到C/V 转换电路的频谱特性。如图6 所示。

图6 转换电路的AC 交流小信号分析Fig.6 AC small signal analysis of converter circuit

从仿真结果可以看出，当激励信号的频率在0.1MHz～0.5MHz 时，系统的响应速度较快，稳定性也较好。

2 补偿电容的测量软件分析

通过分析测量电路可知：实际进入测量电路的信号包含三个电容成分：极板间的静态电容、控制极板切换CMOS 模拟开关的耦合电容和反映管道介质变换的电容变换量。为了实现误差补偿，需要知道静态电容、耦合电容值。因为静态电容是由传感器的参数、介质油的介电常数等决定的，一旦传感器确定，内部介质确定，静态电容就确定了。所以对于某一个传感器，只需测量一次静态电容即可。而耦合电容会受温度、使用时间等外部因素的影响，所以在启动系统时，需要测量一次。

2.1 耦合电容的测量

根据耦合电容的相关理论分析[7]可知：当极板i 工作于检测模式，极板j 工作于激励模式，其它极板闲置接地时，极板i，j 的耦合电容Csij的值应为：Csij=（N－2）Cn+Cpi+Cpj。式中：N—极板的数目，测量具体步骤如下：①当所有的极板接地时，得到的电容值是C1=A1NCn；②当极板i 接激励电极，其它极板接地时，得到的电容值是C2=A2（（N－1)Cn+Cpi）；③当极板j 接检测电路，其它极板接地时，得到的电容值是C3=A3（（N－1)Cn+Cpj）；④通过前面的式子联立求解可得：。耦合电容测量模块的流程如图7 所示。

2.2 静态电容的测量

将测量电路的测量范围设置在静态电容范围，测量传感器28 个极板对的静态电容值。然后将这一组值，通过A/D 转换，保存到专门为静态电容值在DSP 内存开辟的数组中。静态电容的测量模块流程图如图8 所示。测量静态电容过程和测量电容变化量的过程相似，不同之处在于：

图7 耦合电容测量流程图Fig.7 Flow chart of coupling capacitance measurement

图8 静态电容测量流程图Fig.8 Flow chart of static capacitance measurement

（1）补偿值不同，测量静态电容时，采用耦合电容作为补偿值，而对于电容变换量，采用的是静态电容和耦合电容的和作为补偿值。

（2）传感器中的介质不同，测量静态电容时，管道内是油；测量电容变化量时，管道内是油水混合物，是随时间变化的。

所以静态电容的测量有两个步骤：①测量当时的耦合电容值，作为电容补偿值；②选择增益倍数等，测量管道内全为油，采用耦合电容作为补偿值时，输出静态电容值。

2.3 电容变换量的测量

电容的变换量的测量流程图如图9 所示。当系统进入电容变化量的测量时，测量步骤如下：①运行测量耦合电容程序，将测出耦合电容的数字量，存于内存的数组中；②将当次测量的耦合电容与保存在内存中的静态电容相加，作为补偿电容值；③在实测过程中，调出补偿电容值，通过D/A 转换成模拟量，在补偿电路中将其抵消；④选择适当的增益倍数，输出电容值变化量。

图9 电容变化量测量流程图Fig.9 Flow chart of capacitance different measurement

3 系统的评价

3.1 检测速度

极板开关转换时间为1500ns，放大器建立时间为550ns，通过二级放大电路的时间为1100ns，相敏解调和低通滤波转换时间为600ns[8]，所以8 个电极板对的数据采集时间为t1=28×（1500+1100+600）=89.6μs, 采用AD7492 采集数据，数据通过率为1MSPS，AD 转换的时间为t2=28×1/1M=28μs，完成一帧数据所需时间为t=t1+t2=117.6μs，则每秒可以采集8503.4 帧数据，基本能满足实时成像的需求。

3.2 抗杂质电容性能

通过在被测电容两端引入杂质电容，并通过仿真运算可以看出，杂质电容对输出的电压信号几乎没产生影响，因此该系统具有较好的抗杂质电容的性能。

3.3 系统稳定性能和动态响应性能

从C/V 转换电路的仿真结果可以看到，该系统具有较快速的动态响应性能且输出的结果较稳定。

4 结论

本文通过对整个ECT 系统的设计，提出了一种带有电容补偿功能的电容层析成像系统，通过对系统关键组成模块的仿真及评价，得出以下结论：①系统的C/V 转化电路具有抗杂质电容、低漂移、高信噪比且不存在电荷注入效应优点；②系统的检测速度和数据采集速度较快，基本能满足实时成像的需求；③系统自带电容补偿功能，能够理论上去除杂质电容和干扰源对系统的干扰。

[1]BECK M S, WILLIAMS, Process tomography: a European innovation and its application [J]. Meas. Sci. Technol., 1996，7.

[2]YANG W G, BECK M S, BYARS M. Electrical capacitance tomography－from design to applications[J].Measurement Control, 1995，11.

[3]郑伟军，王宝良，黄志尧，等.高速ECT 的数据采集系统设计[J].仪器仪表学报，2008，9.

[4]谢代梁，李海青.电容层析成像流行可视化系统研究[J]. 浙江大学学报，2002，1.

[5]何世均.电容层析成像系统的研究与应用[D]. 天津：天津大学，2005.

[6]YAN HUA. A low－cost performance capacitance data acquisition system for electrical capacitance tomography. The 6th international conference on measurement and control of granular materials, 2003.

[7]王兴.电容层析成像投影数据采集系统的研究[D]. 沈阳：沈阳工业大学，2002.

[8]王国玉，等.电工电子元器件基础[M]．北京:人民邮电出版社，2006．