背景原理探针等效探针选择和标定电路原理.docx
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背景原理探针等效探针选择和标定电路原理
1、背景
2、原理
3、探针等效图
4、探针选择和标定
5、电路原理图
6、电路特性曲线
7、仿真
8、实验数据和结果
确定U和f，每次插入1mm，看输出，算精度。
9、结论
本文设计并制作了测量持液率的双平行电导探针（驱动电路）
Thetwo-parallelelectronicconductanceprobesaredesignedanddevelopedformeasuringtheliquidholdup.
1、背景：
液膜厚度的测量是研究界面波及含液率的基础。
目前液膜厚度的测量方法主要有电导法、电容法、射线法和高速摄影法。
电容法由于测量精度的缘故，目前已基本不采用，射线法和高速摄影法由于对操作者有严格的要求，应用的也不普遍。
电导法是目前比较常用的方法。
而采用双平行电导探针测量气液两相流的液膜厚度是切实可行的。
研究的内容就是基于双平行电导探针驱动电路的设计与实现。
通过理论分析设计并制作了测量气液两相流持液率的双平行电导探针驱动电路。
2、测量原理
双平行电导探针的测量原理：
在流体成分和温度不变的情况下,导电流体的电导率是固定的，两探针之间液膜的电导随液膜高度的变化而变化，并且有确定的关系。
通过适当方法测量该位置的电导，并通过对探针标定，就可以得到液膜高度。
对于流体成分和温度固定的导电流体，其电导率是固定的。
根据电导定义[A]，其表达式为
式中
为电导；
为电阻；
为电阻率；
为导体有效面积；
为导体有效长度；
为电导率。
探针结构示意图见图？
，由图？
知，导体有效长度
为2个电极之间的距离。
通电电极在流体中形成电场，电力线主要分布在两极之间，导体有效面积
可以用浸入流体中的电极有效面积近似。
电极间距离不变，故导体有效面积
与流体液膜高度
成正比。
由于电导率
和电极之间的距离
均为常数，所以，电极之间的流体电导
正比于导体有效面积
，因而正比于流体液膜高度。
保持通电电极两端的电压不变，根据欧姆定律，流过电极的电流与两极间流体电阻成反比，即与两极间流体电导成正比，因此，电极电流与流体液膜高度成正比。
电导探针测量电路的输出信号就反映了流体液膜高度的变化。
[A]胡宗定,王一平.工程电导测试技术[M].天津:
天津大学出版社,1990.1-40.
事实上，直接测量的探针电极两端的电导中除了流体电导外还包括电极的电导和容纳值。
图？
为电导探针电极等效图。
电极与流体中剩余电荷相互作用，会在接触面形成双电层，双电层的建立是带电粒子通过两相界面迁移的结果[B]
[B]胡茂圃.腐蚀电化学[M].北京:
冶金出版社,1991.50-54.
由于有双电层容抗的存在，当直流电通过流体时，测量的流体电阻会存在相当大的误差。
为了避免上述误差，需要采用交流电作为激励，一般来说,从降低极化作用的观点出发，提高激励的频率是有利的。
但频率太高时，较长引线产生的引线电容值将增加很多，造成较大的激励电流由此旁路流过，引起很大的测量误差。
根据实验，激励的频率在100kHz左右比较合适。
电导测量对交流激励信号的波形没有太高要求，只要求波形的正半周与负半周对称。
3、探针等效图。
4、探针选择和标定
为了弄清电导探针的输出信号与持液率之间的定量关系，在探针使用前必须对其进行标定。
电导探针测量液膜高度的原理在于液膜电阻与探针输出信号在一定的环境条件下（温度和压力变化不大）存在必然的联系。
但目前双平行电导探针的理论还不成熟，因此在使用前必须进行标定，以获得液膜厚度与输出电压的关系。
同时由于温度、压力等条件的变化，探针在使用过程中必须消除液体电导率变化所带来的误差。
为解决这一问题，在实验中利用一参考探针来消除液体电导率对液膜测量的影响。
此探针两电极用直径0.1mm的铂丝制作，两极间距离为2mm。
参考探针安装在实验段的后部,它使用的处理电路与测量液膜厚度的探针使用的信号处理电路完全相同,只是参考探针所测量的液膜厚度是恒定的（4mm），因此其输出信号的变化就反映了液体电导率的变化。
用于液膜厚度测量的探针的输出除以参考探针的输出而变成无量纲量，一旦测量探针标定成其无量纲输出与液膜厚度的定量关系，流体的电导率就与标定曲线没有任何关系，这样也就消除了实验过程中由于液体电导率变化而引起所测液膜厚度的误差。
研究发现，探针之间的距离与探针的直径大小是降低探针衰减影响的重要因素。
电极直径的选择是探针设计能否成功的关键。
一方面,电极直径应足够大以使其电阻与液膜电阻相比为最小；另一方面又应当足够小以尽量减小对流动的干扰。
下面两个流体效应决定电极直径的选择：
第一是电极直径应足够小以使之对电极产生的振动可以忽略；第二是界面效应可以忽略不计。
探针两电极之间的间距也是探针设计的关键,间距越大，探针分辨率越低，但二者之间的干扰较小；相反，间距越小，探针的空间分辨率越高，但此时两电极之间的干扰越大。
因此应当根据实际电极直径，加工精度以及测量精度，适当选择两电极的间距。
根据以上的分析，同时考虑实际加工限制，在本实验中，探针电极选用直径0.1mm的铂丝（低电阻特性）,探针两电极之间的距离为1.5mm（加工限制）,在探针装加过程中两电极用砝码（150g）拉伸以增加其内部应力,从而提高电极的固有频率,以减小由于液体中的旋涡所引起的电极振动。
目前双平行电导探针的理论还不太成熟，因此在使用前必须进行标定，以获得液膜厚度与输出电压的关系。
5、电路原理图
探针的输入信号来源于一外部信号发生器的正弦信号。
利用此信号作为载波信号，为了获得液膜厚度与探针输出的定量关系，须对探针输出信号进行解调，为此设计制作了探针输出信号的处理电路，如图。
此电路由以下4部分组成：
（1）电流/电压转换；
（2）全波整流；（3）放大电路；（4）二阶低通滤波；经过这4部分最后可得到反映液膜高度的直流电压信号。
各部分功能如下：
A：
电流/电压转换
对于把物理量变换为微弱电流的传感器，需要经过电流到电压的变换再进行放大。
仅用电阻来构成电压-电流转换是不切实际的，因为常不能提供较大电流，比较实用的办法是用一块运放和一个高阻值反馈电阻构成，如图？
所示。
在忽略放大器静态偏流情况下，则：
为减小输入偏流的影响最好场效应晶体管作为输入级的混合型运放。
如选用OP07。
B：
全波整流
经过分析比较，最后选择高精度有源整流方案，电路图如见图？
所示。
选择有源整流的原因：
整流元件用的是二极管，而二极管是一个非线性元件，特别是在小信号的情况下，这种非线形尤其严重。
从理论上分析，二极管在放大器的反馈支路上，其非线形可得到一定的克服。
理由是，小信号先被运算放大器放大了近A0倍（开环增益），然后再送给二极管，这使二极管导通时的开启电压相对应地减少了A0倍，这样就可明显扩大线性范围。
该整流电路的工作原理是：
由于A2接成电压跟随器的形式，所以它的输出波形是正弦波形。
U2通过二极管D3之后只剩正半波A1、D1、D2、R1、R2、R3组成负半波整流的电路形式，两者的输出信号相位相差正好是180，则两者的迭加波形输出正好就是全波了。
整流过程中各点波形见图？
：
为了得到对称的整流输出波形，需要R1=R2匹配，而R4=R5是为了减小放大器偏置电流的影响，它们的失配仅影响电路的平衡。
D1、D3处于反馈回路中，正向压降对整流电路灵敏度的影响被减小A0倍（A0为运算放大器的开环放大倍数），因此不会引入较大的误差。
D2、D4的作用分别是防止运算放大器A1、A2在D2、D断开时进入饱和，使输入信号的下半周到来时，电路能立即工作。
该电路既有较高的输入阻抗，又具有较高的抗干扰能力。
需要注意的是在选择整流二极管上，最后选用硅管。
原因是硅管的正向电阻大，所产生的正向压降大，使之在小信号的情况下，有一定的补偿；另外温度稳定性好。
其次适当地调整失调电压和各级放大器的外接电阻也可以在一定程度上补偿小信号的非线形。
C:
信号放大
该部分的主要功能是通过调节适当的放大倍数来实现不同的量程需要。
D:
低通滤波
大多数的工业用传感器信息变化是很慢的，典型的仅为10Hz左右，本设备测量的分层流和环装流界面波信号频率一般小于25Hz，而干扰的噪声频谱则分布在比较高的频段，故采用低频增益为1的二阶低通有源滤波器。
原理图如图？
所示。
滤波器的截止频率不宜选择太高，因截止频率愈低，愈能有效地抑制噪声干扰。
Kang&Kim（1992）研究认为：
对于100kHz的信号，5kHz的截止频率不会对频率小于1kHz的任何信号引入明显的变形和扭曲。
而分层流和环状流界面波信号频率一般小于25Hz，所以5kHz的截止频率对界面波没有影响[C]。
故本低通滤波器的截止频率选为5kHz。
如图？
，若取
，
则可以求得
，根据此式可方便地确定滤波元件
和
的参数值。
[C]KangHC,KimMH.Thedevelopmentofaflush-wireprobeandcalibrationmethodformeasurementliquidfilmthickness.IntJMultiphaseFlow,1992,18（3）：
423~437.
根据此式可方便地确定滤波元件
和
的参数值。
器件选择：
由于本电路是用于小信号的处理，所以对器件的要求比较高，就运算放大器来说，我们要求必须要有很高的开环带宽（几十MHz）,整流二极管也要求有很高的转换速度。
注：
器件的选择要根据电路的实际要求以及器件各自的参数特性来选取，同时要考虑到性价比、功耗、干扰等因素的影响。
6、电路特性曲线
（1）分析电路的线形区
由于电路中放大元件（运放中的双极性三极管、场效应管，二级管等）特性曲线的非线性，即使工作在放大区内，输出波形仍然难免出现或多或少的非线性失真。
且当输出信号幅度较大时，非线性失真将更加明显。
由此特性曲线可知，要使电路工作在线形区，就要保证进入电路的信号在其线形工作区内。
所以就对激励信号的频率和幅值有一定的要求。
另外由于器件参数精度的影响和未知干扰的因素，需要通过理论分析和实验相结合的方法，来获取激励信号最恰当的幅值和频率。
探针对后续电路的特性有影响。
要适当选取参数，让电路的线形范围区域变宽，
（2）带负载能力
7、仿真
8、实验数据和结果
✧以下为测试的一组数据，实验条件：
频率为400kHz，VPP=15V
液位高度
（cm）
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
输出电压
（V）
0.72
1.51
2.27
3.02
3.79
4.55
5.29
6.02
6.75
实验数据表明：
双平行电导探针测量液膜厚度有很好的线性度和较小的误差，适用于两相流的测量。
存在的问题是液体电导率与温度影响有关，需要进行温度补偿。
9、结论
每个模拟电路都有其固定的特性曲线，要保证进入电路的信号工作在其线形工作区域内。
U和f分别为信号发生器产生信号的幅值和频率，I为经过探针后的电流。
在f一定的情况下，通过适当调整U来保证I处于信号处理电路的线形工作区域内。
当f改变时，I可能会越出信号处理电路的线形工作区域，导致探针的测量范围变窄，所以还需要适当调整U来满足上面的要求。
结论：
f一定时，U增大，输出电压也增大，探针测量范围减小，当U过大时会出现二值的情况。
U一定时，f减小，输出电压也减小，探针测量范围减小，当f太小时会出现二值的情况。
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