提高ERT電流源帶負(fù)載能力的方法

1 引言

　　工業(yè)多相流檢測(cè)中的電阻層析成像技術(shù)(ElectricalResiSTance Tomography,簡(jiǎn)稱(chēng)ERT)是多相流檢測(cè)的一種高新技術(shù)。ERT通常采用電流激勵(lì)、電壓測(cè)量,在恒定電流激勵(lì)下,場(chǎng)內(nèi)介質(zhì)的電阻率分布的變化通過(guò)場(chǎng)域邊界上陣列傳感器的感應(yīng)電壓表現(xiàn)出來(lái),通過(guò)掃描邊界電壓, 再運(yùn)用相應(yīng)的成像算法, 便可重建場(chǎng)域內(nèi)的介質(zhì)分布。比起其他多相流檢測(cè)技術(shù),ERT 具有無(wú)輻射、可視化、低成本、可在線(xiàn)測(cè)量、信息豐富等優(yōu)點(diǎn) ,在多相流檢測(cè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。

　　ERT電流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn):

　　(1) 電極在導(dǎo)電溶液中容易形成電池,從而在測(cè)量電極上產(chǎn)生直流電位差,進(jìn)而使后續(xù)調(diào)理電路達(dá)到飽和,最終影響數(shù)據(jù)采集和成像。直流激勵(lì)在電極上產(chǎn)生的電位差更大, 為了減弱“電池效應(yīng)”的發(fā)生, 激勵(lì)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(cè)量過(guò)程中,ERT電場(chǎng)內(nèi)的電阻率是隨著不同相組分的變化而實(shí)時(shí)變化的,為了適應(yīng)這種電阻率的變化,激勵(lì)源應(yīng)該具有足夠大的帶負(fù)載能力。

　　2 傳統(tǒng)ERT電流源及其帶負(fù)載能力測(cè)試

　　2.1 基于雙運(yùn)放傳統(tǒng)ERT電流源電路

　　目前的ERT 系統(tǒng)都采用直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生頻率、幅度、相位數(shù)字可調(diào)的正弦電壓,再經(jīng)過(guò)電壓控制電流源(VCCS)電路變成一個(gè)正弦電流,這個(gè)電流信號(hào)有效值不隨負(fù)載的變化而變化, 是一個(gè)恒流源。

　　ERT恒流源在結(jié)構(gòu)上普遍應(yīng)用的是基于雙運(yùn)放的VCCS。傳統(tǒng)的VCCS 原理簡(jiǎn)單,實(shí)用性強(qiáng),電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于雙運(yùn)放的傳統(tǒng)VCCS。

　　電路中的TL084 構(gòu)成電壓跟隨器,使其正向輸入端與輸出端同電勢(shì),這樣AD620 的輸出電壓Vo 通過(guò)電阻R 得到電流i。

　　因?yàn)門(mén)L084 屬于FET 輸入型運(yùn)算放大器,輸入端阻抗非常高,典型值是1012 Ω,而ERT 負(fù)載電阻一般只有幾百到一千多歐姆, 所以產(chǎn)生的電流i 主要流向了負(fù)載端。只要在一定負(fù)載變化范圍內(nèi)保證AD620 的輸出電壓Vo 穩(wěn)定,此電路就能產(chǎn)生恒定電流i。

　　2.2 傳統(tǒng)ERT電流源帶負(fù)載能力測(cè)試

　　下面以由AD620 和 TL084 組成的VCCS 為例做實(shí)際測(cè)試。電流產(chǎn)生電阻R 取3 9 0 Ω, 在電流源激勵(lì)下,通過(guò)記錄一組變化的負(fù)載值和負(fù)載上產(chǎn)生的相應(yīng)的電壓值, 我們可以測(cè)試恒流源的恒流特性和帶負(fù)載能力,恒流源測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)VCCS 恒流特性測(cè)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(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得。

　　從表1 恒流源測(cè)試數(shù)據(jù)看到, 測(cè)試中負(fù)載電阻從56.02 Ω變化到2695.5 Ω,通過(guò)測(cè)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(fù)載電阻變化的曲線(xiàn), 從曲線(xiàn)可以看到,當(dāng)負(fù)載大于1119.1 Ω后,電流明顯變小。通過(guò)示波器可以觀(guān)察到電流明顯變小的原因: 負(fù)載電阻在大于1200 Ω后,AD620 輸出電壓Vo 開(kāi)始變失真,正弦波波峰波谷變尖, 逐漸變成三角波。

圖2 傳統(tǒng)VCCS 電流隨負(fù)載變化曲線(xiàn)。

　　通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn),由AD620 和TL084 雙運(yùn)放組成的傳統(tǒng)形式的VCCS 的最大負(fù)載約為1200 Ω。在ERT 電場(chǎng)中, 因?yàn)檫B續(xù)相和非連續(xù)相組分的不斷變化, 恒流源的負(fù)載電阻是時(shí)刻變化的,而此恒流源只適用于變化的負(fù)載不超過(guò)1200 Ω的情形下。筆者設(shè)計(jì)的16 電極ERT 多相流管道在裝滿(mǎn)自來(lái)水后測(cè)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(fù)載能力。