基于容抗法的瞬时液膜厚度测量系统设计

2．2．1 C／U转换电路
图4为C／U转换电路。其中，SW-DIP4为四输入拨位开关，用来切换量程，采用LM358通用双运放作为电压放大器。Uin为正弦波，VD1-VD4为过压保护二极管，防止损坏电容探针传感器，其特点是负反馈电阻R1、R2、R3、R4的阻值依电容量程而定，并且以被测电容CX的容抗XC作为运放的输入电阻。

选择合适的量程档位，使U2B的电压增益与XC成反比，输出电压Uout与XC成正比，从而实现了C／U转换。
2．2．2 有源全波整流电路
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，这种非线性尤其严重。从理论上分析，二极管在放大器的反馈支路上，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，其非线性可得到一定的克服。所以设计中，采用有源整流方案，整流电路如图5所示。

整流过程：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，该输出波形再通过二极管VD7之后只剩正半波，A1、VD5、VD6、R5、R6、R7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。
为了得到对称的整流输出波形，需要R5=R6匹配，而R8=R9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。在整流二极管的选择上，由于硅管的正向电阻大，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，而且硅管的温度稳定性比较好。为此我们选用的是快速整流二极管1N4148。
2．2．3 二阶低通有源滤波电路
本系统测量的分层流和环状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6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。KangKim(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。故本低通滤波器的截止频率选为5kHz，若取R10=R11=R，C1=2C2=2C，则可以求得截止频率：

根据式(5)即可确定滤波元件R和C的参数值。

3 测量电路特性
由于测量电路中放大元件(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，即使电路工作在放大区内，输出波形仍难免出现或多或少的非线性失真。图7为测量电路的电路特性曲线。

由此特性曲线可知，要使电路工作在线性区，就要保证进入电路的信号在其线性工作区内。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。

4 实验论证
在虚拟电子工作平台上，对本测量系统做了仿真实验分析，对电路参数进行了相应修正。再经实验标定，对于高度为50mm的管道，当SW-DIP4切换到1M档时，探针标定结果比较理想。对探针进行标定后，分别选取实验条件：1)100*15：f=100kHz，VPP=15V：2)100*10：f=100kHz，VPP=10V；3)400*15：f=400kHz，VPP=10V三组情况进行实验，测得的三组数据结果如图8所示，横坐标为液膜厚度，纵坐标为探针无量纲电压输出。

从图8可以看出，条件2)：100*10组中探针的无量纲输出与液膜厚度之间的线性度较好，标定曲线几乎可以用一直线来拟合。效果比较理想，经过精确标定后可以用于实验。

5 结论
本文的主要创新在于设计的电容探针测量电路能够快速、准确地测量液膜厚度。经实验论证，在对探针进行精确标定后，可以用于测量两相流的瞬时液膜厚度。该系统现己用于油气储运学科的多相流界面持液率测量实验，其线性度好、测量精度较高。