[实用新型]工业用电容式气固两相流相浓度检测装置

说明书

本实用新型属于自动化仪表与装置制造技术领域，特别涉及对两相流相浓度的检测装置。

在线工业用相浓度检测装置是工业迫切需要，具有巨大经济效益的仪表，也是国内外没能很好解决的难题。唯一能在线测量相浓度的仪表为射线式仪表，该仪表采用同位素射线源，存在安全防护问题，其探测室为电离室，因而反应时间长，价格昂贵，这些不足之处都限制了其应用范围。

本实用新型的目的是克服已有仪表的不足之处，设计出一种非接触式测量装置，使其具有测量精度高、受流体流型影响变化小，抗干扰力强，反应快速、结构简单、价格低廉等特点。

本实用新型采用电容传感器解决工业管道内气固两相流体的离散相浓度的在线测量问题。测量装置由电容传感器、信号检测转换电路两部分所组成。电容法测量离散相浓度的工作原理是基于流体通过电容极板形成的空间敏感电场时，气固流体混合物的等效介电常数ε的变化将引起电极间的电容值改变：C＝Kε（K为与电极结构有关的系数），气固混合物介电常数ε＝aε₁＋（1－a）ε₂，其中ε₁为固相介电常数、ε₂为气相介电常数，a为固相体积百分含量，当离散相浓度a变化时会引起流体等效介电常数ε变化，导致电极间电容值C的变化，这种a→C对应关系使得离散相浓度的检测转换为电极间电容值的检测。

为了抑制在高频情况下的杂散电容对检测微小电容的影响，本实用新型基于电荷转移原理，即通过测定被测电容Cx的贮存电荷的动态转移能力来确定被测电容Cx和恒定充电电压与地之间轮流闭合、断开，以实现抗杂散电容的微电容的精确检测。

本实用新型具体构成如下：

1、电容传感器为一测量管，测量管包括绝缘内管，

固定在该内管外壁上并用屏蔽环间隔开的两对以上弧形电容极板，与所说电容极板绝缘隔离、套在所说内管外的屏蔽金属外管以及连接在所说金属外管测壁上的电容极板引线导管各部分。该管串接在被测气固两相流的工业管道之中。

2、信号检测转换电路由时序逻辑发生电路、电容检测电路、差动放大电路、调零调满电路及电压电流转换电路所组成。其中（1）时序逻辑发生电路由高稳定度的石英晶振振荡电路经过数字逻辑电路产生四个不同脉冲序列（包括两个脉宽相差△T的高电平脉冲序列SS₁，SS₂及两个脉宽相差△T的低电平脉冲序列SS₃，SS₄）。（2）电容检测电路是信号检测转换电路的核心，包括四个模拟电子开关S₁，S₂，S₃，S₄，恒定充电电压＋V_C以及由集成运放A，反馈电阻R_f、电容C_f，涌浪吸收电容C构成的检测器。四个模拟电子开关分别由四个脉冲序列控制其闭合，断开。上述各电子元器件分别构成检测电路与参考电路两部分，其中检测电路为：从测量管中的电容极板A引出线分别经电子开关S₂与恒定充电电压＋V_C相连，经开关S₄接地；从电容极板B引出线分别经开关S₃与检测器输入口相连，经开关S₁接地，其工作原理如图1所示，其中Co、Co’为分别与被测电容Cx源极板A，检测极板B相连的等效总的杂散电容（它们是由电极屏蔽罩、测量引线、电子开关输入输出电容所引起的等效总的杂散电容）。当时钟为高电平时为充电过程，S₁闭合，Cx检测极板B接地，经△T延迟（△T＝20ns）后S₂闭合，＋Vc对Cx检测极板B相连的等效杂散电容Co’两端因都接地没有被充电。当时钟为低电平时为放电过程，S₁、S₂断开、S₃闭合，Cx检测极板B与具有虚地电位的电荷检测器输入端M相连，经很短延迟△T后S₄闭合，Cx、Co均对地放电，Co放电电流直接入地，不流经电荷检测器，因而Co对测量无影响，Co’由地电位变为虚地电位，Co’既不从电荷检测器抽取电流也不向电荷检测器放电，只有被测电容Cx放电，电流流经电荷检测器，原理上讲杂散电容Co及Co’对电荷检测器无任何影响，因此实现了对电容Cx的精确检测。实际上放电过程M点为虚地电位，其值由运放A输入失调电压Vos决定，当取典型值时Vc＝10V，Vos＝0.5mv时，杂散电容被衰减－20lg (Vos)/(Vc) ＝86db，可见，基于电荷转移原理的微电容检测电路很好地抑制了杂散电容的影响。为进一步提高电路稳定性，本实用新型电容检测电路采用差分结构电路，即除上述与被测电容相连的检测电路部分外，还包括相同组成与一参考电容相连的参考电路，其电路构成如图3所示。采用差分结构可以实现高共模抑制比，本电路共模抑制比CMRR＝1／（C_X－C_r），其中Cr为参考电容，Cr应具有纯容性、不受温度湿度影响，与没有流体流过管道的空载时选择C_r＝C_X可以显著提高电路稳定性。差分结构电路的稳态输出为Vo＝fR_fVc（Cx－Cr）＋△e_os＋Rf.△ios，其中f为控制模拟电子开关的频率，△e_os、△ios分别为运放A₁与A₂的输入共调电压差，输入失调电流差，电路灵敏度为k＝fR_fVc。（3）差动放大电路，是将电容检测电路输出的电压信号放大。（4）调零、调满电路是将显示器在管道中无流体的情况下调整为零点，在两相流充满管道中时调整为最大值。（5）电压电流转换电路是把现场的相浓度电压信号转换为可以远传的工业标准4～20mADC信号。上述（3）、（4）、（5）部分电路均可采用公知公有电路，具体构成可查阅有关手册。本实用新型的信号检测转换电路各组成部分均焊接在一块电子线路板上并封装在一金属盒之中，该盒与测量管的引线导管相固定，电容极板引线与盒内的电子模拟开关相连。