一种用于电容式PT系统的微小电容量检测方法

　　PT技术(Process Tomography,译为过程断层成象技术或过程层析成象技术)是80年代中期兴起于发达国家(英美等)的测量技术领域中的一项高新技术.借用于医学CT的概念,该技术通过对过程设备的某一断层进行实时在线扫描检测及适当的图象重组算法,获得设备内部动态过程下某些参数的二维或三维分布信息,从而为生产过程的模化,优化及控制等提供丰富而可靠的第一手数据.

　　在PT系统中,基于电学原理的电容式PT系统与其他种类的系统相比具有成本低,坚固耐用,不破坏被测对象原有状态(即非插入,非接触测量)等优点,有着广泛的潜在工业应用,也是PT技术研究中较为充分,日趋成熟的一种.一个典型的电容式PT系统由三个基本部分组成,即:①传感器子系统;②信号处理子系统;③图象重组及显示子系统.

　　电容式PT系统中电容传感器子系统的研究在整个系统中占有头等重要的地位.其原因在于电容式PT系统中需要检测的电容值很小,一般在几个Pf甚至1Pf以下.因此要求电容检测线路必须具有相当高的检测分辨率并且测量不受杂散电容影响即具有强的抗杂散电容性能.迄今,国际上出现的能够满足上述要求的微小电容量检测方法主要有以下3种,即直流充放电法(Haungetal,1992),具有平衡反馈的交流激励法(Yangetal,1994)以及高压双边交流激励法(Faschingetal,1994).这3种方法在对直径不过1 m的设备上,如油水分离装置,管道中二相流动以及流化床等,已获得了成功的应用.然而,当探索在大型工业设备上(如大型容器,大型反应器及大型分离器等)使用电容式PT技术时,上述3种微小电容量检测技术皆遇到困难.大型设备的直径较大一般超过1 m以上,有的则高达十几米以至几十米(如高炉);由于设备庞大,无法另设计加装抗外界电磁干扰的屏蔽罩,而只能用其自身的金属外壳做屏蔽.大的设备需使用大尺寸的电极板;自身的金属外壳一般距极板很近.这2种情况会导致极板与屏蔽罩(即金属外壳)之间的杂散电容很大.另外,为提高检测灵敏度需提高极板的激励电压.前述的3种微小电容量检测方法中的前2种,激励电压的提高皆受限(一般在20 V以内).而后一种方法虽然激励电压可高达500 V,但在大型设备上无法采用等电位驱动的方法消除杂散电容,因为不安全以及难以驱动.针对上述情况,本文提出一种高压交流单边激励检测微小电容量方法.

　　1　高压交流单边激励检测原理

　　图1中传感器子系统中任一对极板间电容检测电路可抽象为图2的情况.其中Cx为被测电容.Cs1,Cs2为电容器极板与屏蔽罩之间的所谓杂散电容.Cs1,Cs2远远大于被测电容Cx,特别是大型工业设备的情况下,此二电容对测量的影响无法通过对屏蔽罩进行等电位驱动的办法加以消除.如采用高压交流单边激励方法,由于激励源直接加到激励极板上,因此Cs1对检测无影响,但Cs2要分流大部分icx,对检测造成影响.由图2可见,为削弱Cs2的影响,办法之一为设法降低电子检测电路的输入阻抗.如输入阻抗降低到与Cs2阻抗相比可忽略不计的程度,则icx的大小将不受Cs2影响,这种情况下可认为检测电路具有抗杂散电容器的性能.