基于数字相敏解调和虚拟电感技术的非接触式流体电阻抗测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于数字相敏解调和虚拟电感技术的非接触式流体电阻抗测量装置及方法，包括绝缘测量管道、激励电极、检测电极、金属屏蔽罩、虚拟电感模块、信号处理与通讯模块以及微型计算机。信号处理与通讯模块产生特定频率的交流激励信号通过激励电极，在串联谐振状态下，利用虚拟电感模块产生的感抗消除电极与流体通过绝缘管道形成耦合电容容抗的影响，使检测电路的总阻抗等于管道内流体的等效阻抗；然后将检测信号进行数字相敏解调，获取流体电阻抗的实部信息和虚部信息。本发明专利技术为解决管道中流体的电阻抗测量问题提供了一种可行途径，具有传感器结构简单、非侵入、电感值可调、对管道内流体流动无影响等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流体电阻抗测量技术，尤其涉及一种基于数字相敏解调和虚拟电感技术的非接触式流体电阻抗测量装置及方法。
技术介绍
流体在工业生产以及日常生活中广泛存在，如化工、冶金、环境保护、水质监测等，。因此，对流体各特性参数的测量具有重要意义。电阻抗是用来衡量交流电在电路中流动时所受到的阻碍作用的大小的物理量。通过对电阻抗的测量，不仅可以了解流体的导电能力，还可以获取流体的其他特性参数，如单相导电流体的浓度、组分、化学反应速率以及多相流体的相含率等。由于电阻抗测量系统具有结构简单、成本低、实时性好和便于工业实际应用等优势，基于电阻抗信号的流体参数测量已经成为表征流体特性的重要手段。遗憾的是，由于技术发展水平限制，现有的流体电阻抗测量方法还存在一些缺陷。一方面，其测量原理是基于接触式测量，相应传感器的测量电极与被测流体直接接触，易发生电极极化、电化学腐蚀等问题。另一方面，现有的电阻抗测量技术是以获取流体等效电导为目的，即仅获取流体电阻抗信号中的实部信号，而没有充分利用其虚部信号。电阻抗虚部信号的缺失，将导致流体信息提取特征的不完整。相应的传感器或者系统的测量性能受到制约。针对流体电阻抗测量的现状，已有专利(非接触式流体电阻抗测量装置及方法，专利公开号：CN201510741358.4)提出了一种非接触式流体电阻抗测量装置及方法。该专利基于C4D技术，使用实际电感进行串联谐振，使用模拟相敏解调进行信号处理，避免了传统接触式电阻抗测量存在的电极极化、电化学腐蚀等问题，消除了管壁与电极之间产生的耦合电容对测量结果的影响，又获得了流体电阻抗的实部信息与虚部信息，使反应流体流动特征的信息更加充分、完备。然而，该专利使用的实际电感的电感量调节困难，其本身的分布电容等参数对检测也会造成不利影响；另外，该专利所使用的模拟相敏解调技术也存在一定的缺陷，例如：计算速度较慢、精度较差、模拟元器件易受到温度漂移影响等。本专利技术针对现有技术的不足，利用虚拟电感代替实际电感，实现等效电感值的调节，克服了实际电感本身的缺陷。本专利技术使用的虚拟电感在已有专利(一种基于单边虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及方法，专利公开号：CN105353223A)的基础上，在电容C1两端并联一个电阻R6，有效的避免了第一运算放大器A1的输出饱和，增强了虚拟电感模块工作的稳定性。本专利技术还利用数字相敏解调代替模拟相敏解调，提高了数据采集和处理速度，克服了模拟相敏解调的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单且可行的非接触流体电阻抗测量装置和方法。具体技术方案如下：基于数字相敏解调和虚拟电感技术的非接触式流体电阻抗测量装置包括绝缘测量管道、激励电极、检测电极、金属屏蔽罩、虚拟电感模块、信号处理与通讯模块、微型计算机；激励电极和检测电极安装在绝缘测量管道外壁上，金属屏蔽罩罩住激励电极与检测电极防止外界干扰，信号处理与通讯模块和激励电极相连接，检测电极和虚拟电感模块的输入端相连接，虚拟电感模块的输出端和信号处理与通讯模块相连接，信号处理与通讯模块通过USB数据线和微型计算机相连接。进一步的，所述的虚拟电感模块结构为：第一运算放大器的正相输入端为虚拟电感模块的输入端，检测电极、第三电阻的一端与第一运算放大器的正相输入端相连，第一电阻、第一电容及第六电阻的一端与第一运算放大器的反相输入端相连，第一电容的另一端、第二电阻的一端、第六电阻的另一端分别与第一运算放大器的输出端相连，第二运算放大器的正相输入端与第一运算放大器的正相输入端相连，第二电阻的另一端、第五电阻的一端与第二运算放大器的反相输入端相连，第二运算放大器的输出端通过串联的第四电阻、第三电阻与第二运算放大器的正相输入端相连，第五电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连，第一电阻的另一端与信号处理与通讯模块中电流-电压转换电路的运算放大器的反相端相连，作为虚拟电感模块的输出端。所述虚拟电感的等效电感值为L值通过调节R3、的值进行改变；利用运算放大器在深度负反馈条件下的“虚短”特性，使虚拟电感的输出端通过电流-电压转换电路中运算放大器的同相端虚地；R6起到稳定运算放大器工作状态的功能，保证当电路进入正反馈导致自激振荡时，电容C1可通过其放电，从而使虚拟电感恢复稳态。所述装置的流体电阻抗测量方法具体步骤如下：1)信号处理与通讯模块中的DSP芯片完成系统初始化，发送控制信号，FPGA芯片接受控制信号，其内部的DDS模块辅以DAC芯片产生正弦激励信号，通过激励电极施加于绝缘测量管道内的导电流体；该状态下激励电极与绝缘测量管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx1，绝缘测量管道内两个电极间的导电流体等效成电阻抗Z0，检测电极与绝缘测量管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx2，使三者构成串联交流测量通路；2)以导电流体的等效电阻抗Z0为待检测的值，耦合电容Cx1和Cx2为干扰测量的背景信号，检测电路的等效阻抗Z的计算公式为调整信号处理与通讯模块激励频率或虚拟电感的电感值，使检测电路达到串联谐振状态,即当检测电路达到谐振状态时，其等效阻抗即为绝缘测量管道内导电流体的等效阻抗，即Z＝Z0。3)信号经过虚拟电感模块后，经过信号处理与通讯模块中的电流-电压转换电路，转换成正弦电压信号，该信号经过ADC芯片数字化采样后，送入信号处理与通讯模块的FPGA芯片中进行数字相敏解调计算，数字相敏解调完成后，DSP芯片接收FPGA芯片中的数字相敏解调计算结果，通过USB数据线将计算结果送入微型计算机，微型计算机通过上位机程序接收计算结果，并对计算结果进行处理，经换算得到流体电阻抗的实部信息和虚部信息。可选的，所述的步骤2)通过调整信号处理与通讯模块激励频率使检测电路达到串联谐振状态；其方法为：先确定虚拟电感模块的电感值，而后改变信号处理与通讯模块产生的正弦激励信号的频率，使其为可选的，所述的步骤2)通过调整虚拟电感的电感值使检测电路达到串联谐振状态；其方法为：先确定信号处理与通讯模块产生的正弦激励信号的频率，而后改变虚拟电感模块的电感值，使其为进一步的，所述的步骤3)具体为：检测电极流出的交流电流，经过电流-电压转换电路转化为交流电压，该电压经过ADC芯片离散采样后，送入数字相敏解调模块后分解为同相分量V1和正交分量V2，根据和V1和V2，计算检测信号的幅值Aout和相位θ；假设激励信号Vi(t)为：Vin(t)＝Ain sinωt其中，ω为正弦交流激励信号的角频率。经过电流-电压转换电路之后的交流电压信号Vout(t)为：Vout(t)＝Aout sin(ωt+θ)该信号通过ADC芯片可以转换为数字信号Vout(nT)为：Vout(nT)＝Aout sin(2πnT/N+θ)式中，T为ADC芯片的采样周期，N为正弦信号每个周期的采样点数，n＝0,1,2…,N-1。同相参考信号为：Vsin(nT)＝B sin(2πnT/N)正交参考信号为：Vcos(nT)＝C sin(2πnT/N)式中，B和C分别为两路参考信号的幅值，将参考信号Vsin(nT)和Vcos(nT)分别与Vout(nT)进行乘法累加计算，得到 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数字相敏解调和虚拟电感技术的非接触式流体电阻抗测量装置，其特征在于包括绝缘测量管道(1)、激励电极(2)、检测电极(3)、金属屏蔽罩(4)、虚拟电感模块(5)、信号处理与通讯模块(6)、微型计算机(7)；激励电极(2)和检测电极(3)安装在绝缘测量管道(1)外壁上，金属屏蔽罩(4)罩住激励电极(2)与检测电极(3)防止外界干扰，信号处理与通讯模块(6)和激励电极(2)相连接，检测电极(3)和虚拟电感模块(5)的输入端相连接，虚拟电感模块(5)的输出端和信号处理与通讯模块(6)相连接，信号处理与通讯模块(6)通过USB数据线和微型计算机(7)相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于数字相敏解调和虚拟电感技术的非接触式流体电阻抗测量装置，其特征在于包括绝缘测量管道(1)、激励电极(2)、检测电极(3)、金属屏蔽罩(4)、虚拟电感模块(5)、信号处理与通讯模块(6)、微型计算机(7)；激励电极(2)和检测电极(3)安装在绝缘测量管道(1)外壁上，金属屏蔽罩(4)罩住激励电极(2)与检测电极(3)防止外界干扰，信号处理与通讯模块(6)和激励电极(2)相连接，检测电极(3)和虚拟电感模块(5)的输入端相连接，虚拟电感模块(5)的输出端和信号处理与通讯模块(6)相连接，信号处理与通讯模块(6)通过USB数据线和微型计算机(7)相连接。2.根据权利要求1所述的基于数字相敏解调和虚拟电感技术的非接触式流体电阻抗测量装置，其特征在于所述的虚拟电感模块(5)结构为：第一运算放大器(A1)的正相输入端为虚拟电感模块(5)的输入端，检测电极(3)、第三电阻(R3)的一端与第一运算放大器(A1)的正相输入端相连，第一电阻(R1)、第一电容(C1)及第六电阻(R6)的一端与第一运算放大器(A1)的反相输入端相连，第一电容(C1)的另一端、第二电阻(R2)的一端、第六电阻(R6)的另一端分别与第一运算放大器(A1)的输出端相连，第二运算放大器(A2)的正相输入端与第一运算放大器(A1)的正相输入端相连，第二电阻(R2)的另一端、第五电阻(R5)的一端与第二运算放大器(A2)的反相输入端相连，第二运算放大器(A2)的输出端通过串联的第四电阻(R4)、第三电阻(R3)与第二运算放大器(A2)的正相输入端相连，第五电阻(R5)的另一端与第二运算放大器(A2)的输出端相连，第一电阻(R1)的另一端与信号处理与通讯模块(6)中电流-电压转换电路的运算放大器(Af)的反相端相连，作为虚拟电感模块(5)的输出端。3.根据权利要求2所述的基于数字相敏解调和虚拟电感技术的非接触式流体电阻抗测量装置，其特征在于所述虚拟电感的等效电感值为L值通过调节R3的值进行改变；利用运算放大器在深度负反馈条件下的“虚短”特性，使虚拟电感的输出端通过电流-电压转换电路中运算放大器(Af)的同相端虚地；R6起到稳定运算放大器工作状态的功能，保证当电路进入正反馈导致自激振荡时，电容C1可通过其放电，从而使虚拟电感恢复稳态。4.一种使用如权利要求1所述装置的流体电阻抗测量方法，其特征在于具体步骤如下：1)信号处理与通讯模块中的DSP芯片完成系统初始化，发送控制信号，FPGA芯片接受控制信号，其内部的DDS模块辅以DAC芯片产生正弦激励信号，通过激励电极(2)施加于绝缘测量管道(1)内的导电流体；该状态下激励电极(2)与绝缘测量管道(1)内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx1，绝缘测量管道(1)内两个电极间的导电流体等效成电阻抗Z0，检测电极(3)与绝缘测量管道(1)内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx2，使三者构成串联交流测量通路；2)以导电流体的等效电阻抗Z0为待检测的值，耦合电容Cx1和Cx2为干扰测量的背景信号，检测电路的等效阻抗Z的计算公式为调整信号处理与通讯模块激励频率或虚拟电感的电感值，使检测电路达到串联谐振状态,即当检测电路达到谐振状态时，其等效阻抗即为绝缘测量管道(1)内导电流体的等效阻抗，即Z＝Z0。3)信号经过虚拟电感模块(5)后，经过信号处理与通讯模块(6)中的电流-电压转换电路，转换成正弦电压信号，该信号经过ADC芯片数字化采样后，送入信号处理与通讯模块的FPGA芯片中进行数字相敏解调计算，数字相敏解调完成后，DSP芯片接收FPGA芯片中的数字相敏解调计算结果，通过USB数据线将计算结果送入微型计算机，微型计算机通过上位机程序接收计算结果，并对计算结果进行处理，经换算得到流体电阻抗的实部信息和虚部信息。5.根据权利要求4所述的流体电阻抗测量方法，其特征在于：所述的步骤2)通过调整信号处理与通讯模块激励频率使检测电路达到串联谐振状态；其方法为：先确定虚拟电感模块(5)的电感值L，而后改变信号处理与通讯模块(6)产生的正弦激励信号的频率，使其为6.根据权利要求4所述的流体电阻抗测量方法，其特征在于：所述的步骤2)通过调整虚拟电感的电感值使检测电路达到串联谐振状态；其方法为：先确定信号处理与通讯模块(6)产生的正弦激励信号的频率f，而后改变虚拟电感模块(5)的电感值，使其为7.根据权利要求4所述的流体电阻抗测量方法，其特征在于：所述的步骤3)具体为：检测电极流出的交流电流，经过电流-电压转换电路转化为交流电压，该电压经过ADC芯片离散采样后，送入数字相敏解调模块后分解为同相分量V1和正交分量V2，根据和V1和V2，计算检测信号的幅值Aout和相位θ；假设激励信号Vi(t)为：Vin(t)＝Ainsinωt其中，ω为正弦交流激励信号的角频率。经过电流-电压转换电路之后的交流电压信号Vout(t)为：Vout(t)＝Aoutsin(ωt+θ)该信号通过ADC芯片可以转换为数字信号Vout(nT)为：Vout(nT)＝Aoutsin(2πnT/N+θ)式中，T为ADC芯片的采样周期，N为正弦信号每个周期的采样点数，n＝0,1,2…,N-1。同相参考信号为：Vsin(nT)＝Bsin(2πnT/N)正交参考信号为：Vcos(nT)＝Csin(2πnT/N)式中，B和C分别为两路参考信号的幅值，将参考信号Vsin(nT)和Vcos(nT)分别与Vout(nT)进行乘法累加计算，得到 V 1 = Σ n = 0 N - 1 V o u t ( n T ) * V sin ( n T ) = Σ n = 0 N - 1 A o u t sin ( 2 π n T / N + θ ) * B sin ( 2 π n T / N ) = 1 2 A o u t B Σ n = 0 N - 1 [ - cos ( 4 π n T / N + θ ) + cos θ ] = 1 2 NA o u t B cos θ ]]> V 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇鑫，黄志尧，王保良，冀海峰，李海青，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33