原创 超低频电荷放大器用于石油输送管道泄露测量（一）

        最近天津大学的一个老师找我要了两个电荷放大器样品，他要用于测量压电式压力传感器的信号，说是检测石油输送管道上的压力。我跟他说我们现在做的电荷放大器只能测量交流信号，应该测量不到静压力，他告诉我说他要测量的就是压力的变化，特别是压力的降低。

        原来石油输送管道的压力很大，有10MPa左右，也就是100个大气压力。如果石油管道泄露，会对周围环境产生非常大的污染，于是目前国外是每隔50公里有一个监测站点，安装一个测量管道内压力的设备，如果发现管道压力突然变小了，就可以判断是泄露。

        但是如果我们用仪器测量静态压力，哪么微小泄露引起的微小压力变化（例如10kPa），在信号上只有千分之一的变化，这么小的变化，很难在测量系统上实现很好的监控。如果使用测量动压的方式，无论管道压力是多大，只要管道压力不变化，压电式传感器都不输出信号，当突然发生泄露，就会有一个压力下降的波动出现，仪器可以很灵敏地检测这个波动。所以用测量动压的方式，实际就是可以自动适应管道的压力。

         更多的问题来了，泄露产生的压力降低，是一个频率非常低的信号，因为泄露可能是从50公里以外的地方，将压力降低的波传递过来，按照输送速度1KM/秒计算，需要50秒的时间。因此低频性能不好的电荷放大器，会将大部分信号衰减掉。通常国内做的一般的电荷放大器是用的10M~100M反馈电阻，如果用1000pF反馈电容的话，这种电荷放大器的低频衰减为53%@1Hz，也就是在1Hz的信号条件下，获得的输出是理想状况下的53%。如果能将反馈电阻提到到1000M（这是ICA系列电荷放大器的标准配置），哪么低频衰减就成了98.8%@1Hz。这次我准备用10G~100G的反馈电阻来试验，低频性能可以达到98.8%@0.01Hz（100G条件下）

        低频响应问题解决后，就是噪声了，电荷放大器的噪声并不大，问题是野外的管道在运送石油中，本来就有很多振动源，这些振动源都会使压电式压力传感器产生信号，而这些信号是我们不需要的。还有一个很重要的信号来源，我认为就是紊流。因为在管道上打一个孔把传感器安装上去，液体流过的时候，在这个结构变化的地方就会产生流体动力学上的紊流，紊流相当于一个压力振动源，而且就在传感器旁边，所以天津的那个老师说，他在实验室测量得好好的，一到现场安装就出现奇怪的信号，不知道怎么解决。我看了一下他发给我的国外的安装方式，是用一根长长的细管将输油管道的压力送到测量传感器，这样可以减少紊流的影响，而我则建议他用消声器安装在传感器前面，就像麦克风上面的海面罩子可以降低风吹的噪声一样，消声器可以大大衰减紊流而又不会影响低频的压力波动传递到传感器。

         最后我建议他把整个传感器和调理器的工作交给我，我专门给他设计电荷放大器和4~20mA信号变换器，全部集成到一个模块里面，甚至包括压电式压力传感器，他最终只要把我做的这个模块直接往管道接口上一拧就可以了。

          姚学为此花了一个星期来设计，明天可以出PCB图发出去打板，回来再看看效果如何。