CN104297120B - 粉尘浓度仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉尘浓度仪，包括用于产生电压信号Vout1的初级放大器电路、用于产生电压信号Vout2的可选增益运算放大器电路和用于产生电压信号Vout3和电压信号Vout4末端跟随电路，以及主控芯片和配套的模数转换和数模转换电路。本发明同时提取探杆电荷感应电动势形成的电压信号中的直流和交流分量，主控芯片同时对直流和交流分量同时进行分析，并且形成反馈回路，反馈信号由直流分量和带偏置的模拟交流分量组成，可以同时对直流信号和交流信号进行反馈，更能准确的计算探杆中检测到的电荷。另外可编程增益运算放大器电路方便对不同粉尘形成的电荷进行校准，使得该电路能适用于各种不同结构的粉尘。
Description
技术领域
本发明属于粉尘浓度测量技术领域，具体涉及一种对排放粉尘浓度进行在线实时检测的仪器。
背景技术
粉尘浓度仪根据应用领域的不同，可以分为环境粉尘仪以及管道粉尘仪。
环境粉尘仪用于测量开放空间的粉尘或颗粒物浓度。可广泛应用于各行业对厂房，工作环境，作业空间，办公室，室外空间等等进行在线实时粉尘浓度监测，以及矿山及煤矿井下等特殊的工业工作环境粉尘浓度监测。
管道粉尘仪可以用来监测各类烟气管道粉尘浓度趋势变化，固定污染源粉尘排放监测以及固体粉料输送过程和配比控制。通常安装于过滤器、旋风器或类似设备的下游，监测固体颗粒浓度，防止泄漏发生，提供早期预警。可广泛应用于电厂，冶金，化工和铸造等领域。
目前，粉尘浓度仪主要有电容法、β射线法、光散射法、光吸收法、摩擦电法等粉尘浓度在线测量方法。电容法的测量原理简单，但电容测量值与浓度之间并非一一对应的线性关系，电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差；β射线法虽然测量准确，但需要对粉尘进行采样后对比测量，很难实现粉尘浓度的在线监测。因此，目前较为成熟的方式是采用光散射法、光吸收法、摩擦电法进行粉尘浓度在线监测。而摩擦电法相对于光学法具有如下优势：可以测量非常小的颗粒；不受振动影响；粉尘的颜色不影响测量；没有光学窗口需要保持干净。因此成为了目前粉尘浓度仪的研究发展方向。
但是，基于摩擦电法的粉尘浓度仪采用的是交流静电感应原理，由于粉尘颗粒相互运动摩擦而感应电荷，当粉尘荷电接触或经过传感器电极附近或碰撞传感器时，在电极上感应电动势。由于其感应电动势非常微弱，因此对于处理的硬件电路和软件算法提出了很高的要求。
因此，能否提供一种粉尘检测精度高、制造成本低、又能安全使用并且工作可靠优异的粉尘浓度仪是目前有待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种电路结构可靠，检测精度高，免维护的粉尘浓度仪。
本发明提出了如下技术解决方案：一种粉尘浓度仪，包括电荷信号传感器，放大电路和跟随器，电荷信号传感器的信号输出端与初级放大电路的信号输入端Signal连接，初级放大器电路的输出端电压信号Vout1与可选增益运算放大器电路输入端连接，可选增益运算放大器电路的输出端电压信号Vout2与末端跟随电路的输入端连接，末端跟随电路的输出端交流电压信号Vout3与模数转换电路连接，通过模数转换电路转换输入主控芯片，末端跟随电路的输出端直流电压信号Vout4与模数转换电路连接，通过模数转换电路转换输入主控芯片；主控芯片同时通过数模转换输出偏置电压Vbias给初级放大器电路和可选增益运算放大器电路。
所述的初级放大器电路包括超超低输入电流运算放大器U1，电阻R1、R2、R3、R4和滤波电容C1、C2、C3、C4组成，电流运算放大器U1的信号输入端Signal与输出端电压信号Vout1的负输入端之间连接电阻R1和电容C1，信号输入端Signal与电流运算放大器U1之间连接电阻R2，来自主控芯片的偏置电压信号Vbias与电流运算放大器U1的正输入端之间连接电阻R3，电流运算放大器U1的正输入端通过电阻R4接地，并通过电容C2接地。信号输入端Signal为摩擦电荷产生的感应电动势信号。电流运算放大器U1选用LMC6001，当选取R3＝R2，R4＝R1时，输出电压Vout1＝Vbias-Signal。用于将由摩擦电荷产生的感应电动势信号，实现超超低电流输入信号放大，并增加偏置电压调整，输出给下一级电路。
所述的可选增益运算放大器电路包括增益可编程运算放大器U2，来自主控芯片的选择信号ASel与增益可编程运算放大器U2电流输入端连接，来自电流运算放大器U1的输出端电压信号Vout1与增益可编程运算放大器U2输入端负极连接，来自主控芯片的两组模拟信号Vdac1和Vdac2、偏置电压信号Vbias分别经过电阻R5和电阻R6、电阻R7与增益可编程运算放大器U2输入端正极连接，电阻R5、R6、R7组成。增益可编程运算放大器U2选用低噪声增益可编程运算放大器PGA205，从主控芯片传送的数字信号ASel可以选择增益可编程运算放大器U2的增益，通过主控芯片进行增益大小的选择，选择不同粉尘颗粒大小对电荷的比例关系。同时主控芯片通过两组数模转换器形成模拟信号Vdac1、Vdac2，其中Vdac1为直流反馈信号，Vdac2为模拟的带偏置电压的交流反馈信号，通过电阻R5、R6、R7形成运算放大器的+端输入，最后输出电压：
Vout2＝G*[(R6*R7*Vdac1+R5*R7*Vdac2+R5*R6*Vbia)/(R5*R6+R5*R7+R6*R7)–Vout1](“其中G由主控芯片信号Asel可编程”)。
所述的末端跟随器电路通过两组跟随器将Vout2分成两路，Vout2第一路信号通过电阻R9与运算放大器U3正极输入端连接，运算放大器U3负极输入端与输出端连接电阻R9，运算放大器U3输出端依次经过电容C5、二极管D1和电阻R12后与运算放大器U4的正极输入端连接，运算放大器U4正极输入端输入端通过电容C6与地连接，运算放大器U4的负极输入端与输出端分别连接电阻R11和电容C7，运算放大器U4输出端为交流电压信号Vout3，进入模数转换，供主控芯片读取。Vout2第二路信号通过电阻R12与运算放大器U5输入端正极连接，运算放大器U5输入端负极与输出端连接电阻R18，运算放大器U5输出端与低通滤波器U6的输入端连接，低通滤波器U6的输出端为直流电压信号Vout4，进入模数转换，供主控芯片读取。U3、U5、U4选取低噪声、非斩波稳零的双极型高精度运算放大器OP07，主要作用是降低输出阻抗。U6选取高精度低噪声高性能的低通滤波器LTC1063，可以十分精确的提取信号中的低通信号分量。
信号经过滤波分成直流分量和交流分量分别采样进主芯片，主芯片通过DAC加上偏置形成反馈，可以通过信号标定校准粉尘浓度。
本发明的有益效果：可应用于电厂、水泥厂等排放粉尘烟气的工厂的排烟管道内，对排放的粉尘浓度进行在线实时检测。本发明由于同时提取探杆电荷感应电动势形成的电压信号中的直流和交流分量，主控芯片同时对直流和交流分量同时进行分析，并且形成反馈回路，反馈信号由直流分量和带偏置的模拟交流分量组成，可以同时对直流信号和交流信号进行反馈，更能准确的计算探杆中检测到的电荷。另外可编程增益运算放大器电路方便对不同粉尘形成的电荷进行校准，使得该电路能适用于各种不同结构的粉尘。
附图说明
图1为本发明的原理框图
图2为图1所示的初级放大器电路的电气原理图
图3为图1所示的可选增益运算放大器电路的电气原理图
图4为图1所示的末端跟随电路的电气原理图
具体实施方式
一种粉尘浓度仪，参见图1，包括电荷信号传感器、用于产生电压信号Vout1的初级放大器电路、用于产生电压信号Vout2的可选增益运算放大器电路和用于产生电压信号Vout3和Vout4末端跟随电路，以及主控芯片和配套的模数转换和数模转换电路。
电荷信号传感器的信号输出端与初级放大电路的信号输入端Signal连接，初级放大器电路的输出端电压信号Vout1与可选增益运算放大器电路输入端连接，可选增益运算放大器电路的输出端电压信号Vout2与末端跟随电路的输入端连接，末端跟随电路的输出端交流电压信号Vout3与模数转换电路连接，通过模数转换电路转换输入主控芯片，末端跟随电路的输出端直流电压信号Vout4与模数转换电路连接，通过模数转换电路转换输入主控芯片；主控芯片同时通过数模转换输出偏置电压Vbias给初级放大器电路和可选增益运算放大器电路。
参见图2，初级放大器电路包括超超低输入电流运算放大器U1，电阻R1、R2、R3、R4和滤波电容C1、C2、C3、C4组成，电流运算放大器U1的信号输入端Signal与输出端电压信号Vout1的负输入端之间连接电阻R1和电容C1，信号输入端Signal与电流运算放大器U1之间连接电阻R2，来自主控芯片的偏置电压信号Vbias与电流运算放大器U1的正输入端之间连接电阻R3，电流运算放大器U1的正输入端通过电阻R4接地，并通过电容C2接地。信号输入端Signal为摩擦电荷产生的感应电动势信号。电流运算放大器U1选用LMC6001，当选取R3＝R2，R4＝R1时，输出电压Vout1＝Vbias-Signal。用于将由摩擦电荷产生的感应电动势信号，实现超超低电流输入信号放大，并增加偏置电压调整，输出给下一级电路。
参见图3，可选增益运算放大器电路包括增益可编程运算放大器U2，来自主控芯片的选择信号ASel与增益可编程运算放大器U2电流输入端连接，来自电流运算放大器U1的输出端电压信号Vout1与增益可编程运算放大器U2输入端负极连接，来自主控芯片的两组模拟信号Vdac1和Vdac2、偏置电压信号Vbias分别经过电阻R5和电阻R6、电阻R7与增益可编程运算放大器U2输入端正极连接，电阻R5、R6、R7组成。增益可编程运算放大器U2选用低噪声增益可编程运算放大器PGA205，从主控芯片传送的数字信号ASel可以选择增益可编程运算放大器U2的增益，通过主控芯片进行增益大小的选择，选择不同粉尘颗粒大小对电荷的比例关系。同时主控芯片通过两组数模转换器形成模拟信号Vdac1、Vdac2，其中Vdac1为直流反馈信号，Vdac2为模拟的带偏置电压的交流反馈信号，通过电阻R5、R6、R7形成运算放大器的+端输入，最后输出电压：
Vout2＝G*[(R6*R7*Vdac1+R5*R7*Vdac2+R5*R6*Vbia)/(R5*R6+R5*R7+R6*R7)–Vout1](“其中G由主控芯片信号Asel可编程”)。
参见图4，末端跟随器电路通过两组跟随器将Vout2分成两路，Vout2第一路信号通过电阻R9与运算放大器U3正极输入端连接，运算放大器U3负极输入端与输出端连接电阻R9，运算放大器U3输出端依次经过电容C5、二极管D1和电阻R12后与运算放大器U4的正极输入端连接，运算放大器U4正极输入端输入端通过电容C6与地连接，运算放大器U4的负极输入端与输出端分别连接电阻R11和电容C7，运算放大器U4输出端为交流电压信号Vout3，进入模数转换，供主控芯片读取。Vout2第二路信号通过电阻R12与运算放大器U5输入端正极连接，运算放大器U5输入端负极与输出端连接电阻R18，运算放大器U5输出端与低通滤波器U6的输入端连接，低通滤波器U6的输出端为直流电压信号Vout4，进入模数转换，供主控芯片读取。U3、U5、U4选取低噪声、非斩波稳零的双极型高精度运算放大器OP07，主要作用是降低输出阻抗。U6选取高精度低噪声高性能的低通滤波器LTC1063，可以十分精确的提取信号中的低通信号分量。
信号经过滤波分成直流分量和交流分量分别采样进主芯片，主芯片通过DAC加上偏置形成反馈，可以通过信号标定校准粉尘浓度。
Claims (4)
1.一种粉尘浓度仪，包括电荷信号传感器，放大电路和跟随器，其特征在于，电荷信号传感器的信号输出端与初级放大电路的信号输入端Signal连接，初级放大器电路的输出端电压信号Vout1与可选增益运算放大器电路输入端连接，可选增益运算放大器电路的输出端电压信号Vout2与末端跟随电路的输入端连接，末端跟随电路的输出端交流电压信号Vout3与模数转换电路连接，通过模数转换电路转换输入主控芯片，末端跟随电路的输出端直流电压信号Vout4与模数转换电路连接，通过模数转换电路转换输入主控芯片；主控芯片同时通过数模转换输出偏置电压Vbias给初级放大器电路和可选增益运算放大器电路形成反馈，通过信号标定校准粉尘浓度；
所述的初级放大器电路包括超超低输入电流运算放大器U1，电流运算放大器U1的信号输入端Signal与输出端电压信号Vout1的负极输入端之间连接电阻R1和电容C1，信号输入端Signal与电流运算放大器U1之间连接电阻R2，来自主控芯片的偏置电压信号Vbias与电流运算放大器U1的正输入端之间连接电阻R3，电流运算放大器U1的正极输入端通过电阻R4接地，并通过电容C2接地；
所述的可选增益运算放大器电路包括增益可编程运算放大器U2，来自主控芯片的选择信号ASel与增益可编程运算放大器U2电流输入端连接，来自电流运算放大器U1的输出端电压信号Vout1与增益可编程运算放大器U2负极输入端连接，来自主控芯片的两组模拟信号Vdac1和Vdac2、偏置电压信号Vbias分别经过电阻R5和电阻R6、电阻R7与增益可编程运算放大器U2正极输入端连接；
所述的末端跟随器电路通过两组跟随器将Vout2分成两路，Vout2第一路信号通过电阻R9与运算放大器U3正极输入端连接，运算放大器U3负极输入端与输出端连接电阻R9，运算放大器U3输出端依次经过电容C5、二极管D1和电阻R12后与运算放大器U5的正极输入端连接，运算放大器U5正极输入端通过电容C6与地连接，运算放大器U5的负极输入端与输出端分别连接电阻R11和电容C7，运算放大器U5输出端为交流电压信号Vout3；Vout2第二路信号通过电阻R12与运算放大器U4正极输入端连接，运算放大器U4负极输入端与输出端连接电阻R18，运算放大器U4输出端与低通滤波器U6的输入端连接，低通滤波器U6的输出端为直流电压信号Vout4。
2.根据权利要求1所述的粉尘浓度仪，其特征在于，电流运算放大器U1选用LMC6001。
3.根据权利要求1所述的粉尘浓度仪，其特征在于，增益可编程运算放大器U2选用低噪声增益可编程运算放大器PGA205。
4.根据权利要求1所述的粉尘浓度仪，其特征在于，运算放大器U3、U4、U5选取低噪声、非斩波稳零的双极型高精度运算放大器OP07；U6选取高精度低噪声高性能的低通滤波器LTC1063。
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 201821 room J1318, No. 912, Yecheng Road, Jiading industrial district, Shanghai Applicant after: SHANGHAI TURIN SMART ROBOT CO.,LTD. Address before: 200241, room 1021, building B, 555 Dongchuan Road, Shanghai, Minhang District Applicant before: SHANGHAI YUANZHI ROBOT Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20180112 Address after: 361000 China (Fujian) free trade zone, Xiamen District, 1726 middle Kong Road, No. 101 Applicant after: XISHI (XIAMEN) TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 201821 room J1318, No. 912, Yecheng Road, Jiading industrial district, Shanghai Applicant before: SHANGHAI TURIN SMART ROBOT CO.,LTD. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Unit 101, 1726 Gangzhong Road, Xiamen Section, 361000 China (Fujian) Free Trade Pilot Area Patentee after: Xishi (Xiamen) Technology Co.,Ltd. Address before: Unit 101, No. 1726 Gangzhong Road, Xiamen Section, China (Fujian) Free Trade Pilot Area Patentee before: XISHI (XIAMEN) TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Dust concentration meter Effective date of registration: 20201222 Granted publication date: 20180227 Pledgee: Xiamen Jinyuan Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Xishi (Xiamen) Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2020980009715 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20231218 Granted publication date: 20180227 Pledgee: Xiamen Jinyuan Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Xishi (Xiamen) Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2020980009715 |