CN105067492A - 一种粉尘浓度仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉尘浓度仪，包括金属感应棒、感应套管、电荷放大器、滤波器、信号跟随器和电流环路变换器；所述感应套管套设在金属感应棒的一端；所述金属感应棒的另一端与电荷放大器连接；所述感应套管感应金属感应棒形成交流电信号，并传送到所述电荷放大器；所述电荷放大器放大该交流电信号并转换成电压信号后，通过滤波器滤波传送到信号跟随器；所述信号跟随器稳定电压信号，并传送到所述电流环路变换器；所述电流环路变换器与外界电源电连接。相比于现有技术，本发明通过在金属感应棒上套设感应套管，进而感应所述金属感应棒上的电荷，使金属感应棒上的电荷发生扰动，进而产生代表电荷扰动的交流电信号，可使测量值更加准确。

Description

一种粉尘浓度仪

技术领域

本发明涉及粉尘浓度测量技术领域，尤其涉及一种粉尘浓度仪。

背景技术

粉尘浓度仪作为一种测量空间内粉尘或颗粒物浓度的仪器，广泛应用于工矿企业生产现场中粉尘浓度的测定以及排气口粉尘浓度监测等领域。请参阅图1，其是现有粉尘浓度仪的工作框图。现有的粉尘浓度仪包括壳体(图中未示)、金属感应棒11、设置在壳体内的电荷放大器12、滤波器13、调节器14、信号跟随器15和电流环路变换器16。所述电荷放大器12、滤波器13、调节器14、信号跟随器15和电流环路变换器16串接。所述金属感应棒11设置在所述壳体内，且其一端与所述电荷放大器12连接，另一端外露于所述壳体。所述金属感应棒11即为测量粉尘的传感器，其外露部分设置在通风管道内。

当通风管道内有粉尘流过时，粉尘颗粒便会撞击和摩擦所述金属感应棒11，所述金属感应棒11吸附粉尘的电荷，从而使金属感应棒11的电荷发生变化，进而产生一个微弱的直流信号；所述直流信号传送到所述电荷放大器12，经所述电荷放大器12放大并转换成电压信号；再通过滤波器13滤除杂波，输出相对平稳的电压信号；接着通过所述调节器14调节，消除偏差；再通过所述信号跟随器15确保输出稳定的电压信号，最后通过所述电流环路变换器16输出电流；同时，在该电流环路变换器16的输出端串联一电流表，通过该电流表即可获得输出电流。由于管道内的粉尘浓度与电流环路变换器16输出的电流是呈一定的线性关系的，而所述金属感应棒11作为一种传感器，其对浓度的测量范围是0-100mg/m³，因此，通过电路器件的调节以及相关参数的设定，可使电流环路变换器16输出与此浓度范围所对应的在4-20mA范围内的稳定电流，通过对该输出电流进行一定的计算，即可获得管道内的粉尘浓度。

但是，现有的粉尘浓度仪需要粉尘直接碰撞和摩擦金属感应棒，使金属感应棒上的电荷吸附粉尘的电荷而发生变化，并且是以直流电导的方式传进金属感应棒上的，也就是说所述金属感应棒测量的是正负电荷的均值，而由于正负电荷是可以相互抵消的，因此，以正负电荷的均值来检测浓度，会导致测量精度偏低。并且现有的粉尘浓度仪很难抗击现场的干扰，如果粉尘浓度仪处于灰尘较多的工厂区，所述金属感应棒的部分表面被粉尘覆盖，或粉尘颗粒性质与金属感应棒的材质接近时，将会使金属感应棒上的正负电荷相互抵消，进而导致粉尘浓度仪完全失效。此外，新产的每台粉尘浓度仪在出厂前都需要进行标定，现有的粉尘浓度仪在标定时，需要在电路中增加可调电阻，而且需要不断进行计算检测，这无疑会增加生产的周期。另外，现有的粉尘浓度仪中并未涉及数字通信，后期需要对粉尘浓度仪的参数进行修改以及维修时，需要增加其他设备对数字信号和模拟信号进行转换，操作麻烦。

发明内容

本发明在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量精度高、抗干扰能力强、易于标定、便于后期参数修改和维修的粉尘浓度仪。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种粉尘浓度仪，包括金属感应棒、感应套管、电荷放大器、滤波器、信号跟随器和电流环路变换器；所述感应套管套设在所述金属感应棒的一端；所述金属感应棒的另一端与所述电荷放大器连接；所述感应套管吸附落在其上的粉尘的电荷，以感应所述金属感应棒形成交流电信号，并传送到所述电荷放大器；所述电荷放大器放大该交流电信号并转换成电压信号后，通过所述滤波器滤波传送到所述信号跟随器；所述信号跟随器稳定该电压信号，并传送到所述电流环路变换器，所述电流环路变换器输出与粉尘浓度对应的电流；且所述电流环路变换器与外界电源电连接。

相比于现有技术，本发明通过在所述金属感应棒上套设所述感应套管，并吸附落在所述感应套管上的粉尘的电荷，进而间接感应所述金属感应棒上的电荷，使金属感应棒上的电荷发生扰动，并产生交流电信号，相比于现有技术用直流信号测量的方式，代表电荷扰动的交流电信号，可使测量值更加准确。

进一步地，还包括串接在信号跟随器和电流环路变换器之间的模数转换器、微处理器和数模转换器；所述信号跟随器稳定电压信号，并通过所述模数转换器转换成数字信号后传送到所述微处理器；所述微处理器通过所述数模转换器转换成模拟信号后传送到所述电流环路变换器。通过微处理器对信号进行调节，使输出的电流信号更加准确。

进一步地，还包括HART调制解调器；所述HART调制解调器一端与所述微处理器信号连接，另一端与所述电流环路变换器的电源输入端连接。通过HART调制解调器实现了数字通信，可以很方便的对仪表进行线性化标定和维护，缩短了生产的时间，使得在现场仪表的数量很多时，可方便的通过HART通信抄表。

进一步地，还包括隔离单元；所述隔离单元包括用于隔离电源的隔离变压器和用于隔离数字信号的隔离芯片；外界电源供给的电源通过隔离变压器传送到所述模数转换器、滤波器和电荷放大器；所述模数转换器产生的数字信号通过隔离芯片传送到所述微处理器。通过隔离单元，将金属感应棒端与电源输入端隔开，使仪表可承受现场的高强度的干扰。

进一步地，还包括液晶显示屏；所述液晶显示屏与所述微处理器连接。通过液晶显示屏可直接读出粉尘浓度，不需要通过电流来计算粉尘浓度。

进一步地，还包括按键模块，所述按键模块与所述微处理器连接。通过按键模块，可方便对仪表进行参数设置，使得无需与上位机连接即可设置仪表参数。

进一步地，还包括壳体和保护盖；所述液晶显示屏和按键模块嵌设在壳体上，所述保护盖盖设在所述液晶显示屏和按键模块上。所述保护盖对液晶显示屏和按键模块起到保护作用。

进一步地，所述感应套管为聚四氟乙烯套管。聚四氟乙烯套管能耐高温，阻抗大，可适用于各种环境。

进一步地，所述滤波器为积分滤波器。通过积分滤波器过滤获得一定时间内累积的交流信号，也就是金属感应棒的干扰量。

进一步地，还包括电流采样电阻；所述电流环路变换器通过所述电流采样电阻与外界电源连接。通过电流采样电阻，使所述电流环路变换器输出稳定的电流信号；并且在电流采样电阻上并联一HART转接端子，可实现与PC上位机进行通信。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是现有粉尘浓度仪的工作框图；

图2是本发明粉尘浓度仪的工作框图；

图3是本发明粉尘浓度仪标定时的结构示意图。

具体实施方式

请同时参阅图2和图3，图2是本发明粉尘浓度仪的工作框图；图3是本发明粉尘浓度仪标定时的结构示意图。该粉尘浓度仪包括壳体21、金属感应棒22、感应套管23、设置在壳体21内的电荷放大器24、滤波器25、信号跟随器26、模数转换器27、隔离单元28、微处理器29、数模转换器30、电流环路变换器31、HART调制解调器32和电流采样电阻33。所述金属感应棒22设置在所述壳体21内，且其一端与所述电荷放大器24连接，另一端外露于所述壳体21。所述感应套管23套设在所述金属感应棒22外露的部分，并放置在需要检测粉尘浓度的环境中。

所述感应套管23通过吸附碰撞在其上的粉尘的电荷，使所述感应套管23上的电荷发生移动，这种移动间接地感应所述金属感应棒22上的电荷发生扰动，从而产生交流电信号；所述金属感应棒22向所述电荷放大器24传送交流电信号；所述电荷放大器24放大该交流电信号并转换成电压信号后，通过所述滤波器25滤波传送到所述信号跟随器26；所述信号跟随器26稳定滤波后的电压信号，并通过所述模数转换器27转换成数字信号后传送到所述隔离单元28；所述隔离单元28对数字信号进行隔离后传送到所述微处理器29；所述微处理器29对数字信号进行线性处理，并通过所述数模转换器30转换成模拟信号后传送到所述电流环路变换器31。所述电流环路变换器31一端的电源输入端与外界电源的正极相连，另一端的电源输入端通过电流采样电阻33与外界电源的负极相连。所述HART调制解调器32一端与所述微处理器29连接；另一端与所述电流环路变换器31的电源输入端连接，使产生的HART数字信号与电流环路变换器31的电流信号相叠加，即在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号，实现双向的数字通信。

由外界电源对金属感应棒22、电荷放大器24、滤波器25、信号跟随器26、模数转换器27、隔离单元28、微处理器29、数模转换器30、电流环路变换器31和HART调制解调器32供电。同时，所述金属感应棒22产生的交流电信号经放大、滤波、调节等处理后，在电流环路变换器31的输出端转换成4-20mA的电流。本实施例中，所述电流环路变换器31是两线制变送器，即电流环路变换器31的电源输入端也是电流输出端，在电流环路变换器31与外界电源的连接电路上串联一电流表，即可获得粉尘浓度对应的电流。

在电流采样电阻33上并联一HART转接端子，通过该HART转接端子即可与外界的PC上位机进行通信。具体的，所述微处理器29将数字信号传送给所述HART调制解调器32。所述HART调制解调器32将所述微处理器29发送的UART信号转换成HART信号；所述HART信号经过HART转接端子转换成USB信号，并传输给外界的PC上位机。外界的PC上位机根据采集的USB信号计算线性参数，并将计算好的线性参数以USB信号形式反馈到HART转接端子上；HART转接端子将USB信号转换成HART信号；再通过HART调制解调器32将HART信号转换成UART信号，进而将线性参数下载到所述微处理器29内，实现双向的数字通信。所述微处理器将根据线性参数建立内部参数模型，并根据该内部参数模型控制数模转换器30输出相应的电压信号；所述电压信号经电流环路发送器转换成4～20mA电流信号输出；此时，电流环路变换器31测得的电流即代表了一定的粉尘浓度。

所述感应套管23由耐高温，阻抗大的材料制成，本实施例中，所述感应套管23为聚四氟乙烯套管。

所述隔离单元28包括用于隔离电源的隔离变压器和用于隔离数字信号的隔离芯片。所述外界电源供给的电源经隔离变压器传送到所述模数转换器27、滤波器25和电荷放大器24；所述模数转换器27产生的数字信号经隔离芯片通向微处理器29。本实施例中，所述隔离芯片采用ADI系列的隔离芯片。

本发明中，所述滤波器25为积分滤波器。

为能从仪表上直接读出粉尘浓度，本实施例中，所述粉尘浓度仪还包括液晶显示屏(图中未示)和保护盖34。所述液晶显示屏与所述微处理器29连接，并嵌设在所述壳体21上；所述保护盖34盖设在所述液晶显示屏上。所述保护盖34具有透明的窗口，透过该透明的窗口可观测到所述液晶显示屏显示的浓度值。所述微处理器29根据电流与浓度的线性关系，将电路中产生的电流转换成浓度，并在液晶显示屏上显示。

为方便对仪表进行参数设置，使得无需与上位机连接即可设置仪表参数，本实施例中，所述粉尘浓度仪还包括按键模块(图中未示)。所述按键模块与所述微处理器29连接，并嵌设在所述壳体21上；所述保护盖34盖设在所述液晶显示屏上。当需要设置仪表参数时，可打开保护盖34，通过按键模块实现参数的设置。

进一步，在电流环路变换器31与外界电源的连接电路上串联一电流表，通过所述电流表可以读出与粉尘浓度相对应的电流值。或者在电流采样电阻33两端并联一电压表，即可获得与粉尘浓度对应的电压。

以下详细说明所述粉尘浓度仪的工作过程：将粉尘浓度仪设置在通风管道内，当粉尘与所述感应套管23产生碰撞后，所述感应套管23便会吸附粉尘的电荷，使所述感应套管23上的电荷发生移动，这种移动将间接地感应所述金属感应棒22上的电荷发生扰动，这种扰动即为围绕电荷标准偏移的扰动量，粉尘浓度越高，扰动量就越大，所述金属感应棒22则将产生与扰动量对应的交流电信号。并且粉尘与所述感应套管23碰撞后，由于感应套管23的阻抗大，进而可使感应套管23上的电荷发生变化而不会被吸收，从而可间接增大金属感应棒22上电荷的扰动，进而产生完整的交流电信号。所述交流信号通过电荷放大器24放大并转换成电压信号；再经过积分滤波器25滤波后获得一定时间内累积的信号，也就是金属感应棒22的干扰量；接着经过信号跟随器26输出稳定的交流电压信号；再通过模数转换器27将模拟交流电压信号转换成数字信号；接着通过隔离单元28输出稳定的数字信号后，传送给所述微处理器29。所述微处理器29根据标定时下载的内部参数模型，控制所述数模转换器30输出相应的电压信号；电压信号经过电流环路变换器31转换成4-20mA的电流信号输出。通过观察电流表即可获得管道内的粉尘浓度所对应的电流，再将该电流进行线性计算，即可获得管道内的粉尘浓度。同时，微处理器29根据内部参数模型也可将数字信号直接计算转换成浓度，在所述液晶显示屏上也可直接读出粉尘浓度值。

对于新产的粉尘浓度仪需要进行标定，本实施例中，以标定量程为0-100mg/m³的粉尘浓度仪为例，在电流采样电阻33的两端并联一个HART转接端子，用于与外界的PC上位机通信。将所述电荷放大器24、滤波器25等电子器件设置在所述壳体21内，将所述金属感应棒22设置在所述壳体21内并外露其一端。本实施例中，采用标准标定设备对粉尘浓度仪进行标定，标准标定设备包括可输出标准0-1000mg/m³粉尘浓度的标准粉尘源(图中未示)和标准金属管道35。将可输出标准0-1000mg/m³粉尘浓度的标准粉尘源通向标准金属管道35内，在标准金属管道35上焊接一安装套管36，将所述粉尘浓度仪直接拧到安装套管36上，使金属感应棒22外露的一端插入标准金属管道35内并检测管道内的粉尘浓度。接着给所述粉尘浓度仪供电，确定通信正常后，开始标定，通常标定点选择零、中、满三点。具体如下：

首先标定零点，控制标准粉尘源输出0mg/m³的粉尘浓度，观察PC上位机采集到的电流值，待其稳定以后采集。接着标定中点，即控制标准粉尘源输出50mg/m³的粉尘浓度，观察PC上位机采集到的电流值，待其稳定以后采集。然后标定满点，即控制标准粉尘源输出100mg/m³的粉尘浓度，观察上位机采集到的电流值，待其稳定以后采集。将外界的PC上位机采集到的电流值进行线性化计算，并将计算好的线性参数转换成USB信号，通过HART转接端子转换成HART信号，再通过HART调制解调器32转换成UART信号，进而将线性参数下载到微处理器29内，标定就完成了，电流环路变换器31端测得的电流即代表了一定的粉尘浓度。

最后就是校验，在电流环路变换器31与外界电源的连接电路上串联一电流表，用于检查输出电流。重新控制标准粉尘源输出0～100mg/m³的粉尘，观察电流表上的输出电流是否准确，比如，控制标准粉尘源输出的粉尘浓度为0mg/m³，查看电流表上的输出电流是否等于4mA；控制标准粉尘源输出的粉尘浓度为50mg/m³，查看电流表上的输出电流是否等于12mA；控制标准粉尘源输出的粉尘浓度为100mg/m³，查看电流表上的输出电流是否等于20mA。如果校验合格，即代表粉尘浓度仪是合格的。

当需要修改参数时，只需要在PC上位机或通过按键模块进行修改，重载微处理器的内部参数模型即可，操作简单，使用方便。后期需要对仪表进行维修时，通过HART调制解调器与PC上位机进行数字通信，即可检测并维护仪表。

相比于现有技术，本发明通过在所述金属感应棒上套设所述感应套管，并吸附落在所述感应套管上的粉尘的电荷，进而间接感应所述金属感应棒上的电荷，使金属感应棒上的电荷发生扰动，并产生交流电信号，相比于现有技术用直流信号测量的方式，代表电荷扰动的交流电信号，可使测量值更加准确。进一步地，通过HART调制解调器实现了数字通信，可以很方便的对仪表进行线性化标定和维护，缩短了生产的时间，即使现场仪表数量很多时，也可方便的通过HART通信进行抄表。同时，通过微处理器的软件模型进行标定，可让仪表的线性误差更小。通过隔离单元，将金属感应棒端与电源输入端隔开，使得仪表可承受现场的高强度的干扰。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种粉尘浓度仪，其特征在于：包括金属感应棒、感应套管、电荷放大器、滤波器、信号跟随器和电流环路变换器；所述感应套管套设在所述金属感应棒的一端；所述金属感应棒的另一端与所述电荷放大器连接；所述感应套管吸附落在其上的粉尘的电荷，以感应所述金属感应棒形成交流电信号，并传送到所述电荷放大器；所述电荷放大器放大该交流电信号并转换成电压信号后，通过所述滤波器滤波传送到所述信号跟随器；所述信号跟随器稳定该电压信号，并传送到所述电流环路变换器，所述电流环路变换器输出与粉尘浓度对应的电流；且所述电流环路变换器与外界电源电连接。

2.根据权利要求1所述的粉尘浓度仪，其特征在：还包括串接在信号跟随器和电流环路变换器之间的模数转换器、微处理器和数模转换器；所述信号跟随器稳定电压信号，并通过所述模数转换器转换成数字信号后传送到所述微处理器；所述微处理器通过所述数模转换器转换成模拟信号后传送到所述电流环路变换器。

3.根据权利要求2所述的粉尘浓度仪，其特征在：还包括HART调制解调器；所述HART调制解调器一端与所述微处理器信号连接，另一端与所述电流环路变换器的电源输入端连接。

4.根据权利要求3所述的粉尘浓度仪，其特征在：还包括隔离单元；所述隔离单元包括用于隔离电源的隔离变压器和用于隔离数字信号的隔离芯片；外界电源供给的电源通过隔离变压器传送到所述模数转换器、滤波器和电荷放大器；所述模数转换器产生的数字信号通过隔离芯片传送到所述微处理器。

5.根据权利要求2-4中任一权利要求所述的粉尘浓度仪，其特征在：还包括液晶显示屏，所述液晶显示屏与所述微处理器连接。

6.根据权利要求5所述的粉尘浓度仪，其特征在：还包括按键模块；所述按键模块与所述微处理器连接。

7.根据权利要求6所述的粉尘浓度仪，其特征在：还包括壳体和保护盖；所述液晶显示屏和按键模块嵌设在壳体上，所述保护盖盖设在所述液晶显示屏和按键模块上。

8.根据权利要求1所述的粉尘浓度仪，其特征在：所述感应套管为聚四氟乙烯套管。

9.根据权利要求1所述的粉尘浓度仪，其特征在：所述滤波器为积分滤波器。

10.根据权利要求1所述的粉尘浓度仪，其特征在：还包括电流采样电阻；所述电流环路变换器通过所述电流采样电阻与外界电源连接。