CN218629419U - 一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种悬浮物污泥浓度测量电路，尤其涉及一种宽范围悬浮物污泥浓度测量系统一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，包括光电信号发射单元和光电信号接收单元，所述光电信号发射单元光电二极管和DAC调光电路，所述光电信号接收单元包括光电接收二极管D1，增益切换电路，IV变换电路，差分信号放大电路，差分信号检出电路，AD转换电路，本实用新型通过光亮切换搭配切换增益，可兼顾测量500NTU以下及5000NTU以上的悬浮物浓度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种悬浮物污泥浓度测量电路，尤其涉及一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路。
背景技术
现有悬浮物污泥浓度仪表大多采用分光光度法通过对某波长光透过溶液中的悬浮物颗粒后光的投射能力来衡量该溶液的浓度。而对于宽范围(兼顾500NTU以下及5000NTU以上)的悬浮物污泥浓度仪测量，基本要使用透射式分光光度法来测量液体的悬浮物污泥浓度。由于浓度较低时，被透射的光线极强，但浓度较高时，透视的光线又极弱，并且高低浓度溶液中，测量信号的线性度不一致，导致测量信号的转换误差较大、校正补偿复杂，因此市面上的悬浮物污泥浓度计无法兼顾高低浓度的准确测量，一般悬浮物浓度计只针对1000NTU及以上的测量环境。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，通过增益切换，在测量悬浮物浓度低的溶液时低亮度搭配低增益，在测量悬浮物浓度高的溶液时高亮度搭配高增益，可兼顾测量500NTU以下及5000NTU以上的悬浮物浓度。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下的技术方案：
一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，包括光电信号发射单元和光电信号接收单元；
所述光电信号发射单元包括：
光电二极管，用于作为发射光信号的光源；
DAC调光电路，用于调节光电二极管的发光强度；
所述光电信号发射单元使用常规DAC调光电路，在此不作赘述。
所述光电信号接收单元包括：
光电接收二极管D1，用于接收光电二极管经过悬浮物后的透射光信号；
增益切换电路，与光电接收二极管连接，用于根据悬浮物的浓度范围进行增益切换；
IV变换电路，与增益切换电路连接，用于将调整后的光电流信号转换为电压信号；
差分信号放大电路，与IV变换电路连接，用于放大IV变换电路输出的电压信号；
差分信号检出电路，与差分信号放大电路连接，用于对差分信号进行处理并输出；AD转换电路，与差分信号检出电路连接，用于将差分信号检出电路输出的模拟信号转换为数字信号。
优选的，所述增益切换电路包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、模拟开关芯片U7，所述运算放大器U1B的反向输入端与光电接收二极管D1的阳极连接，光电接收二极管D1的阴极与运算放大器U1A的反向输入端连接，所述运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R3后连接基准电源，运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R4后接地，且运算放大器U1A的正向输入端与运算放大器U1B的正向输入端连接，运算放大器U1A和运算放大器U1B的正电源端均连接有基准电源且均串联电容C3后接地，运算放大器U1A和运算放大器U1B的负电源端均接地，所述运算放大器U1A的反向输入端和输出端之间串联有电容C1，所述运算放大器U1A的反向输入端和模拟开关芯片U7的NO1引脚之间串联有电阻R21，所述运算放大器U1A的反向输入端和模拟开关芯片U7的NC1引脚之间串联有电阻R1,运算放大器U1A的输出端与模拟开关芯片U7的COM1引脚连接，同样的，运算放大器U1B的反向输入端和输出端之间串联有电容C2，所述运算放大器U1B的反向输入端和模拟开关芯片U7的NO2引脚之间串联有电阻R2，所述运算放大器U1B的反向输入端和模拟开关芯片U7的NC2引脚之间串联有电阻R22,运算放大器U1B的输出端与模拟开关芯片U7的COM2引脚连接,模拟开关芯片U7的IN1引脚和IN2引脚均连接高低增益信号切换线，模拟开关芯片U7的电源端连接基准电源，接地端接地。
优选的，所述IV变换电路和差分信号放大电路包括运算放大器U2A和运算放大器U2B，所述模拟开关芯片U7的COM1引脚与运算放大器U2A的正向输入端连接，所述模拟开关芯片U7的COM1引脚端串联电阻R7后接地，所述运算放大器U2A的反向输入端与输出端之间串联有电阻R5，同样的，所述模拟开关芯片U7的COM2引脚与运算放大器U2B的正向输入端连接，所述模拟开关芯片U7的COM2引脚端串联电阻R12后接地，所述运算放大器U2B的反向输入端与输出端之间串联有电阻R6，运算放大器U2A和运算放大器U2B的正电源端均连接基准电压且均串联电容C5后接地，运算放大器U2A和运算放大器U2B的负电源端均接地。
优选的，所述差分信号检出电路包括运算放大器U5A，所述运算放大器U2A的输出端与运算放大器U5A的正向输入端之间串联有电阻R8，所述运算放大器U2B的输出端与运算放大器U5A的反向输入端之间串联有电阻R9，所述运算放大器U5A的正向输入端串联电阻R10后接地，所述电阻R10的两端并联有电容C7，所述运算放大器U5A的反向输入端与输出端之间串联有电阻R11，所述电阻R11的两端并联有电容C8，所述运算放大器U5A的正电源端连接基准电源，所述运算放大器U5A的负电源端接地，所述运算放大器U5A的输出端为模拟信号输出端。
优选的，所述运算放大器U2A的反向输入端与数字电位器的L引脚连接，所述运算放大器U2B的反向输入端与数字电位器的W引脚连接。
优选的，所述基准电源为5V。
本实用新型的有益效果是：通过增益切换，在测量悬浮物浓度低的溶液时低亮度搭配低增益，在测量悬浮物浓度高的溶液时高亮度搭配高增益，可兼顾测量500NTU以下及5000NTU以上的悬浮物浓度。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型光电信号接收电路模块图；
图2是本实用新型光电信号电路图；
图3是本实用新型数字电位计电路图；
图4是本实用新型数模转换电路图；
图5是本实用新型发光二极管发光周期图；
图6是本实用新型浓度值和光电接收值线性曲线图；
图7是本实用新型高低增益测量参数图；
图8是本实用新型低增益测量对比图；
图9是本实用新型高增益测量对比图；
具体实施方式
如图1至4所示的一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，在本实施例中，包括光电信号发射单元和光电信号接收单元，光电信号发射单元包括：
光电二极管，用于作为发射光信号的光源。
DAC调光电路，用于调节光电二极管的发光强度。
光电信号发射单元使用常规DAC调光电路，在此不作赘述。
光电信号接收单元包括：
光电接收二极管D1，用于接收光电二极管经过悬浮物后的透射光信号。
增益切换电路，与光电接收二极管连接，用于根据悬浮物的浓度范围进行增益切换。
电路中基准电源均为5V。
增益切换电路包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、模拟开关芯片U7，运算放大器U1B的反向输入端与光电接收二极管D1的阳极连接，光电接收二极管D1的阴极与运算放大器U1A的反向输入端连接，运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R3后连接基准电源，运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R4后接地，且运算放大器U1A的正向输入端与运算放大器U1B的正向输入端连接，运算放大器U1A和运算放大器U1B的正电源端均连接有基准电源且均串联电容C3后接地，运算放大器U1A和运算放大器U1B的负电源端均接地，运算放大器U1A的反向输入端和输出端之间串联有电容C1，运算放大器U1A的反向输入端和模拟开关芯片U7的NO1引脚之间串联有电阻R21，运算放大器U1A的反向输入端和模拟开关芯片U7的NC1引脚之间串联有电阻R1,运算放大器U1A的输出端与模拟开关芯片U7的COM1引脚连接，同样的，运算放大器U1B的反向输入端和输出端之间串联有电容C2，运算放大器U1B的反向输入端和模拟开关芯片U7的NO2引脚之间串联有电阻R2，运算放大器U1B的反向输入端和模拟开关芯片U7的NC2引脚之间串联有电阻R22,运算放大器U1B的输出端与模拟开关芯片U7的COM2引脚连接,模拟开关芯片U7的IN1引脚和IN2引脚均连接高低增益信号切换线，模拟开关芯片U7的电源端连接基准电源，接地端接地。
IV变换电路，与增益切换电路连接，用于将调整后的光电流信号转换为电压信号，差分信号放大电路，与IV变换电路连接，用于放大IV变换电路输出的电压信号。
IV变换电路和差分信号放大电路包括运算放大器U2A和运算放大器U2B，模拟开关芯片U7的COM1引脚与运算放大器U2A的正向输入端连接，模拟开关芯片U7的COM1引脚端串联电阻R7后接地，运算放大器U2A的反向输入端与输出端之间串联有电阻R5，同样的，模拟开关芯片U7的COM2引脚与运算放大器U2B的正向输入端连接，模拟开关芯片U7的COM2引脚端串联电阻R12后接地，运算放大器U2B的反向输入端与输出端之间串联有电阻R6，运算放大器U2A和运算放大器U2B的正电源端均连接基准电压且均串联电容C5后接地，运算放大器U2A和运算放大器U2B的负电源端均接地。
所述运算放大器U2A的反向输入端与数字电位器的L引脚连接，所述运算放大器U2B的反向输入端与数字电位器的W引脚连接。
差分信号检出电路，与差分信号放大电路连接，用于对差分信号进行处理并输出。
差分信号检出电路包括运算放大器U5A，运算放大器U2A的输出端与运算放大器U5A的正向输入端之间串联有电阻R8，运算放大器U2B的输出端与运算放大器U5A的反向输入端之间串联有电阻R9，运算放大器U5A的正向输入端串联电阻R10后接地，电阻R10的两端并联有电容C7，运算放大器U5A的反向输入端与输出端之间串联有电阻R11，电阻R11的两端并联有电容C8，运算放大器U5A的正电源端连接基准电源，运算放大器U5A的负电源端接地，运算放大器U5A的输出端为模拟信号输出端。
AD转换电路，与差分信号检出电路连接，用于将差分信号检出电路输出的模拟信号转换为数字信号。
测量之前，需测量0NTU及2000NTU的悬浮液，以调试出适合发光二极管低增益模式下光亮值，测量2000NTU及8000NTU的悬浮液，以调试出适合发光二极管高增益模式下光亮值，用于后期测量切换模式时配置参数；同时记录当前的接收信号值，用于测量切换模式的条件判断。固化光亮值后，分别两点标定低增益及多段标定高增益，以确定其线性。
如图5所示，发光二极管根据设定的光亮值周期性发光，每9.5ms发光一次。同时接收端会在接收到透射光电信号后将接收信号硬件hold，便于采集稳定信号，每周期采集200组接收信号，冒泡排序后，取中间段100组做平均后用于计算测量值，做平均后的光电接收信号，根据当前的发光模式，高增益或低增益，对应当前的线性参数计算得到该模式下的测量值。
如图6-9所示，进行线性参数的确认，低浓度范围内，光电信号与被测溶液浓度值呈直线性比例，可根据低增益两个标定点确认其直线性的斜率及零点偏移量，计算得出测量值；高浓度时，光电信号与被测溶液浓度值呈非线性，故高增益采用多点标定，将非线性的曲线分别画作多段直线，根据接收到得光电信号，做差值运算，先确定其落入区间段，后根据区间段的斜率及零点偏移量，计算得出测量值。高增益多点标定时，尽可能多标定标定点，保证其段内偏差最小，使得测量值更贴合实际浓度值。
如测量值范围超出该模式的上下限值，系统自动切换高低亮度发光模式及参数，并且当前计算的测量值不用于显示及传输，切换后，计算所得测量值符合该模式的测量范围，则该测量值用于仪表正常显示及传输。确保模式间顺利平滑切换，不会因为偶发干扰值或其他原因造成测量数值不稳定误显示。
本实用新型的工作原理是：在光电信号发射单元，通过DAC调光电路调节光电二极管的光亮值，在光电信号接收单元中，进行增益调节，在低浓度悬浮物中，光线透视度较强，使用低亮度搭配低增益，以确保信号不会达到饱和状态；在高浓度悬浮物中，光线透视度较弱，使用高亮度搭配高增益，以确保采集信号不会太弱导致接收不到信号。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，包括光电信号发射单元和光电信号接收单元，其特征在于，
所述光电信号发射单元包括：
光电二极管，用于作为发射光信号的光源；
DAC调光电路，用于调节光电二极管的发光强度；
所述光电信号接收单元包括：
光电接收二极管D1，用于接收光电二极管经过悬浮物后的透射光信号；
增益切换电路，与光电接收二极管连接，用于根据悬浮物的浓度范围进行增益切换；
IV变换电路，与增益切换电路连接，用于将调整后的光电流信号转换为电压信号；
差分信号放大电路，与IV变换电路连接，用于放大IV变换电路输出的电压信号；
差分信号检出电路，与差分信号放大电路连接，用于对差分信号进行处理并输出；AD转换电路，与差分信号检出电路连接，用于将差分信号检出电路输出的模拟信号转换为数字信号。
2.根据权利要求1所述的一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，其特征在于：所述增益切换电路包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、模拟开关芯片U7，所述运算放大器U1B的反向输入端与光电接收二极管D1的阳极连接，光电接收二极管D1的阴极与运算放大器U1A的反向输入端连接，所述运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R3后连接基准电源，运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R4后接地，且运算放大器U1A的正向输入端与运算放大器U1B的正向输入端连接，运算放大器U1A和运算放大器U1B的正电源端均连接有基准电源且均串联电容C3后接地，运算放大器U1A和运算放大器U1B的负电源端均接地，所述运算放大器U1A的反向输入端和输出端之间串联有电容C1，所述运算放大器U1A的反向输入端和模拟开关芯片U7的NO1引脚之间串联有电阻R21，所述运算放大器U1A的反向输入端和模拟开关芯片U7的NC1引脚之间串联有电阻R1,运算放大器U1A的输出端与模拟开关芯片U7的COM1引脚连接，同样的，运算放大器U1B的反向输入端和输出端之间串联有电容C2，所述运算放大器U1B的反向输入端和模拟开关芯片U7的NO2引脚之间串联有电阻R2，所述运算放大器U1B的反向输入端和模拟开关芯片U7的NC2引脚之间串联有电阻R22,运算放大器U1B的输出端与模拟开关芯片U7的COM2引脚连接,模拟开关芯片U7的IN1引脚和IN2引脚均连接高低增益信号切换线，模拟开关芯片U7的电源端连接基准电源，接地端接地。
3.根据权利要求2所述的一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，其特征在于：所述IV变换电路和差分信号放大电路包括运算放大器U2A和运算放大器U2B，所述模拟开关芯片U7的COM1引脚与运算放大器U2A的正向输入端连接，所述模拟开关芯片U7的COM1引脚端串联电阻R7后接地，所述运算放大器U2A的反向输入端与输出端之间串联有电阻R5，同样的，所述模拟开关芯片U7的COM2引脚与运算放大器U2B的正向输入端连接，所述模拟开关芯片U7的COM2引脚端串联电阻R12后接地，所述运算放大器U2B的反向输入端与输出端之间串联有电阻R6，运算放大器U2A和运算放大器U2B的正电源端均连接基准电压且均串联电容C5后接地，运算放大器U2A和运算放大器U2B的负电源端均接地。
4.根据权利要求3所述的一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，其特征在于：所述差分信号检出电路包括运算放大器U5A，所述运算放大器U2A的输出端与运算放大器U5A的正向输入端之间串联有电阻R8，所述运算放大器U2B的输出端与运算放大器U5A的反向输入端之间串联有电阻R9，所述运算放大器U5A的正向输入端串联电阻R10后接地，所述电阻R10的两端并联有电容C7，所述运算放大器U5A的反向输入端与输出端之间串联有电阻R11，所述电阻R11的两端并联有电容C8，所述运算放大器U5A的正电源端连接基准电源，所述运算放大器U5A的负电源端接地，所述运算放大器U5A的输出端为模拟信号输出端。
5.根据权利要求3所述的一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，其特征在于：所述运算放大器U2A的反向输入端与数字电位器的L引脚连接，所述运算放大器U2B的反向输入端与数字电位器的W引脚连接。
6.根据权利要求3所述的一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路，其特征在于：所述基准电源为5V。
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| CN202222961958.XU Active CN218629419U (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 一种宽范围悬浮物污泥浓度测量电路 |
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