粉塵濃度儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種粉塵濃度儀，包括用于產生電壓信號Vout1的初級放大器電路、用于產生電壓信號Vout2的可選增益運算放大器電路和用于產生電壓信號Vout3和電壓信號Vout4末端跟隨電路，以及主控芯片和配套的模數轉換和數模轉換電路。本實用新型同時提取探桿電荷感應電動勢形成的電壓信號中的直流和交流分量，主控芯片同時對直流和交流分量同時進行分析，并且形成反饋回路，反饋信號由直流分量和帶偏置的模擬交流分量組成，可以同時對直流信號和交流信號進行反饋，更能準確的計算探桿中檢測到的電荷。另外可編程增益運算放大器電路方便對不同粉塵形成的電荷進行校準，使得該電路能適用于各種不同結構的粉塵。
【專利說明】粉塵濃度儀
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于粉塵濃度測量【技術領域】，具體涉及一種對排放粉塵濃度進行在線實時檢測的儀器。
【背景技術】
[0002]粉塵濃度儀根據應用領域的不同，可以分為環境粉塵儀以及管道粉塵儀。
[0003]環境粉塵儀用于測量開放空間的粉塵或顆粒物濃度。可廣泛應用于各行業對廠房，工作環境，作業空間，辦公室，室外空間等等進行在線實時粉塵濃度監測，以及礦山及煤礦井下等特殊的工業工作環境粉塵濃度監測。
[0004]管道粉塵儀可以用來監測各類煙氣管道粉塵濃度趨勢變化，固定污染源粉塵排放監測以及固體粉料輸送過程和配比控制。通常安裝于過濾器、旋風器或類似設備的下游，監測固體顆粒濃度，防止泄漏發生，提供早期預警。可廣泛應用于電廠，冶金，化工和鑄造等領域。
[0005]目前，粉塵濃度檢測儀主要有電容法、β射線法、光散射法、光吸收法、摩擦電法等粉塵濃度在線測量方法。電容法的測量原理簡單，但電容測量值與濃度之間并非一一對應的線性關系，電容的測量值易受相分布及流型變化的影響，導致較大的測量誤差；β射線法雖然測量準確，但需要對粉塵進行采樣后對比測量，很難實現粉塵濃度的在線監測。因此，目前較為成熟的方式是采用光散射法、光吸收法、摩擦電法進行粉塵濃度在線監測。而摩擦電法相對于光學法具有如下優勢:可以測量非常小的顆粒；不受振動影響；粉塵的顏色不影響測量；沒有光學窗口需要保持干凈。因此成為了目前粉塵濃度儀的研究發展方向。
[0006]但是，基于摩擦電法的粉塵濃度儀采用的是交流靜電感應原理，由于粉塵顆粒相互運動摩擦而感應電荷，當粉塵荷電接觸或經過傳感器電極附近或碰撞傳感器時，在電極上感應電動勢。由于其感應電動勢非常微弱，因此對于處理的硬件電路和軟件算法提出了很高的要求。
[0007]因此，能否提供一種粉塵檢測精度高、制造成本低、又能安全使用并且工作可靠優異的粉塵濃度檢測儀是目前有待解決的技術問題。
實用新型內容
[0008]為了解決上述問題，本實用新型的目的是提供一種電路結構可靠，檢測精度高，免維護的粉塵濃度檢測儀。
[0009]本實用新型提出了如下技術解決方案:一種粉塵濃度檢測儀，包括電荷信號傳感器，放大電路和跟隨器，電荷信號傳感器的信號輸出端與初級放大電路的信號輸入端Signal連接，初級放大器電路的輸出端電壓信號Voutl與可選增益運算放大器電路輸入端連接，可選增益運算放大器電路的輸出端電壓信號Vout2與末端跟隨電路的輸入端連接，末端跟隨電路的輸出端交流電壓信號Vout3與模數轉換電路連接，末端跟隨電路的輸出端直流電壓信號Vout4與模數轉換電路連接。
[0010]所述的初級放大器電路包括超超低輸入電流運算放大器U1，電阻R1、R2、R3、R4和濾波電容C1、C2、C3、C4組成，電流運算放大器Ul的信號輸入端Signal與輸出端電壓信號Voutl的負輸入端之間連接電阻Rl和電容Cl，信號輸入端Signal與電流運算放大器Ul之間連接電阻R2，偏置電壓信號Vbias與電流運算放大器Ul的正輸入端之間連接電阻R3，電流運算放大器Ul的正輸入端通過電阻R4接地，并通過電容C2接地。信號輸入端Signal為摩擦電荷產生的感應電動勢信號。電流運算放大器Ul選用LMC6001，當選取R3 = R2，R4=Rl時，輸出電壓Voutl = Vbias-Signal。用于將由摩擦電荷產生的感應電動勢信號，實現超超低電流輸入信號放大，并增加偏置電壓調整，輸出給下一級電路。
[0011]所述的可選增益運算放大器電路包括增益可編程運算放大器U2，選擇信號ASel與增益可編程運算放大器U2電流輸入端連接，來自電流運算放大器Ul的輸出端電壓信號Voutl與增益可編程運算放大器U2輸入端負極連接，兩組模擬信號Vdacl和Vdac2、偏置電壓信號Vbias分別經過電阻R5和電阻R6、電阻R7與增益可編程運算放大器U2輸入端正極連接，電阻R5、R6、R7組成。增益可編程運算放大器U2選用低噪聲增益可編程運算放大器PGA205，數字信號ASel可以選擇增益可編程運算放大器U2的增益，通過進行增益大小的選擇，選擇不同粉塵顆粒大小對電荷的比例關系。同時通過兩組數模轉換器形成模擬信號Vdacl、Vdac2，其中Vdacl為直流反饋信號，Vdac2為模擬的帶偏置電壓的交流反饋信號，通過電阻R5、R6、R7形成運算放大器的+端輸入，最后輸出電壓:
[0012]Vout2 = G*[(R6*R7*Vdacl+R5*R7*Vdac2+R5*R6*Vbia)/(R5*R6+R5*R7+R6*R7)-Voutl]ο
[0013]所述的末端跟隨器電路通過兩組跟隨器將Vout2分成兩路，Vout2第一路信號通過電阻R9與運算放大器U3正極輸入端連接，運算放大器U3負極輸入端與輸出端連接電阻R9，運算放大器U3輸出端依次經過電容C5、二極管Dl和電阻R12后與運算放大器U4的正極輸入端連接，運算放大器U4正極輸入端輸入端通過電容C6與地連接，運算放大器U4的負極輸入端與輸出端分別連接電阻Rll和電容C7，運算放大器U4輸出端為交流電壓信號Vout3，進入模數轉換，供讀取。Vout2第二路信號通過電阻R12與運算放大器U5輸入端正極連接，運算放大器U5輸入端負極與輸出端連接電阻R18，運算放大器U5輸出端與低通濾波器U6的輸入端連接，低通濾波器U6的輸出端為直流電壓信號Vout4，進入模數轉換，供讀取。U3、U5、U4選取低噪聲、非斬波穩零的雙極型高精度運算放大器0P07，主要作用是降低輸出阻抗。U6選取高精度低噪聲高性能的低通濾波器LTC1063，可以十分精確的提取信號中的低通信號分量。
[0014]信號經過濾波分成直流分量和交流分量分別采樣進主芯片，主芯片通過DAC加上偏置形成反饋，可以通過信號標定校準粉塵濃度。
[0015]本實用新型的有益效果:可應用于電廠、水泥廠等排放粉塵煙氣的工廠的排煙管道內，對排放的粉塵濃度進行在線實時檢測。本實用新型由于同時提取探桿電荷感應電動勢形成的電壓信號中的直流和交流分量，同時對直流和交流分量同時進行分析，并且形成反饋回路，反饋信號由直流分量和帶偏置的模擬交流分量組成，可以同時對直流信號和交流信號進行反饋，更能準確的計算探桿中檢測到的電荷。另外可編程增益運算放大器電路方便對不同粉塵形成的電荷進行校準，使得該電路能適用于各種不同結構的粉塵。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型的原理框圖
[0017]圖2為圖1所示的初級放大器電路的電氣原理圖
[0018]圖3為圖1所示的可選增益運算放大器電路的電氣原理圖
[0019]圖4為圖1所示的末端跟隨電路的電氣原理圖
【具體實施方式】
[0020]一種粉塵濃度檢測儀，參見圖1，包括電荷信號傳感器、用于產生電壓信號Voutl的初級放大器電路、用于產生電壓信號Vout2的可選增益運算放大器電路和用于產生電壓信號Vout3和Vout4末端跟隨電路，以及主控芯片和配套的模數轉換和數模轉換電路。
[0021]電荷信號傳感器的信號輸出端與初級放大電路的信號輸入端Signal連接,初級放大器電路的輸出端電壓信號Voutl與可選增益運算放大器電路輸入端連接，可選增益運算放大器電路的輸出端電壓信號Vout2與末端跟隨電路的輸入端連接，末端跟隨電路的輸出端交流電壓信號Vout3與模數轉換電路連接，通過模數轉換電路轉換輸入主控芯片，末端跟隨電路的輸出端直流電壓信號Vout4與模數轉換電路連接，通過模數轉換電路轉換輸入主控芯片；主控芯片同時通過數模轉換輸出偏置電壓Vbias給初級放大器電路和可選增益運算放大器電路。
[0022]參見圖2，初級放大器電路包括超超低輸入電流運算放大器U1，電阻R1、R2、R3、R4和濾波電容C1、C2、C3、C4組成，電流運算放大器Ul的信號輸入端Signal與輸出端電壓信號Voutl的負輸入端之間連接電阻Rl和電容Cl，信號輸入端Signal與電流運算放大器Ul之間連接電阻R2，來自主控芯片的偏置電壓信號Vbias與電流運算放大器Ul的正輸入端之間連接電阻R3，電流運算放大器Ul的正輸入端通過電阻R4接地，并通過電容C2接地。信號輸入端Signal為摩擦電荷產生的感應電動勢信號。電流運算放大器Ul選用LMC6001，當選取R3 = R2，R4 = Rl時，輸出電壓Voutl = Vbias-Signal。用于將由摩擦電荷產生的感應電動勢信號，實現超超低電流輸入信號放大，并增加偏置電壓調整，輸出給下一級電路。
[0023]參見圖3，可選增益運算放大器電路包括增益可編程運算放大器U2，來自主控芯片的選擇信號ASel與增益可編程運算放大器U2電流輸入端連接，來自電流運算放大器Ul的輸出端電壓信號Voutl與增益可編程運算放大器U2輸入端負極連接，來自主控芯片的兩組模擬信號Vdacl和Vdac2、偏置電壓信號Vbias分別經過電阻R5和電阻R6、電阻R7與增益可編程運算放大器U2輸入端正極連接，電阻R5、R6、R7組成。增益可編程運算放大器U2選用低噪聲增益可編程運算放大器PGA205，從主控芯片傳送的數字信號ASel可以選擇增益可編程運算放大器U2的增益，通過主控芯片進行增益大小的選擇，選擇不同粉塵顆粒大小對電荷的比例關系。同時主控芯片通過兩組數模轉換器形成模擬信號Vdacl、Vdac2，其中Vdacl為直流反饋信號，Vdac2為模擬的帶偏置電壓的交流反饋信號，通過電阻R5、R6、R7形成運算放大器的+端輸入，最后輸出電壓:
[0024]Vout2 = G*[(R6*R7*Vdacl+R5*R7*Vdac2+R5*R6*Vbia)/(R5*R6+R5*R7+R6*R7)-Voutl]( “其中G由主控芯片信號Asel可編程”)。
[0025]參見圖4，末端跟隨器電路通過兩組跟隨器將Vout2分成兩路，Vout2第一路信號通過電阻R9與運算放大器U3正極輸入端連接，運算放大器U3負極輸入端與輸出端連接電阻R9，運算放大器U3輸出端依次經過電容C5、二極管Dl和電阻R12后與運算放大器U4的正極輸入端連接，運算放大器U4正極輸入端輸入端通過電容C6與地連接，運算放大器U4的負極輸入端與輸出端分別連接電阻Rll和電容C7，運算放大器U4輸出端為交流電壓信號Vout3，進入模數轉換，供主控芯片讀取。Vout2第二路信號通過電阻R12與運算放大器U5輸入端正極連接，運算放大器U5輸入端負極與輸出端連接電阻R18，運算放大器U5輸出端與低通濾波器U6的輸入端連接，低通濾波器U6的輸出端為直流電壓信號Vout4，進入模數轉換，供主控芯片讀取。U3、U5、U4選取低噪聲、非斬波穩零的雙極型高精度運算放大器0P07，主要作用是降低輸出阻抗。U6選取高精度低噪聲高性能的低通濾波器LTC1063，可以十分精確的提取信號中的低通信號分量。
[0026]信號經過濾波分成直流分量和交流分量分別采樣進主芯片，主芯片通過DAC加上偏置形成反饋，可以通過信號標定校準粉塵濃度。
【權利要求】
1.一種粉塵濃度儀，包括電荷信號傳感器，初級放大器電路和末端跟隨器電路，其特征在于，初級放大器電路包括超超低輸入電流運算放大器U1，電流運算放大器Ul的信號輸入端Signal與輸出端電壓信號Voutl的負輸入端之間連接電阻Rl和電容Cl,信號輸入端Signal與電流運算放大器Ul之間連接電阻R2，偏置電壓信號Vbias與電流運算放大器Ul的正輸入端之間連接電阻R3，電流運算放大器Ul的正輸入端通過電阻R4接地，并通過電容C2接地；可選增益運算放大器電路包括增益可編程運算放大器U2，選擇信號ASel與增益可編程運算放大器U2電流輸入端連接，來自電流運算放大器Ul的輸出端電壓信號Voutl與增益可編程運算放大器U2輸入端負極連接；兩組模擬信號Vdacl和Vdac2、偏置電壓信號Vbias分別經過電阻R5和電阻R6、電阻R7與增益可編程運算放大器U2輸入端正極連接；末端跟隨器電路通過兩組跟隨器將Vout2分成兩路，Vout2第一路信號通過電阻R9與運算放大器U3正極輸入端連接，運算放大器U3負極輸入端與輸出端連接電阻R9，運算放大器U3輸出端依次經過電容C5、二極管Dl和電阻R12后與運算放大器U4的正極輸入端連接，運算放大器U4正極輸入端輸入端通過電容C6與地連接，運算放大器U4的負極輸入端與輸出端分別連接電阻Rll和電容C7，運算放大器U4輸出端為交流電壓信號Vout3 ；Vout2第二路信號通過電阻R12與運算放大器U5輸入端正極連接，運算放大器U5輸入端負極與輸出端連接電阻R18，運算放大器U5輸出端與低通濾波器U6的輸入端連接，低通濾波器U6的輸出端為直流電壓信號Vout4。
2.根據權利要求1所述的粉塵濃度儀，其特征在于，電流運算放大器Ul選用LMC6001。
3.根據權利要求1所述的粉塵濃度儀，其特征在于，增益可編程運算放大器U2選用低噪聲增益可編程運算放大器PGA205。
4.根據權利要求1所述的粉塵濃度儀，其特征在于，運算放大器U3、U5、U4選取低噪聲、非斬波穩零的雙極型高精度運算放大器0P07，U6選取高精度低噪聲高性能的低通濾波器 LTC1063。
【文檔編號】G01N15/06GK204214746SQ201420635222
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】葉嵩, 常守亮, 李彥樟 申請人:上海源致信息技術有限公司