粉塵濃度儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種粉塵濃度儀，包括用于產(chǎn)生電壓信號Vout1的初級放大器電路、用于產(chǎn)生電壓信號Vout2的可選增益運(yùn)算放大器電路和用于產(chǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。本實(shí)用新型同時(shí)提取探桿電荷感應(yīng)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(shí)對直流和交流分量同時(shí)進(jìn)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(shí)對直流信號和交流信號進(jìn)行反饋，更能準(zhǔn)確的計(jì)算探桿中檢測到的電荷。另外可編程增益運(yùn)算放大器電路方便對不同粉塵形成的電荷進(jìn)行校準(zhǔn)，使得該電路能適用于各種不同結(jié)構(gòu)的粉塵。
【專利說明】粉塵濃度儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于粉塵濃度測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種對排放粉塵濃度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測的儀器。

【背景技術(shù)】
[0002]粉塵濃度儀根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以分為環(huán)境粉塵儀以及管道粉塵儀。
[0003]環(huán)境粉塵儀用于測量開放空間的粉塵或顆粒物濃度?？蓮V泛應(yīng)用于各行業(yè)對廠房，工作環(huán)境，作業(yè)空間，辦公室，室外空間等等進(jìn)行在線實(shí)時(shí)粉塵濃度監(jiān)測，以及礦山及煤礦井下等特殊的工業(yè)工作環(huán)境粉塵濃度監(jiān)測。
[0004]管道粉塵儀可以用來監(jiān)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(jiān)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(fēng)器或類似設(shè)備的下游，監(jiān)測固體顆粒濃度，防止泄漏發(fā)生，提供早期預(yù)警?？蓮V泛應(yīng)用于電廠，冶金，化工和鑄造等領(lǐng)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(yīng)的線性關(guān)系，電容的測量值易受相分布及流型變化的影響，導(dǎo)致較大的測量誤差；β射線法雖然測量準(zhǔn)確，但需要對粉塵進(jìn)行采樣后對比測量，很難實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的在線監(jiān)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(jìn)行粉塵濃度在線監(jiān)測。而摩擦電法相對于光學(xué)法具有如下優(yōu)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(xué)窗口需要保持干凈。因此成為了目前粉塵濃度儀的研究發(fā)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(yīng)原理，由于粉塵顆粒相互運(yùn)動摩擦而感應(yīng)電荷，當(dāng)粉塵荷電接觸或經(jīng)過傳感器電極附近或碰撞傳感器時(shí)，在電極上感應(yīng)電動勢。由于其感應(yīng)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(yōu)異的粉塵濃度檢測儀是目前有待解決的技術(shù)問題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]為了解決上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種電路結(jié)構(gòu)可靠，檢測精度高，免維護(hù)的粉塵濃度檢測儀。
[0009]本實(shí)用新型提出了如下技術(shù)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(yùn)算放大器電路輸入端連接，可選增益運(yùn)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)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(yùn)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(yùn)算放大器Ul的信號輸入端Signal與輸出端電壓信號Voutl的負(fù)輸入端之間連接電阻Rl和電容Cl，信號輸入端Signal與電流運(yùn)算放大器Ul之間連接電阻R2，偏置電壓信號Vbias與電流運(yùn)算放大器Ul的正輸入端之間連接電阻R3，電流運(yùn)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(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號。電流運(yùn)算放大器Ul選用LMC6001，當(dāng)選取R3 = R2，R4=Rl時(shí)，輸出電壓Voutl = Vbias-Signal。用于將由摩擦電荷產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號，實(shí)現(xiàn)超超低電流輸入信號放大，并增加偏置電壓調(diào)整，輸出給下一級電路。
[0011]所述的可選增益運(yùn)算放大器電路包括增益可編程運(yùn)算放大器U2，選擇信號ASel與增益可編程運(yùn)算放大器U2電流輸入端連接，來自電流運(yùn)算放大器Ul的輸出端電壓信號Voutl與增益可編程運(yùn)算放大器U2輸入端負(fù)極連接，兩組模擬信號Vdacl和Vdac2、偏置電壓信號Vbias分別經(jīng)過電阻R5和電阻R6、電阻R7與增益可編程運(yùn)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(yùn)算放大器U2選用低噪聲增益可編程運(yùn)算放大器PGA205，數(shù)字信號ASel可以選擇增益可編程運(yùn)算放大器U2的增益，通過進(jìn)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(guān)系。同時(shí)通過兩組數(shù)模轉(zhuǎn)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(yùn)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(yùn)算放大器U3正極輸入端連接，運(yùn)算放大器U3負(fù)極輸入端與輸出端連接電阻R9，運(yùn)算放大器U3輸出端依次經(jīng)過電容C5、二極管Dl和電阻R12后與運(yùn)算放大器U4的正極輸入端連接，運(yùn)算放大器U4正極輸入端輸入端通過電容C6與地連接，運(yùn)算放大器U4的負(fù)極輸入端與輸出端分別連接電阻Rll和電容C7，運(yùn)算放大器U4輸出端為交流電壓信號Vout3，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換，供讀取。Vout2第二路信號通過電阻R12與運(yùn)算放大器U5輸入端正極連接，運(yùn)算放大器U5輸入端負(fù)極與輸出端連接電阻R18，運(yùn)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(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換，供讀取。U3、U5、U4選取低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極型高精度運(yùn)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(jīng)過濾波分成直流分量和交流分量分別采樣進(jìn)主芯片，主芯片通過DAC加上偏置形成反饋，可以通過信號標(biāo)定校準(zhǔn)粉塵濃度。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果:可應(yīng)用于電廠、水泥廠等排放粉塵煙氣的工廠的排煙管道內(nèi)，對排放的粉塵濃度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測。本實(shí)用新型由于同時(shí)提取探桿電荷感應(yīng)電動勢形成的電壓信號中的直流和交流分量，同時(shí)對直流和交流分量同時(shí)進(jìn)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(shí)對直流信號和交流信號進(jìn)行反饋，更能準(zhǔn)確的計(jì)算探桿中檢測到的電荷。另外可編程增益運(yùn)算放大器電路方便對不同粉塵形成的電荷進(jìn)行校準(zhǔn)，使得該電路能適用于各種不同結(jié)構(gòu)的粉塵。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)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(yùn)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(shí)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(chǎn)生電壓信號Voutl的初級放大器電路、用于產(chǎn)生電壓信號Vout2的可選增益運(yùn)算放大器電路和用于產(chǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器電路輸入端連接，可選增益運(yùn)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(shù)轉(zhuǎn)換電路連接，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換電路連接，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換輸入主控芯片；主控芯片同時(shí)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出偏置電壓Vbias給初級放大器電路和可選增益運(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器Ul的信號輸入端Signal與輸出端電壓信號Voutl的負(fù)輸入端之間連接電阻Rl和電容Cl，信號輸入端Signal與電流運(yùn)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(yùn)算放大器Ul的正輸入端之間連接電阻R3，電流運(yùn)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(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號。電流運(yùn)算放大器Ul選用LMC6001，當(dāng)選取R3 = R2，R4 = Rl時(shí)，輸出電壓Voutl = Vbias-Signal。用于將由摩擦電荷產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號，實(shí)現(xiàn)超超低電流輸入信號放大，并增加偏置電壓調(diào)整，輸出給下一級電路。
[0023]參見圖3，可選增益運(yùn)算放大器電路包括增益可編程運(yùn)算放大器U2，來自主控芯片的選擇信號ASel與增益可編程運(yùn)算放大器U2電流輸入端連接，來自電流運(yùn)算放大器Ul的輸出端電壓信號Voutl與增益可編程運(yùn)算放大器U2輸入端負(fù)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(jīng)過電阻R5和電阻R6、電阻R7與增益可編程運(yùn)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(yùn)算放大器U2選用低噪聲增益可編程運(yùn)算放大器PGA205，從主控芯片傳送的數(shù)字信號ASel可以選擇增益可編程運(yùn)算放大器U2的增益，通過主控芯片進(jìn)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(guān)系。同時(shí)主控芯片通過兩組數(shù)模轉(zhuǎn)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(yùn)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(yùn)算放大器U3正極輸入端連接，運(yùn)算放大器U3負(fù)極輸入端與輸出端連接電阻R9，運(yùn)算放大器U3輸出端依次經(jīng)過電容C5、二極管Dl和電阻R12后與運(yùn)算放大器U4的正極輸入端連接，運(yùn)算放大器U4正極輸入端輸入端通過電容C6與地連接，運(yùn)算放大器U4的負(fù)極輸入端與輸出端分別連接電阻Rll和電容C7，運(yùn)算放大器U4輸出端為交流電壓信號Vout3，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換，供主控芯片讀取。Vout2第二路信號通過電阻R12與運(yùn)算放大器U5輸入端正極連接，運(yùn)算放大器U5輸入端負(fù)極與輸出端連接電阻R18，運(yùn)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(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換，供主控芯片讀取。U3、U5、U4選取低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極型高精度運(yùn)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(jīng)過濾波分成直流分量和交流分量分別采樣進(jìn)主芯片，主芯片通過DAC加上偏置形成反饋，可以通過信號標(biāo)定校準(zhǔn)粉塵濃度。
【權(quán)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(yùn)算放大器U1，電流運(yùn)算放大器Ul的信號輸入端Signal與輸出端電壓信號Voutl的負(fù)輸入端之間連接電阻Rl和電容Cl,信號輸入端Signal與電流運(yùn)算放大器Ul之間連接電阻R2，偏置電壓信號Vbias與電流運(yùn)算放大器Ul的正輸入端之間連接電阻R3，電流運(yùn)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(yùn)算放大器電路包括增益可編程運(yùn)算放大器U2，選擇信號ASel與增益可編程運(yùn)算放大器U2電流輸入端連接，來自電流運(yùn)算放大器Ul的輸出端電壓信號Voutl與增益可編程運(yùn)算放大器U2輸入端負(fù)極連接；兩組模擬信號Vdacl和Vdac2、偏置電壓信號Vbias分別經(jīng)過電阻R5和電阻R6、電阻R7與增益可編程運(yùn)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(yùn)算放大器U3正極輸入端連接，運(yùn)算放大器U3負(fù)極輸入端與輸出端連接電阻R9，運(yùn)算放大器U3輸出端依次經(jīng)過電容C5、二極管Dl和電阻R12后與運(yùn)算放大器U4的正極輸入端連接，運(yùn)算放大器U4正極輸入端輸入端通過電容C6與地連接，運(yùn)算放大器U4的負(fù)極輸入端與輸出端分別連接電阻Rll和電容C7，運(yùn)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(yùn)算放大器U5輸入端正極連接，運(yùn)算放大器U5輸入端負(fù)極與輸出端連接電阻R18，運(yùn)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(jù)權(quán)利要求1所述的粉塵濃度儀，其特征在于，電流運(yùn)算放大器Ul選用LMC6001。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉塵濃度儀，其特征在于，增益可編程運(yùn)算放大器U2選用低噪聲增益可編程運(yùn)算放大器PGA205。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉塵濃度儀，其特征在于，運(yùn)算放大器U3、U5、U4選取低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極型高精度運(yùn)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(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】葉嵩, 常守亮, 李彥樟 申請人:上海源致信息技術(shù)有限公司