粉尘浓度仪.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104297120 A (43)申请公布日 2015.01.21 CN 104297120 A (21)申请号 201410593618.3 (22)申请日 2014.10.29 G01N 15/06(2006.01) (71)申请人 上海源致信息技术有限公司 地址 200241 上海市闵行区东川路 555 号乙 楼 1021 室 (72)发明人 叶嵩 李根 常守亮 (54) 发明名称 粉尘浓度仪 (57) 摘要 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。

2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12。

3、)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104297120 A CN 104297120 A 1/1 页 2 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。

4、 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。

5、 的正输入端通过电 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 ； 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。

6、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 ； 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。

7、 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、 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。U6 选取高精度低噪声高性能的低通滤波器 LTC1063。 权 利 要 求 书 CN 104297120 A 2 1/4 页 3 粉尘浓度仪 技术领域 0001 本发明属于。

8、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 0002 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。 0003 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。 0004 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。

9、。 可广泛应用于电厂， 冶金， 化工和铸造等领 域。 0005 目前， 粉尘浓度仪主要有电容法、 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 ； 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。

10、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。 0006 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。 0007 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 0008 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。 0009 本发明提出了。

11、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 说 明 书 CN 104297120 A 3 2/4 页 4 输入主控芯片 。

12、； 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。 0010 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， 。

13、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。 0011 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。

14、 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、。

15、 R6、 R7形 成运算放大器的 + 端输入， 最后输出电压 ： 0012 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” )。 0013 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。

16、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。

17、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。 0014 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。 0015 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 。

18、说 明 书 CN 104297120 A 4 3/4 页 5 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 0016 图 1 为本发明的原理框图 0017 图 2 为图 1 所示的初级放大器电路的电气原理图 0018 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 0019 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 0020 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。

19、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。 0021 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。

20、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。 0022 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。

21、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。 0023 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。

22、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。

23、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 ： 0024 Vout2 G*(R6*R7*Vdac1+R5*R7*Vdac2+R5*R6*Vbia)/(R5*R6+R5*R7+R6*R7) 说 明 书 CN 104297120 A 5 4/4 页 6 Vout1(“其中 G 由主控芯片信号 Asel 可编程” )。 0025 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。

24、 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。 0026 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。 说 明 书 CN 104297120 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104297120 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104297120 A 8 。