高精度二線制工業粉塵檢測裝置的製作方法

2023-04-23 18:54:40

本發明涉及環保設備領域，特別涉及一種高精度二線制工業粉塵檢測裝置。

背景技術：

目前，工業粉塵檢測所使用的儀器按接線方式一般分為二線制和四線制，二線制儀表相對於四線制儀表使用線纜經濟、接線簡單、功耗低，但負載能力差。無論哪種控制方式，靈敏度是決定粉塵檢測儀器工作效率的關鍵因素，如果靈敏度較低，則無法保證粉塵檢測數據的準確性和可靠性，從而無法客觀反映粉塵濃度的真實情況。

影響粉塵檢測儀器靈敏度的主要因素有以下兩點：

一、調試精度差：目前的粉塵檢測儀器均通過電位器人工調節，而人工調節存在諸多不確定因素，無法保證每臺儀器均達到理想狀態，因而穩定性、一致性較差，最終影響數據的準確性。

二、模擬量控制弊端多：目前的二線制粉塵檢測儀器均為模擬量設備，即通過op運算放大器來實現過程控制，響應信號受到制約，測量範圍有限，抗幹擾能力弱；即便在四線制設備中使用數位訊號處理，所使用的ad轉換晶片精度最高只到12位。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明公開了一種高精度二線制工業粉塵檢測裝置，包括：

模擬信號輸入模塊，用於接收粉塵傳感器傳來的模擬信號；

ad轉換模塊，用於將所述模擬信號轉換為數位訊號；

數字處理模塊，用於對所述數位訊號進行運算處理；

da轉換模塊，用於將處理後的數位訊號轉換為模擬信號並輸出到後端外設；

供電模塊，用於給模擬信號輸入模塊、ad轉換模塊、數字處理模塊以及da轉換模塊供電；

所述模擬信號輸入模塊、ad轉換模塊、數字處理模塊以及da轉換模塊依次連接。

作為上述技術方案的進一步改進，所述模擬信號輸入模塊包括採集保持放大電路，所述採集保持放大電路包括：輸入端緩衝放大器、輸出端緩衝放大器、第一保持電容、第二保持電容、採樣電阻、反饋電阻、第一平衡電阻、第二平衡電阻、第一模擬開關以及第二模擬開關；

所述採樣電阻和第一模擬開關串聯在輸入緩衝放大器的負輸入端；

所述第一平衡電阻和第一保持電容並聯在輸入緩衝放大器的正輸入端和輸出端；

所述第二平衡電阻兩端分別連接輸入緩衝放大器的正輸入端和模擬地端；

所述反饋電阻兩端分別連接第一模擬開關和輸出緩衝放大器的輸出端；

所述第二保持電容兩端分別連接輸出緩衝放大器的負輸入端和輸出端；

所述第二模擬開關兩端分別連接輸入緩衝放大器的輸出端和輸出緩衝放大器的負輸入端。

作為上述技術方案的進一步改進，所述模擬信號輸入模塊還包括整流濾波電路，所述整流濾波電路包括：整流變壓器、整流橋、濾波電容以及負載電阻；

所述整流變壓器兩端分別連接整流橋的第一輸入端和第二輸入端；

所述濾波電容和負載電阻並聯在整流橋的正極輸出端和負極輸出端。

作為上述技術方案的進一步改進，所述ad轉換模塊為24位σ-δ型adc模數轉換晶片。

作為上述技術方案的進一步改進，所述數字處理模塊為採用armcortexm3內核的處理器。

本發明的有益效果是：

1、採用二線制控制，一端輸入、另一端輸出，將供電線與信號線合二為一，兩根線實現通訊兼供電功能，設備的功耗降低；

2、採用24位σ-δ型adc模數轉換晶片和數字處理模塊，將傳統的模擬量控制轉換為模擬和數字的混合信號處理，大大提高了設備的精度和靈敏度，粉塵檢測數據更加準確；

3、通過數字處理模塊的內嵌程序自動調試和校準設備，精度和一致性遠高於人工調試，從而進一步提高了粉塵檢測數據的準確性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明的原理示意圖；

圖2為模擬信號輸入模塊的採集保持放大電路原理示意圖；

圖3為模擬信號輸入模塊的整流濾波電路原理示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。

如圖1所示，本實施例的高精度二線制工業粉塵檢測裝置，包括：模擬信號輸入模塊1，用於接收粉塵傳感器6傳來的模擬信號；ad轉換模塊2，用於將所述模擬信號轉換為數位訊號；數字處理模塊3，用於對所述數位訊號進行運算處理；da轉換模塊4，用於將處理後的數位訊號轉換為模擬信號並輸出到後端外設7；供電模塊5，用於給模擬信號輸入模塊1、ad轉換模塊2、數字處理模塊3以及da轉換模塊4供電；模擬信號輸入模塊1、ad轉換模塊2、數字處理模塊3以及da轉換模塊4依次連接。

本發明採用二線制控制，模擬信號從模擬信號輸入模塊1輸入、從da轉換模塊4輸出，將供電線與信號線合二為一，兩根線實現通訊兼供電功能，降低了設備的功耗。

ad轉換模塊2為24位σ-δ型adc模數轉換晶片，具有高精度、低功耗、抗幹擾能力強的優點，能夠精確地將粉塵傳感器6傳來的模擬信號轉換成數位訊號，儘可能減少信號失真；現有的四線制設備目前只能做到最高12位的模數轉換精度，效果遠不及本發明的24位adc模數轉換晶片。

數字處理模塊3為採用armcortexm3內核的處理器，例如adi(亞德諾)公司生產的超低功耗系列處理器。該處理器採用armcortexm3內核，通過直接編程控制可配置多種低功耗工作模式。

由於數字處理模塊3採用程序控制，基本實現了免調試、免維護，其精度、一致性、穩定性遠高於人工調試，有效提高了粉塵檢測數據的準確性。

如圖2所示，模擬信號輸入模塊1包括採集保持放大電路，所述採集保持放大電路包括：輸入端緩衝放大器a1、輸出端緩衝放大器a2、第一保持電容c1、第二保持電容c2、採樣電阻r1、反饋電阻r2、第一平衡電阻r3、第二平衡電阻r4、第一模擬開關k1以及第二模擬開關k2。

採樣電阻r1和第一模擬開關k1串聯在輸入緩衝放大器a1的負輸入端；第一平衡電阻r3和第一保持電容c1並聯在輸入緩衝放大器a1的正輸入端和輸出端；第二平衡電阻r4兩端分別連接輸入緩衝放大器a1的正輸入端和模擬地端；反饋電阻r2兩端分別連接第一模擬開關k1和輸出緩衝放大器a2的輸出端；第二保持電容c2兩端分別連接輸出緩衝放大器a2的負輸入端和輸出端；第二模擬開關k2兩端分別連接輸入緩衝放大器a1的輸出端和輸出緩衝放大器a2的負輸入端。

粉塵傳感器6傳來的模擬電信號經模擬信號輸入模塊1的採集保持放大電路處理後，能夠跟蹤或者保持模擬電信號的電平值，從而保證後續的ad轉換精度。

輸入緩衝放大器a1和輸出緩衝放大器a2能夠分別使第一保持電容c1和第二保持電容c2快速完成充放電，儘量減少模擬電信號的失真。

採樣電阻r1的作用是將模擬電流信號轉換為模擬電壓信號，以供後續的採樣與測量。

反饋電阻r2能夠避免固定增益帶寬的限制，並且通過降低反饋電阻r2的電阻值可以在提高增益的同時保持迴路高增益。

第一平衡電阻r3用來平衡輸入緩衝放大器a1正輸入端和輸出端的失調電流，使得兩個端子的電壓平衡。

第二平衡電阻r4用來平衡輸入緩衝放大器a1正輸入端輸入電流的大小，防止電流過大損壞設備。

如圖3所示，模擬信號輸入模塊1還包括整流濾波電路，所述整流濾波電路包括：整流變壓器u、整流橋v、濾波電容c以及負載電阻r。整流變壓器u兩端分別連接整流橋v的第一輸入端v1和第二輸入端v2；濾波電容c和負載電阻r並聯在整流橋v的正極輸出端v3和負極輸出端v4。

整流橋v利用二極體的單向導通原理，將交流電轉換為直流電，並通過濾波電容c兩端電壓不能突變只能充放電的特性，來獲得平滑的脈衝電壓信號，為後續的模數轉換提供保障。

本發明的工作原理如下：

粉塵傳感器6將檢測到的粉塵濃度信息以模擬電流信號的形式傳送給模擬信號輸入模塊1，模擬信號輸入模塊1將模擬電流信號轉換為模擬電壓信號，並經過放大、整流、濾波處理後，再將模擬電壓信號傳送給ad轉換模塊2。

ad轉換模塊2將模擬電壓信號轉換成數位訊號，並將該數位訊號傳送給數字處理模塊3，經過數字處理模塊3的檢測、濾波、降噪、譜分析、識別等一系列的加工處理後，再將數位訊號傳送給da轉換模塊4。

da轉換模塊4將數位訊號轉換為模擬信號，並傳送給後端外設7進行相應操作。例如，可以將數位訊號轉換為控制指令，控制後端plc進行相應的操作；也可以將數位訊號轉換為相應的粉塵濃度數據，呈現在後端顯示器上，為工作人員提供重要的參數。

本發明結合了數位訊號處理與模擬信號處理，是一種混合信號處理模式，在工業粉塵檢測領域中尚屬首次應用，不但信號處理速度快、精度高，而且功耗和成本低，提高粉塵檢測精度的同時，為企業節省了成本開支。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。