专利名称：微电荷颗粒物感应仪器的数字信号处理方法及电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电荷颗粒物感应测量技术，尤其涉及在微电荷颗粒物感应仪器的数字信号处理方法及电路，通过采用该方法及电路利用微电荷感应原理计算气流中粉尘流量密度、颗粒物整体流速和流量等指标。
背景技术：
微电荷颗粒物感应测量技术是一项对粉尘排放进行在线监控、对风动输送管道中固体颗粒物的流量等指标进行测量的实用技术。在工业生产过程中，如何测量和监控气流中颗粒物的浓度及流量的方法和测量仪器一直备受业内人士的关注。在过去的三十年间， 随着微电荷颗粒物感应测量技术的逐渐成熟，与其相关的产品日趋完善，越来越多的工程师和生产企业开始将该项技术应用到不同的工业生产领域中，如对袋式除尘器的袋漏和尾气排放进行监控，能够有效降低工厂向大气中排放固体颗粒物的浓度以及降低滤袋的使用成本；又如将此技术用于对企业生产过程中需进行流量和流速监控的生产环节进行监控，能够有效提高产品品质和合格率。由于该项技术有着广泛的优点，目前已成为测量固体颗粒物的流动状况的主流方法。下面对微电荷颗粒物感应技术的基本原理进行简单介绍在携带颗粒物的气流中，当颗粒物与探头发生碰撞时，颗粒物和探头之间会发生电荷传递(即摩擦起电)；由于气流中的颗粒物自身带有一定的静电荷，当微粒流经探头附近时，探头上也会产生感应电荷(即静电感应)。一粒颗粒物与探头碰撞时，其电荷的转递量不仅取决于颗粒物的物理和化学性质 (包括大小、化学组成、介电常数等)还与该颗粒物的流动速度有关。一簇群颗粒物与探头碰撞时，能够在探头上产生微小的电流信号，且该电流信号的强度与单位时间内碰撞探头的颗粒物的数量成正比。通常在探头附近，颗粒物的分布是不均勻，但同时由于它们的流动速度也在平均速度上下浮动，因此该电流信号的强度也会在某一均值附近上下浮动。该电流信号的统计平均值，即信号的直流部分，与颗粒物的流量成正比；该电流信号与其均值之间的偏离值，即信号的交流部分，也与颗粒物的流量成正比。一粒颗粒物从探头旁经过时， 探头感应电荷量的多少不但取决于探头的形状、探头与颗粒物粒子之间的径向距离、而且还取决于颗粒物所带净电量以及颗粒物的轴向速度。如果将颗粒物通过探头所在的管道截面时所带的电荷当作一个脉冲信号，那么由此感应电荷在探头上生成的电流信号则可视为是这个感应系统的脉冲响应。这样，颗粒物便在探头和它周围的空间形成一个信号过滤器， 即“空间过滤效应”。当随机分布的颗粒物掠过探头时，得到的感应电流信号便可视为是原始随机信号经过滤后的结果，其中包含了关于颗粒物流动和信号过滤器本身的重要信息。 该信号的统计平均值为零；该信号和零之间的偏离值即信号的交流部分，与颗粒物的流量成正比。但是由于“空间过滤效应”的作用，所述感应系统相当于一个带通滤波器，导致低频和高频信号都被大大衰减了。另外，流体中的紊流会使颗粒物粉尘的空间和速度分布更复杂，因此会同时影响到因碰撞引起的电流部分和因静电感应引起的电流部分。在探头上形成的原始电信号，是所有在探头附近随机分布的颗粒物所产生的感应电流信号与所有与探头随机碰撞的颗粒物所产生的因碰撞引起的电流信号的总和。由于感应电信号和紊流引起的信号的直流部分均为零，测量到的信号的直流部分即为一段时间内碰撞电流信号的平均值。而测量值的交流部分是碰撞电流信号的波动、电感应信号和紊流引起的信号的集合，影响信号的每个因素都很复杂而又不尽相同，例如流速和紊流状况。交流信号的低频部分主要是由碰撞电流信号的波动和紊流引起的信号组成；中频部分主要由碰撞电流信号的波动和感应电流信号组成；高频部分主要是碰撞电流信号的波动。信号的直流部分和交流部分均包括了固态颗粒物流动的重要信息。微电荷颗粒物感应测量仪器便是通过对上述电流信号进行监测、处理和分析，从而得出颗粒物的流量和浓度的。现有的微电荷颗粒物感应仪器在实际测量环境工作时，由于微电荷感应信号非常弱，该微电荷感应电流通常在10_12到10_9安的范围。要检测到如此微弱的电流信号，需要通过极高的放大倍率(约IO9的增益，也就是10亿倍)处理才能达到可计量的程度。由于现有的测量仪器所使用的模拟电子元件受半导体器件的偏差、漂移和热噪声等不利因素影响，电路板上存在微小的电流泄漏以及不同材料的接合处的热电偶效应等等影响，这些干扰信号都会随着有用信号一起被放大，如果不采取适当的信号补偿措施，噪声信号就可能大到把真正的有用信号掩盖的程度，并使电路饱和；另外，在使用传统的电子元件的电路中，巨幅增益还会限制电路信号的带宽，使其只能探测到直流信号和几十赫兹内的低频交流信号，大大影响测量的准确度和精度。传统的微电荷颗粒物感应仪器一般使用两种不同的设计思路来解决上述问题即直流耦合与交流耦合。直流耦合是采用偏差与漂移补偿的方法，但由于受放大倍数的限制，导致电路的带宽较小，丢失与流速等颗粒物流动状况相关的交流信号，从而无法消除流速对测量结果的影响；而交流耦合则采用完全舍去直流信号的做法，这样，虽消除了电路干扰，但将丢失与颗粒物浓度有关的最重要的信息。基于微电荷感应信号的物理原理，理想的微电荷感应仪器应该既具有良好的直流性能同时还应该具有可靠的交流性能在直流性能方面，整个探测范围内需要最小的偏移和漂移，并应尽可能满足线性增益条件等等；在交流性能方面，需要有足够的带宽以覆盖要测量的频率范围，并应尽可能得到较高的信噪比，此外，在得到尽可能不失真的信号后，还需要适当的算法来提取有关流量流速的信息。基于微电荷颗粒物感应技术的浓度告警开关及滤袋泄漏监测仪已被广泛运用于袋式除尘器的泄漏检测。通常状况下，每一个除尘器的箱体都需要安装一个浓度告警开关或袋漏监测仪。但是为了降低成本，此类仪器都不设有浓度信号显示和输出，这就需要人工对颗粒物排放浓度基准值进行估计并设置告警条件。因此，这是一个费时费力的操作，告警条件的设置严重依赖技术人员的经验并有极大的不确定性。有一些仪器采用了基于平均值的基准值判断的功能，而告警条件由人工设定为基准值的倍数。这个方法虽然减轻了人力负担，但仪器无法对随滤袋老化而产生的基准值漂移以及对周期性的清袋脉冲做出判断， 从而容易造成漏告警或误告警的不足。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供微电荷颗粒物感应仪器的数字信号处理方法，通过利用微电荷感应原理并对颗粒物的流动进行数字模拟获得其中的原始信号，并用该模拟结果计算颗粒物的流速、流量及浓度等指标，提高微电荷颗粒物感应仪器的测量范围和测量精度。本发明的第二个目的在于提供一种利用低频原始信号估算颗粒物流量、流速及浓度的方法，提高低采样频率电路的测量所述颗粒物流量、流速及浓度的准确度。本发明的第三个目的在于提供一个多级高带宽高益增低偏差低漂移放大电路，使其能够在保留足够频率的相应带宽和信号高增益的同时，自动消除仪器的测量偏差并保持温度稳定性。本发明的第四个目的在于提供一种在浓度告警开关和滤袋泄漏监测仪中设置泄漏告警条件的方法，通过设置泄露告警条件使其适应除尘器的正常运转状况。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的
一种利用低采样频率电路计算颗粒物整体流速和流量的方法，该方法的计算过程首先，建立探头在同一观测时间内所产生的电流的公式
权利要求
1. 一种利用低采样频率电路计算颗粒物整体流速和流量的方法，其特征在于，该方法的计算过程具体为首先，建立探头在同一观测时间内所产生的电流的公式
2.一种多级放大电路，其特征在于，该电路包括第一放大级、第二放大级、第三放大级和驱动级电路，所述第一、第二、第三和驱动级电路依次相连；其中所述第一放大级电路，包括运算放大器Ula、Ulb、电阻Rla、Rlb ；其中Ula、Ulb为同型号并封装在同一芯片内的两个低偏差电流、低漂移运算放大器，Ula、Ulb的轨对轨高带宽增益积GBP大于IOMHz ；并且Ula、Ulb的偏差漂移特征近似一致；所述Ula所产生的偏差和漂移将在第二放大级中被Ulb所产生的偏差和漂移消除掉；所述第二放大级电路，包括运算放大器U2a、U2b、电阻R2a，R2b、R2c、R3a、R3b和R3c ； 其中U2a、U2b为同型号并封装在同一芯片内的两个低偏差、低漂移运算放大器，U2a、U2b 的GBP大于IOMHz ；并且U2a、U2b的偏差漂移特征近似一致；而且电阻阻值满足如下条件 1000 · R2a = 1000 · R2b = 1000 · R2c = R3a = R3b = R3c ；第三放大级电路，包括运算放大器U3a、U3b、电阻R4a、R4b、R4c、R5a、R5b和R5c ；其中U3a、U3b为同型号并封装在同一芯片内的两个低偏差、低漂移运算放大器，U2a、U2b的 GBP大于IOMHz ；并且U3a、U3b的偏差漂移特征应近似一致；而且电阻阻值满足如下条件 1000 · R4a = 1000 · R4b = 1000 · R4c = R5a = R5b = R3c ；驱动级电路，包括运算放大器U4、电阻R6a、R6b、R7a和R7b ；其中，U4为GBP大于IOOKHz 的、低偏差电压、低漂移运算放大器。
3.—种在浓度告警开关和滤袋泄漏监测仪中设置泄漏告警条件的方法，其特征在于， 该方法包括采用线性预测模型对信号进行处理，对过去P个数据点[χ (m-Ι)，χ (m-2)，...，χ (m-P)] 的加权平均以预测在m点的数据χ (m)
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定最佳预测系数ai.. . ak，使所预测的误差平方的期望值达到最小的计算过程具体为通过Levinson-Durbin算法，对所述预测系数ai. . . ak进行递归计算，其过程包括A、选定预测数据点间隔，对于短期预测，数据间隔小于数据特征所需时长；对于长期预测，选定的数据间隔既要满足观测时间段要求，又要考虑处理器计算能力的限制；B、采集第1个数据点，从P= 0阶开始，计算预测系数；C、采集第n+1个新数据点，计算P= P+1阶预测系数，比较预测误差；D、重复步骤C，直到预测误差没有显著提高并且观测时间长于除尘器的一个清袋周期；E、采集新数据点，计算P阶预测系数，计算预测值和误差，如果误差大于设定范围，则转到步骤F;如果误差小于设定范围，把当前数据加入历史记录，并替换最旧的新数据点， 再返回步骤E ；F、触发告警，转到步骤E。
全文摘要
本发明公开了一种微电荷颗粒物感应仪器的数字信号处理方法，通过利用微电荷感应原理并对颗粒物的流动进行数字模拟，以获得信号在各种颗粒物流动状态下的特征，并利用该模拟结果和实测的原始信号计算颗粒物的流速、流量及浓度等指标，以提高高采样频率微电荷颗粒物感应仪器的测量范围及精度。一种利用低频原始信号估算颗粒物流量、流速及浓度的方法，能够提高利用低成本、低采样频率电路测量所述颗粒物流量、流速及浓度的准确度。一种多级放大电路，能够在保留足够带宽及信号高增益的同时自动消除测量偏差并保持温度稳定性。一种在浓度告警开关和滤袋泄漏监测仪中设置泄漏告警条件的方法，通过设置泄露告警条件使其适应除尘器的正常运转状况。
文档编号G01N27/60GK102269608SQ20111011355
公开日2011年12月7日 申请日期2009年3月27日 优先权日2009年3月27日
发明者杜豫生 申请人:杜豫生