高精度二线制工业粉尘检测装置的制作方法

本发明涉及环保设备领域，特别涉及一种高精度二线制工业粉尘检测装置。

背景技术：

目前，工业粉尘检测所使用的仪器按接线方式一般分为二线制和四线制，二线制仪表相对于四线制仪表使用线缆经济、接线简单、功耗低，但负载能力差。无论哪种控制方式，灵敏度是决定粉尘检测仪器工作效率的关键因素，如果灵敏度较低，则无法保证粉尘检测数据的准确性和可靠性，从而无法客观反映粉尘浓度的真实情况。

影响粉尘检测仪器灵敏度的主要因素有以下两点：

一、调试精度差：目前的粉尘检测仪器均通过电位器人工调节，而人工调节存在诸多不确定因素，无法保证每台仪器均达到理想状态，因而稳定性、一致性较差，最终影响数据的准确性。

二、模拟量控制弊端多：目前的二线制粉尘检测仪器均为模拟量设备，即通过op运算放大器来实现过程控制，响应信号受到制约，测量范围有限，抗干扰能力弱；即便在四线制设备中使用数字信号处理，所使用的ad转换芯片精度最高只到12位。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明公开了一种高精度二线制工业粉尘检测装置，包括：

模拟信号输入模块，用于接收粉尘传感器传来的模拟信号；

ad转换模块，用于将所述模拟信号转换为数字信号；

数字处理模块，用于对所述数字信号进行运算处理；

da转换模块，用于将处理后的数字信号转换为模拟信号并输出到后端外设；

供电模块，用于给模拟信号输入模块、ad转换模块、数字处理模块以及da转换模块供电；

所述模拟信号输入模块、ad转换模块、数字处理模块以及da转换模块依次连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述模拟信号输入模块包括采集保持放大电路，所述采集保持放大电路包括：输入端缓冲放大器、输出端缓冲放大器、第一保持电容、第二保持电容、采样电阻、反馈电阻、第一平衡电阻、第二平衡电阻、第一模拟开关以及第二模拟开关；

所述采样电阻和第一模拟开关串联在输入缓冲放大器的负输入端；

所述第一平衡电阻和第一保持电容并联在输入缓冲放大器的正输入端和输出端；

所述第二平衡电阻两端分别连接输入缓冲放大器的正输入端和模拟地端；

所述反馈电阻两端分别连接第一模拟开关和输出缓冲放大器的输出端；

所述第二保持电容两端分别连接输出缓冲放大器的负输入端和输出端；

所述第二模拟开关两端分别连接输入缓冲放大器的输出端和输出缓冲放大器的负输入端。

作为上述技术方案的进一步改进，所述模拟信号输入模块还包括整流滤波电路，所述整流滤波电路包括：整流变压器、整流桥、滤波电容以及负载电阻；

所述整流变压器两端分别连接整流桥的第一输入端和第二输入端；

所述滤波电容和负载电阻并联在整流桥的正极输出端和负极输出端。

作为上述技术方案的进一步改进，所述ad转换模块为24位σ-δ型adc模数转换芯片。

作为上述技术方案的进一步改进，所述数字处理模块为采用armcortexm3内核的处理器。

本发明的有益效果是：

1、采用二线制控制，一端输入、另一端输出，将供电线与信号线合二为一，两根线实现通讯兼供电功能，设备的功耗降低；

2、采用24位σ-δ型adc模数转换芯片和数字处理模块，将传统的模拟量控制转换为模拟和数字的混合信号处理，大大提高了设备的精度和灵敏度，粉尘检测数据更加准确；

3、通过数字处理模块的内嵌程序自动调试和校准设备，精度和一致性远高于人工调试，从而进一步提高了粉尘检测数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理示意图；

图2为模拟信号输入模块的采集保持放大电路原理示意图；

图3为模拟信号输入模块的整流滤波电路原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例的高精度二线制工业粉尘检测装置，包括：模拟信号输入模块1，用于接收粉尘传感器6传来的模拟信号；ad转换模块2，用于将所述模拟信号转换为数字信号；数字处理模块3，用于对所述数字信号进行运算处理；da转换模块4，用于将处理后的数字信号转换为模拟信号并输出到后端外设7；供电模块5，用于给模拟信号输入模块1、ad转换模块2、数字处理模块3以及da转换模块4供电；模拟信号输入模块1、ad转换模块2、数字处理模块3以及da转换模块4依次连接。

本发明采用二线制控制，模拟信号从模拟信号输入模块1输入、从da转换模块4输出，将供电线与信号线合二为一，两根线实现通讯兼供电功能，降低了设备的功耗。

ad转换模块2为24位σ-δ型adc模数转换芯片，具有高精度、低功耗、抗干扰能力强的优点，能够精确地将粉尘传感器6传来的模拟信号转换成数字信号，尽可能减少信号失真；现有的四线制设备目前只能做到最高12位的模数转换精度，效果远不及本发明的24位adc模数转换芯片。

数字处理模块3为采用armcortexm3内核的处理器，例如adi(亚德诺)公司生产的超低功耗系列处理器。该处理器采用armcortexm3内核，通过直接编程控制可配置多种低功耗工作模式。

由于数字处理模块3采用程序控制，基本实现了免调试、免维护，其精度、一致性、稳定性远高于人工调试，有效提高了粉尘检测数据的准确性。

如图2所示，模拟信号输入模块1包括采集保持放大电路，所述采集保持放大电路包括：输入端缓冲放大器a1、输出端缓冲放大器a2、第一保持电容c1、第二保持电容c2、采样电阻r1、反馈电阻r2、第一平衡电阻r3、第二平衡电阻r4、第一模拟开关k1以及第二模拟开关k2。

采样电阻r1和第一模拟开关k1串联在输入缓冲放大器a1的负输入端；第一平衡电阻r3和第一保持电容c1并联在输入缓冲放大器a1的正输入端和输出端；第二平衡电阻r4两端分别连接输入缓冲放大器a1的正输入端和模拟地端；反馈电阻r2两端分别连接第一模拟开关k1和输出缓冲放大器a2的输出端；第二保持电容c2两端分别连接输出缓冲放大器a2的负输入端和输出端；第二模拟开关k2两端分别连接输入缓冲放大器a1的输出端和输出缓冲放大器a2的负输入端。

粉尘传感器6传来的模拟电信号经模拟信号输入模块1的采集保持放大电路处理后，能够跟踪或者保持模拟电信号的电平值，从而保证后续的ad转换精度。

输入缓冲放大器a1和输出缓冲放大器a2能够分别使第一保持电容c1和第二保持电容c2快速完成充放电，尽量减少模拟电信号的失真。

采样电阻r1的作用是将模拟电流信号转换为模拟电压信号，以供后续的采样与测量。

反馈电阻r2能够避免固定增益带宽的限制，并且通过降低反馈电阻r2的电阻值可以在提高增益的同时保持回路高增益。

第一平衡电阻r3用来平衡输入缓冲放大器a1正输入端和输出端的失调电流，使得两个端子的电压平衡。

第二平衡电阻r4用来平衡输入缓冲放大器a1正输入端输入电流的大小，防止电流过大损坏设备。

如图3所示，模拟信号输入模块1还包括整流滤波电路，所述整流滤波电路包括：整流变压器u、整流桥v、滤波电容c以及负载电阻r。整流变压器u两端分别连接整流桥v的第一输入端v1和第二输入端v2；滤波电容c和负载电阻r并联在整流桥v的正极输出端v3和负极输出端v4。

整流桥v利用二极管的单向导通原理，将交流电转换为直流电，并通过滤波电容c两端电压不能突变只能充放电的特性，来获得平滑的脉冲电压信号，为后续的模数转换提供保障。

本发明的工作原理如下：

粉尘传感器6将检测到的粉尘浓度信息以模拟电流信号的形式传送给模拟信号输入模块1，模拟信号输入模块1将模拟电流信号转换为模拟电压信号，并经过放大、整流、滤波处理后，再将模拟电压信号传送给ad转换模块2。

ad转换模块2将模拟电压信号转换成数字信号，并将该数字信号传送给数字处理模块3，经过数字处理模块3的检测、滤波、降噪、谱分析、识别等一系列的加工处理后，再将数字信号传送给da转换模块4。

da转换模块4将数字信号转换为模拟信号，并传送给后端外设7进行相应操作。例如，可以将数字信号转换为控制指令，控制后端plc进行相应的操作；也可以将数字信号转换为相应的粉尘浓度数据，呈现在后端显示器上，为工作人员提供重要的参数。

本发明结合了数字信号处理与模拟信号处理，是一种混合信号处理模式，在工业粉尘检测领域中尚属首次应用，不但信号处理速度快、精度高，而且功耗和成本低，提高粉尘检测精度的同时，为企业节省了成本开支。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。