煙塵在線監測系統中信號提取及處理電路的設計

引言 
　　隨著人們環境保護意識的不斷加強及國家環保法規的愈加嚴格，電廠、水泥廠等煙囪煙塵的排放濃度越來越低，因此在線監測系統中對低濃度顆粒物測量的精度及度的要求越來越高。光學法中的雙光程測量方法安裝精度要求較高，但是測量度和精度較高，比較適合當前在線監測系統中顆粒物濃度越來越低的趨勢。 
　　由于煙囪、尾氣管道或者其他類似場合的環境比較惡劣，如環境溫度溫差較大，顆粒物的尺寸分布不均，水蒸氣的影響以及各種雜散光的影響等，使得透射法測得的信號中信噪比非常低，因此對于有用信號的提取及前置處理等就變得尤為重要。 
　　1 顆粒物測量系統簡介 
　　考慮到煙氣中的水蒸汽對650nm波長的紅光吸收程度弱，系統采用波長為650nm的脈沖式激光二極管作為光源，經過分光鏡分為參考光束和測量光束，參考光束用于跟蹤光源衰減變化，并對測量光束進行定時校正及溫度補償。光電檢測器將接收到的光信號轉換為對應的電流信號，此信號與煙塵濃度具有一定線性對應關系，核心控制器Microchip公司的PIC16系列單片機把對應的輸入信號轉換成對應的煙塵濃度值，進行輸出通訊與傳輸。 
　　2 數據采集系統電路設計 
　　對被檢信號進行分析與處理時，常常會遇到有用信號疊加上無用噪聲的問題，這些噪聲有的是與被檢信號同時產生的，有的是傳輸過程中引入的。因此，從接收到的被檢信號中消除或減弱干擾噪聲，就成為信號傳輸與處理過程中的重要問題。 
　　本電路中光電檢測器D1傳輸過來的脈沖信號摻雜著各種不同頻率的噪聲，因此需要對信號進行處理就顯得尤為重要。本系統中采用放大、整流、低通濾波對原始輸入信號進行處理。 
　　圖1中，*級放大采用TI公司生產的低噪聲高精度集成運放OPA37得到脈沖信號，放大倍數根據煙塵現場實際情況通過W1可調。第二級運放MC1558放大倍數為1，經二極管整流濾波電路將調制的脈沖信號轉換為直流電壓信號。第三級運放采用二階低通濾波AD622。 
　　二階低通濾波器是一種信號檢測及傳遞系統中常用的基本電路，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點。二階濾波器對于削減高頻信號能起到很好的效果。圖中R14，C23，R15，C26，集成運放AD622構成二階低通有源濾波器，不僅不影響電路的濾波特性，而且在集成運放AD622功耗允許的情況下，提高了電路的帶負載能力。 
　　集成運放AD622是美國ADI公司推出的一種低成本、高精度的儀表放大器，具有優良的共模抑制、線性度、溫度穩定性，只需一只外接電阻便可設置2～1000范圍內的任何增益。根據AD622的電路結構，可以得到增益計算公式：G=50.5kΩ/RG+1，其中G為放大器增益，RG為增益。 
　　AD622的增益通過外接電阻RG進行設置，或更地說通過1腳和8腳之間的外接阻抗來確定增益。AD654是美國ADI推出的一種低成本電壓頻率（V/F）轉換器。它由低漂移輸入放大器、精密振蕩器系統和輸出驅動級組成，使用時只需一個RC網絡即可構成應用電路。AD654工作電壓范圍很寬。輸出為頻率受控于輸入電壓的方波。可用于信號源、信號調制、解調和A/D變換等。AD654的輸入電壓與頻率的轉換關系為：f = V/（10 RC）。 
　　經二階低通濾波器處理完的終信號范圍為0～10V，進入V/F變換器AD654之前，經分壓電路降為0～1V，V/F變換器的輸出頻率對應為0～100KHZ，輸出的頻率信號利用單片機的計數器功能進入微控制器，并進行運算及處理。 
　　3 信號處理實驗結果 
　　如圖2所示，分別為各級信號處理的波形結果。由圖可見，光電檢測器D1輸出的電流信號僅經運放處理之后，噪聲信號很大幾乎淹沒有用信號。經過二極管整流濾波電路后，交流信號轉換為直流信號，并且由于二極管導通電壓為0.7V，濾去了一部分噪聲，經過第三級的二階低通濾波器后，信號已經變得相對比較干凈，基本滿足后續處理的要求。 
　　4 結束語 
　　由于激光的準直性以及光的透射性，光電轉換的快速性以及易于與計算機配合使用等特點，使得基于激光透射方法的顆粒物在線監測系統具有實時快速、在線、連續測量等顯著優點。 
　　實驗結果證明本文介紹的微弱信號前置處理電路對顆粒物濃度信號的提取非常有效，顯著抑制了干擾噪聲的影響，并且成本低廉，非常實用。