烟尘在线监测系统中信号提取及处理电路的设计

1、烟尘在线监测系统中信号提取及处理电路的设计冯倩，郭炜，胡刚（中科天融（北京）科技有限公司，北京，100085）摘要：本文介绍了一种微弱信号的前置处理电路。该电路应用于在线监测系统中烟尘颗粒物的测量。电路将光电检测器所测得的信号通过放大、整流、低通滤波处理，有效克服了杂散光等不规则噪声的影响，提高了测量的精度及准确度，具有很强的实用性。关键字：颗粒物；整流；滤波；放大中图分类号：X851Circuit design of signal extraction and processing about particles for Continuous Emission Monitoring Syst

2、emFENG Qian, GUO Wei, HU Gang(Talroad Technology Co. Ltd. ,Beijing, 100085, China)Abstract: This paper introduces a weak signal pre-processing circuit which is used for measuring the concentration of particles in Continuous Emission Monitoring System. The signal measured by the photo-detector is amp

3、lified, rectified and low pass filtered in this circuit. This circuit overcomes effectively the irregular noise impact such as stray light, improves the measurement precision and accuracy, and is highly practical.Keywords: particulate matter; rectifying; filtering; amplifier引言随着人们环境保护意识的不断加强及国家环保法规的

4、愈加严格，电厂、水泥厂等烟囱烟尘的排放浓度越来越低，因此在线监测系统中对低浓度颗粒物测量的精度及准确度的要求越来越高。目前总体来看，颗粒物浓度监测技术大致可以分为称重法、放射性同位素法、光学法等三种。三种测量方法各有利弊，其中光学法应用的比较广泛。光学法中又有光透射法和散射法之分，透射法又分为单光程和双光程两种方法。单光程方法安装简单，但是精度低，不太适合浓度较低的颗粒物浓度测量。双光程方法安装精度要求较高，但是测量准确度和精度较高，比较适合当前在线监测系统中颗粒物浓度越来越低的趋势。由于烟囱、尾气管道或者其他类似场合的环境比较恶劣，如颗粒物的尺寸分布不均，水蒸气的影响以及各种杂散光的影响等，

5、使得透射法测得的信号中信噪比非常低，因此对于有用信号的提取及前置处理等就变得尤为重要。1 颗粒物测量系统简介考虑到烟气中的水蒸汽对650nm波长的红光吸收程度最弱，系统采用波长为650nm的脉冲式激光二极管作为光源，经过分光镜分为参考光束和测量光束，参考光束用于跟踪光源衰减变化，并对测量光束进行定时校正。系统测试的光路图如图1所示：1 激光光源 2 分光镜3 测量光全反镜 4 参考光全反镜5 透镜（用于聚焦） 6 650nm红光滤光片7 光电检测器 8 9 10 挡片(自动控制部件，用于自动校正)图1 烟尘测试系统光路示意图光电检测器将接收到的光信号转换为对应的电流信号。其电路部分核心部件采用

6、Microchip公司的PIC系列16F876A微控制芯片，对于不同的烟尘浓度，电路部分设计了自动切换量程的功能，并且具有手动校正功能。2 数据采集系统电路设计对信号进行分析与处理时，常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题，这些噪声有的是与信号同时产生的，有的是传输过程中引入的。因此，从接收到的信号中消除或减弱干扰噪声，就成为信号传输与处理过程中的重要问题。本电路中光电检测器D1传输过来的脉冲信号掺杂着各种不同频率的噪声，因此需要对信号进行处理非常重要。本系统中采用放大、整流、低通滤波对原始输入信号进行处理。如图2,3所示：图2中，采用TI公司生产的超低噪声高精度集成运放OPA37作为前级放大

7、得到脉冲信号，放大倍数根据烟尘现场实际情况通过W1可调。第二级运放MC1558放大倍数为1，经二极管整流滤波电路将调制的脉冲信号转换为直流电压信号。图2 前置放大及整流电路二阶低通滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路。二阶滤波器对于削减高频信号能起到很好的效果。图3中R14，C23，R15，C26，集成运放AD622构成二阶低通有源滤波器。这样不仅不影响电路的滤波特性，而且在集成运放AD622功耗允许的情况下，提高了电路的带负载能力。集成运放AD622是美国ADI公司推出的一种低成本、高精度的仪表用放大器。它只需一只外接电阻便可设置21000范围内的任何增益。AD622具有优良的共模

8、抑制、线性度、温度稳定性。根据AD622的电路结构，可以得到增益计算公式：G=50.5 k/RG +1，其中G为放大器增益，RG为增益。增益电阻RG的选择，按下式计算：RG=50.5k/(G-1)。AD622的增益通过外接电阻RG进行设置，或更准确地说，通过1脚和8脚之间的外接阻抗来确定。由于烟尘在线监测系统具有自动切换量程的功能，因此由控制器PIC16F876A的RB5输出端口给出控制信号，通过光电耦合器TLP-521及信号继电器选择AD622的外接增益电阻R23或R49，本电路设计的放大倍数为100或者200。AD654是美国ADI推出的一种低成本电压频率(V/F)转换器。它由低漂移输入放

9、大器、精密振荡器系统和输出驱动级组成，使用时只需一个RC网络，即可构成应用电路。AD654工作电压范围很宽。输出为频率受控于输入电压的方波。可用于信号源、信号调制、解调和A/D变换等。AD654的输入电压与频率的转换关系为：f = V/(10 RC)。经二阶低通滤波器处理完的最终信号范围为010V，进入V/F变换器AD654之前，经分压电路降为01V，V/F变换器的输出频率对应为0100KHZ，输出的频率信号利用单片机的计数器功能进入微控制器，并进行运算及处理。图3 二阶低通滤波电路3 信号处理实验结果如图4,5,6所示，分别为各级信号处理的实验结果。由图可见，光电检测器D1输出的电流信号仅经

10、放大之后，噪声信号很大几乎淹没有用信号。经过二极管整流滤波电路后，交流信号转换为直流信号，并且由于二极管导通电压为0.7V，滤去了一部分噪声，经过第三级的二阶低通滤波器后，信号已经变得相对比较干净，基本满足后续处理的要求。图4 OPA37前级放大后信号图5 二极管整流滤波后信号图6 二阶低通滤波后信号4 总结由于激光的准直性以及光的透射性,光电转换的快速性以及易于与计算机配合使用等特点，使得基于激光透射方法的颗粒物在线监测系统具有实时快速、在线、连续测量等显著优点。实验结果证明本文介绍的微弱信号前置处理电路对颗粒物浓度信号的提取非常有效，显著抑制了干扰噪声的影响，并且成本低廉，非常实用。参考文

11、献：1 Analog Devices Inc.,Low Cost Instrumentartion Amplifier AD622,Data Sheet,1996.2 Zhu Xiaocheng. The measurement of mass concentration of particulate matters in stacks. Disseration , University of Shanghai for Science and Technology , 2000 (in Chinese)3 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.3.北京：高等教育出版社，2000.345-360.4 Burnett RT et al. (2004). Associations between short-term changes in nitrogen