煙塵濃度檢測儀控制電路研究*

薛小鵬

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

0 引言

21世紀是一個以綠色健康發(fā)展為主題的時代，保護環(huán)境是每一個公民的應(yīng)盡義務(wù)。改革開放40年來，我國火電行業(yè)發(fā)展迅速，火電廠裝機容量已居世界之首，隨著火電廠的不斷發(fā)展，引發(fā)的環(huán)境問題也非常嚴重。因此，2011年環(huán)保部發(fā)布了更加嚴格的火電廠煙氣排放標準《火電廠大氣污染物排放標準》 (GB 13223—2011)，此標準[1]規(guī)定：重點地區(qū)的燃煤鍋爐煙塵排放必須低于20 mg/m3，重點地區(qū)的燃氣鍋爐、燃氣輪機組煙氣粉塵排放濃度必須低于5 mg/m3。隨著新標準的實施，我國的煙塵監(jiān)測技術(shù)面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

基于新的環(huán)保標準、新的要求，除了需要在設(shè)計監(jiān)測儀預(yù)處理時采用高溫稀釋抽取法以及前散射的測量技術(shù)外，還需要使用先進的激光檢測器和設(shè)計合理優(yōu)質(zhì)的控制電路。本論文依托山西省科學(xué)技術(shù)廳的國際科技合作項目“基于激光前散射技術(shù)對煙氣高精度監(jiān)測及分析”，主要介紹煙塵監(jiān)測儀的控制電路。

1 煙塵系統(tǒng)控制電路設(shè)計

控制電路主要對預(yù)處理后的煙塵進行粒徑轉(zhuǎn)化計算以及粒徑顯示等，其以MC9S12DP512單片機為核心，650 nm激光照射粉塵顆粒后的前散射光被高靈敏度的濱松硅光電二極管所接受，通過光電轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、AD轉(zhuǎn)換等電路，再通過單片機程序?qū)?shù)據(jù)進行反演計算，得出煙塵的顆粒物濃度，對顆粒物濃度進行換算，換算成標況時的數(shù)據(jù)，最終將換算成的煙氣粉塵濃度在液晶屏上顯示出來[2]。系統(tǒng)還設(shè)計了485通訊接口，可連接到工廠的其他控制電路上，對系統(tǒng)進行擴展。電路總體硬件控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件控制結(jié)構(gòu)圖

1.1 激光調(diào)制電路

激光調(diào)制電路一般分為激光發(fā)射模塊和激光器驅(qū)動電路模塊。激光發(fā)射模塊主要是依靠注入半導(dǎo)體激光器的電流的穩(wěn)定性決定激光的穩(wěn)定性，所以對電流的穩(wěn)定性要求比較高，并且對波紋系數(shù)要求比較高，波紋系數(shù)能直接有效地抑制諧波干擾并且能減小電網(wǎng)的影響。并且半導(dǎo)體激光器具有體積小、功率小、壽命較長的優(yōu)點。激光器驅(qū)動電路主要是分為恒流驅(qū)動電路和限流電路。半導(dǎo)體激光器受電流的沖擊影響比較大，所以必須有保護電路保護激光器承受的不穩(wěn)定電流。為保證激光器發(fā)射的激光波長維持在650 nm，必須有穩(wěn)定的電流，才能保證激光波長保持不變。所以必須要有恒流電路，提高激光器的準確性和穩(wěn)定性。激光調(diào)制電路原理圖如圖2所示。

圖2 激光調(diào)制電路原理圖

其硬件電路具體設(shè)計如圖3所示。Vr為基準電壓，接入電壓比較器的同相輸入端，電壓比較器控制三極管的導(dǎo)通程度，從而控制激光器的工作電流大小。R2為取樣電阻，其值的大小可根據(jù)實際進行調(diào)節(jié)，工作電流經(jīng)過R2形成取樣電壓，通過運放放大反饋回電壓比較器的反相輸入端，與基準電壓進行比較，從而對激光器進行調(diào)節(jié)。整個電路形成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，處于動態(tài)平衡的狀態(tài)。

圖3 激光調(diào)制電路圖

1.2 信號檢測電路

首先需要對光檢測單元進行合理選擇。采用前散射法測量煙氣粉塵，檢測傳感器檢測到的激光的信號比較弱，所以對傳感器的要求比較高，選擇檢測器時主要對看檢測器的適用場合、檢測范圍、零位、分辨率、零點漂移、線性度、穩(wěn)定性、響應(yīng)時間等等參數(shù)進行均衡考慮。通過對這些參數(shù)的綜合考慮，選擇了使用濱松S2386-8k硅光電二極管，這款傳感器在可見光到近紅外光波段具有較高的檢測靈敏度，并且具有感光面積大、暗電流低、可靠性高、超級線性等優(yōu)點，光譜響應(yīng)圖如圖4所示。

圖4 光譜響應(yīng)

為了使共模抑制比最高，轉(zhuǎn)換時放大器選擇為具有極低的輸入偏流和極高的輸入阻抗的電流型放大器，從而提高電路的測量精度。為增加電路的抗干擾能力，在電壓放大之前需要對信號進行濾波。常見的模擬濾波器有巴特沃茲、勒讓德、切比雪夫、橢圓濾波等類型，根據(jù)各種濾波器的特點，考慮到有效信號的頻率十分穩(wěn)定，本設(shè)計采用巴特沃茲濾波器進行濾波。其擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。然后根據(jù) AD 型轉(zhuǎn)換芯片特點放大電壓測量信號，電路選擇 16位逐次逼近型AD芯片 LTC1864，采用一個 5 V 的工作電源，包括采樣和保持電路，利用三線式的串行I/O 完成讀取數(shù)據(jù)，電路的設(shè)計比較簡單，精度和穩(wěn)定性比較好[3]。最后由單片機進行快速數(shù)據(jù)處理，計算煙氣粉塵濃度。電路檢測原理如圖5所示。

圖5電路檢測原理圖

MC9S12DP512單片機的性能介紹：

MC9S12DP512開發(fā)平臺布局清晰、豐富的硬件資源，可分為十多個功能模塊：1) 電源模塊使用LM2576芯片，將12V和24V電源轉(zhuǎn)換成直流5V；2) LED燈是由八個單片機控制的發(fā)光二極管；3) 一個蜂鳴器；4) 兩路RS232，可調(diào)試單片機的串口；5) 兩路485接口，可調(diào)試485總線通信；6) 兩路AD模塊；7) 定時器功能模塊；8) 溫度傳感器模塊；9) 直流電機控制接口，可調(diào)試直流電機的轉(zhuǎn)速；10) 最小系統(tǒng)獨立開發(fā)核心板，主要包括電源接口、調(diào)試接口、指示燈、晶振電路和復(fù)位按鍵。

其中，MC9S12DP512單片機的電路具體設(shè)計如圖6所示。

圖 6單片機電路

1.3 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序利用 C 語言進行設(shè)計，主要包括：系統(tǒng)參數(shù)配置初始化、開啟串口中斷服務(wù)、激光亮度反饋調(diào)節(jié)、讀取電壓AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理計算煙塵濃度和LCD 顯示煙塵濃度等。

2 結(jié)束語

本次設(shè)計的粉塵濃度監(jiān)測儀是基于MC9S12DP512單片機研發(fā)完成的，系統(tǒng)可靠、結(jié)構(gòu)簡單。本系統(tǒng)設(shè)計完成的內(nèi)容包括：激光調(diào)制電路、信號檢測電路等。本次設(shè)計的粉塵監(jiān)測儀已在我省某某火電廠完成測試實驗，測試現(xiàn)場的實際范圍為(0.5～2)mg/m3。滿足新的標準的要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定，便于維護。