《電子技術(shù)應(yīng)用》
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熱導(dǎo)檢測(cè)器精密恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第14期
蘇 壘,, 靳 斌,, 毛秀芬, 陶昨糖
(西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院,, 四川 成都 610039)
摘要: 介紹了氣相色譜儀熱導(dǎo)檢測(cè)器精密恒流源的三種設(shè)計(jì)方案,,通過(guò)對(duì)三種方案進(jìn)行分析、對(duì)比,、實(shí)驗(yàn),,提出最佳方案。此恒流源由場(chǎng)效應(yīng)管IRF640,、運(yùn)放AD8662和線(xiàn)性光藕HCNR201構(gòu)成,。測(cè)試結(jié)果表明,該恒流源的基線(xiàn)噪聲達(dá)到4 μV,,60 min基線(xiàn)漂移7 μV,,優(yōu)于現(xiàn)有熱導(dǎo)檢測(cè)器恒流源的技術(shù)指標(biāo)。
Abstract:
Key words :

摘  要: 介紹了氣相色譜儀熱導(dǎo)檢測(cè)器精密恒流源的三種設(shè)計(jì)方案,,通過(guò)對(duì)三種方案進(jìn)行分析,、對(duì)比、實(shí)驗(yàn),提出最佳方案,。此恒流源由場(chǎng)效應(yīng)管IRF640,、運(yùn)放AD8662和線(xiàn)性光藕HCNR201構(gòu)成。測(cè)試結(jié)果表明,,該恒流源的基線(xiàn)噪聲達(dá)到4 ?滋V,,60 min基線(xiàn)漂移7 ?滋V,優(yōu)于現(xiàn)有熱導(dǎo)檢測(cè)器恒流源的技術(shù)指標(biāo),。
關(guān)鍵詞: 恒流源,; 熱導(dǎo)檢測(cè)器; AD8662,; IRF640,; AD8220

    氣相色譜儀作為測(cè)量?jī)x器,以其高效,、高靈敏度和高選擇性的特點(diǎn)而廣泛用于石油,、化工、環(huán)保,、臨床,、制藥和食品等領(lǐng)域,可以對(duì)物質(zhì)成分進(jìn)行定性和定量分析,,它可以在很短的時(shí)間內(nèi)分離幾十種甚至上百種成分的混合物,,這是其他方法無(wú)法比擬的[1]。目前,,由于使用了高靈敏度的檢測(cè)器及微處理機(jī),,使得氣相色譜法成為一種分析速度快、靈敏度高,、應(yīng)用范圍廣的分析方法[2-4],。
 氣相色譜儀有多種檢測(cè)器,其中熱導(dǎo)檢測(cè)器由于對(duì)所有物質(zhì)都有響應(yīng),,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、性能可靠、定量準(zhǔn)確,、價(jià)格低廉,、經(jīng)久耐用,而且是非破壞性檢測(cè)器,,因此廣泛配置在商用氣相色譜儀中[5],,安捷倫便攜色譜儀3000系列也配置了基于MEMS工藝的微型熱導(dǎo)檢測(cè)器[6],但是與其他檢測(cè)器相比,,熱導(dǎo)檢測(cè)器靈敏度低,,這是它的主要缺點(diǎn),本文試圖通過(guò)從恒流源電路上改進(jìn),提高其性能,。
1 熱導(dǎo)檢測(cè)器工作原理
 熱導(dǎo)檢測(cè)器是利用被測(cè)成分和載氣的導(dǎo)熱系數(shù)不同而響應(yīng)的濃度型檢測(cè)器,,如圖1為熱導(dǎo)檢測(cè)器工作原理圖。由圖1可以看出,,只通入載氣時(shí),,惠斯通電橋處于平衡狀態(tài),M,、N兩點(diǎn)電位相等,,電位差VMN為零。再通入樣氣后,,由于參考臂上通入的是純載氣,,而測(cè)量臂上通入的是載氣和樣氣的混合氣體,其導(dǎo)熱系數(shù)不同于純載氣,,從熱絲向四周傳導(dǎo)的熱量也就不同,,從而引起兩臂熱絲溫度不同,進(jìn)而使兩臂熱絲阻值不同,電橋平衡破壞,。M,、N兩點(diǎn)電位不等,即存在電位差VMN不為零,,通過(guò)對(duì)VMN電壓進(jìn)行檢測(cè)、分析,,從而定性,、定量地測(cè)出被測(cè)物質(zhì)的成分和含量。

,、

 

 熱導(dǎo)檢測(cè)器在測(cè)量?jī)x器中不能得到廣泛普及的一個(gè)重要原因是其靈敏度不是很高,,因此提高檢測(cè)器的靈敏度對(duì)熱導(dǎo)檢測(cè)器非常必要。由式(1)可知影響熱導(dǎo)檢測(cè)器靈敏度的主要因素是熱導(dǎo)電阻,、橋路電流,、載氣熱導(dǎo)系數(shù)、熱導(dǎo)池體積,、熱絲溫度及池體溫度,。
 熱導(dǎo)檢測(cè)器靈敏度可用式(1)表示[7]:
  
    式(1)中K為熱導(dǎo)池常數(shù),取決于幾何參數(shù),;I為橋路電流,;R為熱絲電阻;λC為載氣熱導(dǎo)系數(shù),;λS為樣氣熱導(dǎo)系數(shù),;Tf為熱絲溫度;Tb為池體溫度。
 一般情況下,,熱導(dǎo)電阻的選擇對(duì)提高靈敏度來(lái)說(shuō)很重要,,一個(gè)性能優(yōu)異的熱導(dǎo)檢測(cè)器,對(duì)電阻的要求主要考慮四點(diǎn):①電阻率高,,以便可以在相同長(zhǎng)度內(nèi)得到高阻值,;②電阻溫度系數(shù)大,以便有微小的散熱就有大的阻值變化,;③強(qiáng)度好,;④耐氧化或腐蝕。
 除了電阻的選擇,,由式(1)可以看出靈敏度和橋流3次方成正比,,橋流對(duì)靈敏度和基線(xiàn)噪音影響很大,實(shí)踐證明:橋流每增加10%,,靈敏度增加1倍,,基線(xiàn)噪音也增加1倍[7],因此本文通過(guò)研制高穩(wěn)定性的熱導(dǎo)恒流源來(lái)提高熱導(dǎo)檢測(cè)器的靈敏度,。
2 恒流源設(shè)計(jì)方案
2.1橋流電路

    如圖2所示為恒流源的電路圖,。輸出信號(hào)為M、N,,即通過(guò)測(cè)量M,、N兩點(diǎn)間的電位差,就能測(cè)出物質(zhì)的成分和含量,。圖2中R5是采樣電阻,,阻值10 Ω,當(dāng)電流為上限250 mA時(shí),,采樣電壓為2.5 V,采樣電壓輸入到AD8662的2腳,,AD8662的3腳接電位器RW,RW的一端接地,,另一端接+2.5 V電壓基準(zhǔn),,此+2.5 V是通過(guò)穩(wěn)壓芯片ADR431輸出,溫度穩(wěn)定1 ppm/℃,。設(shè)定好電位器的電壓后,,當(dāng)AD8662的2腳、3腳電壓不相等時(shí),其差壓經(jīng)運(yùn)放AD8662開(kāi)環(huán)放大(開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)2.2×105)驅(qū)動(dòng)AD8662的5腳,,U1B和線(xiàn)性光耦HCNR201構(gòu)成光耦隔離的放大電路,放大比為500 K/75 K=6.7倍,。AD8662和HCNR201構(gòu)成放大比1.47×106的差壓放大電路,并且起到穩(wěn)流作用,。當(dāng)橋流有0.1 μA的波動(dòng)時(shí),,施加到IRF640柵極的電壓變化達(dá)1.47 V,,使IRF640增加或減小電流,從而消除電流波動(dòng),。

  場(chǎng)效應(yīng)管IRF640放在電橋的上方有利于減小M,、N點(diǎn)的共模電壓從而保護(hù)差壓檢測(cè)電路。如果將IRF640放在電橋的下方,,如圖3所示,,當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管IRF640截止,則電源電壓60 V全部加到了M,、N上面,,則差壓檢測(cè)電路的共模電壓過(guò)高。
  如果只是單純地將IRF640放在電橋的上方,,而不加線(xiàn)性光耦HCNR201,。如圖4所示,當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管IRF640截止,,則M,、N上的共模電壓為零,這樣雖然可以避免圖3方案的問(wèn)題,,但是當(dāng)橋流較大時(shí)(200 mA,,橋電阻為100Ω),則場(chǎng)效應(yīng)管IRF640的柵極電壓達(dá)到20多伏,,超過(guò)了AD8661的電源電壓范圍(±18 V),。因此圖3、圖4方案都不可行,。
2.2 差壓采集電路
 圖5為電壓輸出采集電路,,M、N兩點(diǎn)間的電壓接運(yùn)放AD8220,,再經(jīng)運(yùn)放OP1177處理后,得到輸出電壓VoutA、VoutB,,此電壓最后接色譜工作站或接AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)進(jìn)行處理,,可檢測(cè)物質(zhì)的成分和含量。

 

空載,,RG阻值為無(wú)窮大),,此運(yùn)放的作用主要用來(lái)抑制M、N點(diǎn)高達(dá)20多伏的共模電壓,,AD轉(zhuǎn)換器一般承受不了如此大的共模電壓,;而電路不放大的原因是:信號(hào)放大的同時(shí),噪聲也隨之放大,,信噪比并不能提高,。電路如果不接OP1177,,則VoutB直接接地,VoutA為輸出信號(hào)接AD轉(zhuǎn)換器,,似乎也可以,,但是輸入信號(hào)VMN本身是?滋V級(jí)信號(hào),而地信號(hào)也有μV級(jí)的噪聲,會(huì)影響AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果,,由于OP1177的PSRR(電源噪聲抑制比)為130 dB,,其輸出端可以抑制電源和地的噪聲,因此加上OP1177后,,將使AD的共模電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅k妷盒盘?hào),,避免了地線(xiàn)的噪聲,可提高測(cè)量精度,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    從上面三種方案的分析中可以得出方案一為最佳方案,,制作三種熱導(dǎo)檢測(cè)器板,安裝在SC6000氣相色譜儀中,,用SC3000色譜工作站進(jìn)行測(cè)量,,測(cè)試條件為氫氣純度99.999%、氫氣流量40 mL/min,、熱導(dǎo)檢測(cè)器溫度150℃,、熱導(dǎo)橋流180 mA,檢測(cè)熱導(dǎo)檢測(cè)器的基線(xiàn)噪聲,,如圖7所示,基線(xiàn)噪音為3 μV~4 μV,,60 min漂移為7 μV,優(yōu)于現(xiàn)有色譜儀熱導(dǎo)檢測(cè)器的指標(biāo),。
    本文對(duì)三套恒流源進(jìn)行分析,、比較、實(shí)驗(yàn),,表明方案一的基線(xiàn)噪聲,、溫度漂移小,優(yōu)于現(xiàn)有色譜儀熱導(dǎo)檢測(cè)器的指標(biāo),,而且電橋檢測(cè)電路承受的共模電壓小,,有利于保護(hù)檢測(cè)電路。
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