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热导检测器精密恒流源的设计与实现

2014/11/13 19:29:43  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  苏 垒, 靳 斌, 毛秀芬, 陶昨糖

  ( 西华大学 电气信息学院 , 四川 成都 610039)

  摘 要: 介绍了气相色谱仪热导检测器精密恒流源的三种设计方案, 通过对三种方案进行分析、对比、实验,提出最佳方案。 此恒流源由场效应管 IRF640、运放 AD8662 和线性光藕 HCNR201 构成。 测试结果表明, 该恒流源的基线噪声达到 4 μV ,60 min 基线漂移 7 μV , 优于现有热导检测器恒流源的技术指标。

  气相色 谱仪 作为测 量 仪 器 ,以 其 高 效 、高 灵 敏 度 和高选择性的特点而广泛用于石油 、化工、环保、临床、制药和食 品等 领域, 可 以对 物质 成分进 行定 性和定 量 分析,它可以在很短的时间内分离几十种甚至上百种成分的混合物,这是其他方法无法比拟的[ 1]。 目前 , 由于使用了高灵敏度的检测器及微处理机,使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法[2-4]。

  气相色谱仪有多种检测器,其中热导检测器由于对所有物质都有响应 ,结构简单、性能可靠、定量准确、价格低廉、经久耐用,而且是非破坏性检测器,因此广泛配置在商用气相色谱仪中[ 5], 安捷伦便携色谱仪 3000 系列也配置了基于MEMS工艺的微型热导检测器[ 6],但 是与其他检测器相比,热导检测器灵 敏度 低,这 是它的 主要缺点,本文试图通过从恒流源电路上改进,提高其性能。

  1 热导检测器工作原理

  热导检测器是利用被测成分和载气的导热系数不同而响应的浓度型检测器, 如图 1 为热导检测器工作原理图。 由图 1 可以看出 , 只通入载气时 , 惠斯通电桥处于平衡状态,M、N 两点电位相等,电位差 VMN为零。再通入样气后,由于参考臂上 通入 的是 纯载气 ,而测 量臂上 通入的是载气和样气的混合气体,其导热系数不同于纯载气,从热丝向四周传导的热量也就不同,从而引起两臂热丝温度不同,进而使两臂热丝阻值不同,电桥平衡破坏。 M 、 N两点电位不等,即存在电位差VMN不为零,通过对VMN电压进行检测、分析,从 而定 性、定量 地测 出被 测物 质 的成分和含量。

  热导检测器在测量仪器中不 能得到 广泛 普及的一个重要原因是其灵敏度不是很高, 因此提高 检测 器的灵 敏 度 对 热 导 检 测 器 非 常 必 要。

  由式(1)可知影响热导检测器灵敏度的主要因素 是热 导电 阻、 桥路 电流 、 载气热 导系 数 、 热 导池体积、热丝温度及池体温度。热导检测器灵敏度可用式(1)表示:

  一般情况下,热导电阻的选择对提高灵敏度来说很重要,一个性能优异 的热导 检测 器 ,对 电阻的 要求 主要考虑四点:①电阻率 高,以 便可以 在相 同长 度内得 到高阻值; ②电阻温度 系数大 ,以便 有微 小的散 热就 有大的阻值变化;③强度好;④耐氧化或腐蚀。

  除了电阻的选择,由式(1)可以看出灵敏度和桥流 3次方成正比,桥流对 灵敏 度和基 线噪 音影 响很大 ,实践证明:桥流每增加 10%,灵敏度增加 1 倍,基线噪音也增加1倍[ 7], 因此本文通过研制高稳定性的热导恒流源 来提高热导检测器的灵敏度。

  2 恒流源设计方案

  2.1桥流电路

  如图2所示为恒流源的电路图。 输出信号为 M、N,即通过测量M 、N两点间的电位差, 就能测出物质的成分和含量。 图 2 中 R5 是采样电阻,阻值 10 Ω,当电流为上 限250 mA时 , 采 样 电 压 为 2.5 V, 采 样 电 压 输 入 到AD8662的2脚,AD8662 的 3 脚接电位器 RW,RW的 一端接地,另一端接+2.5 V 电压基准,此+2.5 V 是通过稳压芯片ADR431输出,温度稳定 1 ppm/℃。设定好电位器的电压后, 当 AD8662 的 2 脚、3 脚电压不相等时, 其差压经运放AD8662开环放大(开环放大倍数2.2 ×105)驱动AD8662的5脚 ,U1B 和 线 性 光 耦 HCNR201 构 成 光 耦 隔离的放大电路,放大比为500 K/75 K =6.7倍。 AD8662和HCNR201构 成放 大比1.47 ×106的差压 放大 电路,并且起 到 稳 流 作 用。

  当 桥 流 有0.1 μA的 波 动 时,施 加 到IRF640栅极的电压 变化达1.47 V ,使IRF640增 加或减小电流,从而消除电流波动。场效应管IRF640放在电桥的上方有利于减小M 、N点 的共模 电压 从而 保护差 压检 测电路。如果 将IRF640放在电桥的下方, 如图 3 所示, 当场效应管 IRF640 截止, 则 电 源 电 压 60 V 全 部 加 到 了 M 、 N 上 面 , 则 差 压 检测电路的共模电压过高。

  如果只是单纯地将IRF640放在 电桥 的上方 , 而不加线性光耦HCNR201 。如图4所示,当场效应管 IRF640截止,则 M、N 上的共模电压为零,这样虽然可以避免图3方案的问题, 但是当桥流较大时 (200 mA, 桥电阻为100 Ω) ,则场效应管IRF640的栅极电压达到20多伏,超过了AD8661的电源电压范围(±18 V) 。因此图3 、图4方案都不可行。

  2.2差压采集电路

  图5为电压输出采集电路,M 、 N两点间的电压接运放AD8220 ,再经运 放OP1177处 理后,得 到输 出电压Vou-tA、 VoutB, 此电压最后接色谱工作站或接 AD 转换器 和单片机进行处理,可检测物质的成分和含量。

  图6为运放AD8220内部结构等效电路。对图5进

  由上面的推导过程可知, 最后输出电压 VAB与输入

空载,RG阻 值为无 穷大) ,此运 放的作 用主 要用来 抑制M 、N点 高 达20多 伏 的 共 模 电 压 ,AD 转 换 器 一 般 承 受不了如此大的共模电压 ;而电 路不放 大的 原因 是 :信号放大的同时,噪声也随之放大,信噪比并不能提高。电路如果不接OP1177 ,则VoutB直接接地,VoutA为输出信号接AD转换 器 ,似 乎 也 可 以 ,但 是 输 入 信 号 VMN本 身 是μV级信号,而地信号也有 μV 级的噪声,会影响 AD 转换的结果,由于 OP1177 的 PSRR(电源噪声抑制比)为 130 dB,其输出端可以抑制电源和地的噪声 , 因此加 上 OP1177后, 将使 AD 的共模电压信号转变为差模电压信号,避免了地线的噪声,可提高测量精度。

  3 实验结果

  从上面 三 种 方 案 的 分 析 中 可 以 得 出 方 案 一 为 最 佳方案,制作三种热导检测器板,安装在 SC6000 气相色谱仪中,用 SC3000 色谱工作站进行测量,测试条件为氢气纯 度99.999% 、氢气 流量40 mL/min 、热 导 检 测 器 温 度150℃ 、热导桥 流180 mA ,检 测热 导检测 器的 基线噪 声,如图7所示,基线噪音为3 μV ~4 μV ,60 min漂移为7 μV ,优于现有色谱仪热导检测器的指标。

  本文对三套恒流源进行分析、 比较 、 实验 , 表明方案一的基线噪声、温 度漂 移小,优 于现 有色 谱仪热 导检 测器的指标,而且电桥检 测电 路承受 的共 模电 压小,有 利于保护检测电路。

  参考文献

  [ 1 ] KOLESAR E S , RESTON R R . Review and summary of a

  silicon micro machined gas chromatography system [ J ] . IEEE

  Trans on Components , Packaging and Manufacturing Tech -

  nol ogy , 1998 , 41 (3 ): 324 -328 .

  [ 2 ] 中国科学院大连化学研究所 [ M ] . 气相色谱法 . 北京 : 科

  学出版社, 1989 .

  [ 3 ] 孙传经 . 气相色谱分析原理与技术 [ M ] . 北京 : 化学工业出版社, 1981 .

  [ 4 ] 冯建国 , 冯建兴 . 分析仪器电子技术 [ M ] . 北京 : 原子能出

  版社, 1993 .

 

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