熱導(dǎo)檢測(cè)器精密恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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。

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　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)提高靈敏度來說很重要，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，基線噪音也增加1倍[7]，因此本文通過研制高穩(wěn)定性的熱導(dǎo)恒流源來提高熱導(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開環(huán)放大(開環(huán)放大倍數(shù)2.2×105)驅(qū)動(dòng)AD8662的5腳，U1B和線性光耦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)電路的共模電壓過高。
　　如果只是單純地將IRF640放在電橋的上方，而不加線性光耦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阻值為無窮大)，此運(yùn)放的作用主要用來抑制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)器的基線噪聲，如圖7所示,基線噪音為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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