熱導檢測器精密恒流源的設(shè)計與實現(xiàn)

氣相色譜儀作為測量儀器，以其高效、高靈敏度和高選擇性的特點而廣泛用于石油、化工、環(huán)保、臨床、制藥和食品等領(lǐng)域，可以對物質(zhì)成分進行定性和定量分析，它可以在很短的時間內(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器及微處理機，使得氣相色譜法成為一種分析速度快、靈敏度高、應用范圍廣的分析方法[2-4]。
　氣相色譜儀有多種檢測器，其中熱導檢測器由于對所有物質(zhì)都有響應，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、定量準確、價格低廉、經(jīng)久耐用，而且是非破壞性檢測器，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工藝的微型熱導檢測器[6]，但是與其他檢測器相比，熱導檢測器靈敏度低，這是它的主要缺點，本文試圖通過從恒流源電路上改進，提高其性能。
1 熱導檢測器工作原理
　熱導檢測器是利用被測成分和載氣的導熱系數(shù)不同而響應的濃度型檢測器，如圖1為熱導檢測器工作原理圖。由圖1可以看出，只通入載氣時，惠斯通電橋處于平衡狀態(tài)，M、N兩點電位相等，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，而測量臂上通入的是載氣和樣氣的混合氣體，其導熱系數(shù)不同于純載氣，從熱絲向四周傳導的熱量也就不同，從而引起兩臂熱絲溫度不同，進而使兩臂熱絲阻值不同,電橋平衡破壞。M、N兩點電位不等，即存在電位差VMN不為零，通過對VMN電壓進行檢測、分析，從而定性、定量地測出被測物質(zhì)的成分和含量。

、

　熱導檢測器在測量儀器中不能得到廣泛普及的一個重要原因是其靈敏度不是很高，因此提高檢測器的靈敏度對熱導檢測器非常必要。由式(1)可知影響熱導檢測器靈敏度的主要因素是熱導電阻、橋路電流、載氣熱導系數(shù)、熱導池體積、熱絲溫度及池體溫度。
　熱導檢測器靈敏度可用式(1)表示[7]：

式(１)中K為熱導池常數(shù)，取決于幾何參數(shù)；I為橋路電流；R為熱絲電阻；λC為載氣熱導系數(shù)；λS為樣氣熱導系數(shù)；Tf為熱絲溫度；Tb為池體溫度。
　一般情況下，熱導電阻的選擇對提高靈敏度來說很重要，一個性能優(yōu)異的熱導檢測器，對電阻的要求主要考慮四點：①電阻率高，以便可以在相同長度內(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，橋流對靈敏度和基線噪音影響很大，實踐證明：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)定性的熱導恒流源來提高熱導檢測器的靈敏度。
2 恒流源設(shè)計方案
2.1橋流電路
如圖2所示為恒流源的電路圖。輸出信號為M、N，即通過測量M、N兩點間的電位差，就能測出物質(zhì)的成分和含量。圖2中R5是采樣電阻，阻值10 Ω，當電流為上限250 mA時，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，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AD8662的2腳、3腳電壓不相等時,其差壓經(jīng)運放AD8662開環(huán)放大(開環(huán)放大倍數(shù)2.2×105)驅(qū)動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。當橋流有0.1 μA的波動時，施加到IRF640柵極的電壓變化達1.47 V，使IRF640增加或減小電流，從而消除電流波動。

　　場效應管IRF640放在電橋的上方有利于減小M、N點的共模電壓從而保護差壓檢測電路。如果將IRF640放在電橋的下方，如圖3所示，當場效應管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，當場效應管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，但是當橋流較大時(200 mA，橋電阻為100Ω)，則場效應管IRF640的柵極電壓達到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兩點間的電壓接運放AD8220，再經(jīng)運放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)換器和單片機進行處理，可檢測物質(zhì)的成分和含量。

空載，RG阻值為無窮大)，此運放的作用主要用來抑制M、N點高達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：信號放大的同時，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為輸出信號接AD轉(zhuǎn)換器，似乎也可以，但是輸入信號VMN本身是?滋V級信號，而地信號也有μV級的噪聲,會影響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的共模電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ妷盒盘?，避免了地線的噪聲，可提高測量精度。

3 實驗結(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，制作三種熱導檢測器板，安裝在SC6000氣相色譜儀中，用SC3000色譜工作站進行測量，測試條件為氫氣純度99.999%、氫氣流量40 mL/min、熱導檢測器溫度150℃、熱導橋流180 mA，檢測熱導檢測器的基線噪聲，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)有色譜儀熱導檢測器的指標。
本文對三套恒流源進行分析、比較、實驗，表明方案一的基線噪聲、溫度漂移小，優(yōu)于現(xiàn)有色譜儀熱導檢測器的指標，而且電橋檢測電路承受的共模電壓小，有利于保護檢測電路。
參考文獻
[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 Technology,1998,41(3):324-328.
[2] 中國科學院大連化學研究所[M].氣相色譜法.北京：科學出版社，1989.
[3] 孫傳經(jīng).氣相色譜分析原理與技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，1981.
[4] 馮建國，馮建興.分析儀器電子技術(shù)[M].北京：原子能出版社，1993.
[5] 景士廉，張云.各種便攜式氣相色譜儀[J].巖礦測試，2006,25(4):348-354.
[6] 劉鴻飛，陳忠.微型氣相色譜儀熱導檢測器放大電路設(shè)計[J].色譜，2010,16(1):737-742.
[7] 尹立明.提高氣相色譜儀分析性能探討[J].特鋼技術(shù)，2010,16(1):55-57.