｝｛《ｌ！｝ 确沸” ＥＬＥＣＴＲ（）ＮＩＣ电子测量技术 ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ Ｔ ＥＣＨＮｏＬ０ＧＹ 第３２０６１３卷第１年１Ｏ月０ 期 氢火焰离子检测器微小电流检测系统设计 范维志 蒲国健 李 胜 高文刚 （１．新疆鄯善中油测井吐哈事业部 鄯善８３８２０２；２．西南石油大学电气信息学院 成都 ６１０５００） 摘要：气相色谱分析是物质分离分析的一种重要手段，在众多领域应用日趋普遍。通过对检测组分进行处理后，使 之以电信号的方式被检测。氢火焰离子检测器是气相色谱检测器其中一类，由于其检测信号微弱，范围较宽，使得对 检测器中微小电流放大技术的研究和实现都有较大的难度和局限性。设计了高阻抗、低漏电流的场效应管作为反馈 元件构成的对数放大电路检测系统，实现对４９０ ｐＡｔＩ２ Ａ范围内的电流检测，以及自校准调零电路确保测量数据误 差小于３ 。降低了氢火焰离子检测器检测电路的复杂度，提高了系统精度，在现有气相色谱检测器处理宽范围微弱 电流信号的方法上提出了一种新的解决方法。 关键词：离子检测器；微小电流；对数放大；自校准 中图分类号：ＴＨ８４３ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５１Ｏ．４Ｏ１０ Ｍｉｃｒｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｌａｍｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｆａｎ Ｗｅｉｚｈｉ Ｐｕ Ｇｕｏｊｉａｎ Ｌｉ Ｓｈｅｎｇ Ｇａｏ Ｗｅｎｇａｎｇ （１．Ｃｈｉｎａ Ｐｅｔｒｏ１ ｅｕｍ Ｌｏｇｇｉｎｇ Ｃｏ．，Ｉ ｔｄ ＴｕＨａ ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｓｈａｎｓｈａｎ ８３８２０２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１０５００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｎｓ ｔＯ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｃｏｍｍｏｎ．Ｂｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｍａｎｎｅｒ ｏｆ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ． Ｆｌａｍｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ，ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｍｉｃｒｏ ｓｉｇｎａｌ，ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ，ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ａｎｄ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ，ｌｏｗ ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｌｅｍｅｎｔ ＦＥＴ ｔＯ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ４９０ ｐＡ～１ ２“Ａ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ３ ｂｙ ｓｅｌｆ－ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｄｕｃｅｄ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｌａｍｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ａ ｎｅｗ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｔ ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｍｉｃｒｏ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｓｅｌｆ—ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ １ 引 言 数值传送给色谱工作站以色谱图的方式显示出来。 氢火焰离子检测器的重要电路是前置放大和后续的数 气相色谱仪是一种利用气相色谱法（ｇａｓ 据采集及控制电路，对检测器的检测下限、分辨率和灵敏度 ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，ＧＣ）对复杂样品中的化合物实现高效定 有着较大影响 ］。由于检测器的此类指标是气相色谱仪 性定量分析的仪器。在石油化工、环境测定、食品发酵、有 的核心竞争点，所以检测器中实现微小电流放大调理的电 机化学、卫生检查、尖端科学各领域具有非常广泛的应 路性能也直接决定着气相色谱仪的性能。系统主要针对氢 用 。 。气相色谱系统分为６个部分：气路系统、进样系统、 火焰离子检测器微小电流的放大系统进行设计，该系统能 色谱柱、检测器、温度控制系统、信号记录和数据处理系统。 有效采集离子室输出的微弱电流，通过对微弱电流的放大、 检测器是实现气相色谱分析的重要部分。氢火焰离子化检 调理和采集，让信号以便于传输、读取和显示 ］。 测器（ｆｌａｍｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＦＩＤ）是众多气相色谱检测 器中的一种，它属于质量型气相色谱检测器，应用场合多 ２检测系统设计方案 样。被测组分由离子室电离，经检测器输出，之后转换成相 ＦＩＤ微小电流检测原理图如图１所示，主要包含信号 应关系的电压信号，此类信号更便于处理采集 ］。电信号 再经过信号调理和数据采集，在微处理器的控制下将相应 的对数放大、信号调理（包括有源滤波、次级放大和电压转 收稿日期：２０１３一Ｏ７ ・ １１ ・ 第３６卷 电 子 测 量技术 换）、模数转换、调零电路、记录仪驱动等模块。 —－—－—＿＿－—－—●＿＿－＿＿－＿－—－———●———————＿——＿＿－－－＿＿＿—－—Ｉ—－—－●－ Ａ／Ｄ在ＣＰＵ电路的控制下对电压信号进行转换，将转换 后的数值传送给ＣＰＵ进行处理并通过串口送至上位机， ＣＰＵ选用ＴＩ公司的ＤＳＰ。 ： 一… Ｉ 下位机互龌互壁 ｌ ＝二Ｉ＝二＝＝三二 一 ．此外，系统放大的是宽范围微弱电流信号，对系统的准 确性要求较高。电路中设计有自动调零电路。当系统开始 运行时，上位机发送相应的调零命令给ＣＰＵ电路，它在接 收到这个信号后读取当前的电压值，并根据这个值控制 Ｄ／Ａ转换电路输出相应的信号，使系统的输出为零。为提 高系统的兼容性，系统设计有记录仪驱动电路，它能够输出 ４～２０ ｍＡ的驱动信号。 图１ ＦＩＤ微小电流检测原理 ３微小电流放大电路设计 微小电流放大和调理电路主要包括：对数放大电路、有 源低通滤波电路、次级放大电路、差分电路及Ａ／Ｄ转换电 路５部分。 ３．１对数放大电路设计 微弱电信号由ＦＩＤ离子室输出之后，通过同轴电缆连 接到ＳＭＡ头子，有效减少信号传输中引入的噪声。微弱 信号以电流的形式进入系统后，首先经过对数放大电路，实 现电流信号到电压信号的转换，并经过滤波电路对噪声进 行滤除。对数放大器输出的电压信号相较于数据采集的 Ａ／Ｄ输入电压范围偏小，所以需要２次放大。系统选用的 ＦＩＤ色谱仪检测器，输出电流信号是极其微弱（１０＿。 Ａ～１０ Ａ），一般的放大电路很难实现如此大范围、高精 Ａ／Ｄ转换电路采用差分信号输入，所以Ａ／Ｄ转换电路之 度的微弱电流信号转换 ］。为此采用对数放大电路实现宽 范围微弱电流信号的放大，对数放大电路如图２所示。 前还需要加入电压转换电路，将单端信号转为差分信号。 图２对数放大电路 电路中Ｕ 和Ｕ 是孪生场效应管２Ｎ５５６４，它们的反 流Ｊ 对测量结果的影响。 图２中 ｔ为１．２５ Ｖ的恒压源， …为系统的调零电 向饱和电流参数一致，便可通过减法电路消除反向饱和电 ・ １２ ・ 范维志等：氢火焰离子检测器微小电流检测系统设计 压， 为系统的被测电流。假设调零电压输人为０，即 一。，则Ｊ ，一Ｒ ＋Ｒ３，其中设计Ｖ 一一１．２５ Ｖ， ２ 第１ｏ期 ｎＲ ＋Ｒ。一３００ ｋｔ＇ｌ。因此，Ｉ ，≈４．１ ｔｚＡ。假设对数放大电路 的２个输出分别为Ｖ 和 。 一，则： ｖ 一一ＵＴ１“ｙＪ ， 哇 （皂× ） 一 结合孪生场效应管的特性，２个孪生管的反向饱和电 流Ｊ 一Ｊ ，则式（４）可变形为： 。 一Ｕｒｌ 』 ｆ Ｓ１ （５） ＋一Ｕｒ１ｎ＿Ｉｉ． １８２ （２） 由式（５）可知，因为Ｕ 在温度一定的时候是定值 （２７℃时，Ｕ 大约为２６ ｍＶ），Ｊ ，是电路设计提供的恒流 源，所以对数放大电路最后的输出电压，只与系统的输入 电流这个变量有关。 ３．２有源低通滤波电路设计 式中：Ｊ ，为参考恒流源；Ｊ。 为系统输入电流；ｊ 、Ｊ 。：孪生 场效应管２Ｎ５５６４的２个反向饱和电流，Ｊ 一ｆ 。 电路中Ｕ４及其外围元件构成一个减法电路，Ｕ４的正 负输入端电压分别为Ｖ． 和Ｖ 一，电路中Ｒ 一Ｒ，。一Ｒ 一 Ｒ 一１０ ｋｉ２，则由减法电路的输出电压为： Ｖ（）１一Ｖｉ 一Ｖｉ 一 （３） 系统的测量对象是１个微弱的电流信号，即使经过对 数放大电路放大之后输出的电压值也仅为几百毫伏的微弱 低频电压信号，因此这个信号很容易收到干扰，特别容易受 Ｔ频噪声干扰 。系统滤波电路采用的是四阶有源巴特沃 斯滤波器，其截止频率设计为３０ Ｈｚ。电路如图３所示。 结合式（１）～（３）可得： ，，●●＼ ｎ Ｌ— — ｎ 、、●， ＧＮＤ ＧＮＤ 一 图３ 四阶巴特沃斯低通滤波电路 ３．３次级放大电路 在一定的零漂、温漂，这都会对系统的测量结果造成影响。 由于对数放大器的输入信号在１Ｏ 。Ａ～１ｏ Ａ的范 围内变化，经过对数放大器输出信号变化范围为： ２９８．４１～２３．０６ ｍＶ。经过滤波电路２．５７５的增益，输出 信号范围变为：一７６８．３８～５９．３７９５ ｍＶ。要将信号送至后 级Ａ／Ｄ，需满足其输入电压范围：一２．０４８～＋２．０４８ Ｖ。 因此采用次级放大电路放大２．４倍以满足Ａ／Ｄ对输入电 压的要求，如图４所示。 ４ 自校准与调零电路设计 自校准与调零电路主要是提高系统测量的准确性，防 止由于系统偏移减小测量范围。输入系统的微弱电流信 号经过对数放大电路时极易受到外界干扰，且运放本身存 图４次级放大电路 ・ １３ ・ 第３６卷 电 子 测 量技术 自校准与调零电路如图５所示，它的作用是当系统运行 后，可以通过上位机界面控制系统自动进行校准，使输出 信号满足要求。 Ｄ／Ａ 转换电路 对数放ｌ信号 ｌ々 法 减 ｆ 、 电路 Ｈ ｌ 图５调零及补偿电路原理 自动调零及补偿电路包括Ｄ／Ａ转换电路、基准电源和 分压电路、自校准减法电路３部分。电路中ＤＳＰ首先判断 接收到的系统输出电压值是否需要输出调零信号，若需要 调零，则ＤＳＰ根据检测到的值计算出相应的调零电压信号。 ５软件设计 ＤＳＰ控制整个ＦＩＤ微小电流放大系统正常运行，控制 系统的自动校准及补偿、信号放大调理等功能。ＤＳＰ软件 是嵌入式应用系统中的重要组成部分。ＤＳＰ程序总体结 构包括：控制数据检测及上传功能模块、自动校准及补偿 模块２大部分。ＤＳＰ软件的总体流程图如图６所示。系 统上电或复位后首先初始化ＧＰ１０口、ＳＣＩ口、中断及Ａ／Ｄ 转换器、Ｄ／Ａ转换器等外围器件，并将系统工作时钟设定 为１２ｏ ＭＨｚ。然后等待上位机的连接命令（Ｏｘ３０），接收到 连接命令后ＤＳＰ向上位机返回连接命令（Ｏｘ３０）。接下来 ＤＳＰ将等待上位机的工作命令：如果上位机发送调零命令 （Ｏｘ３１），则系统调用调零子函数；如果上位机发送检测命 令（０ｘ３２），则系统开始检测电流并将放大调理及转换后的 电流值传输到上位机。 厂菊 ＤＳＰ初始化 ＡＤＳ１Ｉ １０初始化 ＤＡＣ８５７ｌ初始化 Ｎ 等待连接命令 ＼／ Ｙ上 返删连接指令 凋零命令、 调用调零程序 返回凋零指令ｌ ｝调用检测程序 图６ ＤＳＰ的工作流程 ・ １４ ・ ６ 实验结果 由于系统中放大器的输出偏移电压、温度等对系统造 成一定的误差。对数放大电路实际输出电压与理论输出 电压如表１所示。表中数据显示，电路中等效输人电流范 围约为４９０ ｐＡ～１２ Ａ时，输出电压范围约为一２３１～４３ ｍＶ，对应的误差小于３ 。 表１对数放大电路实验数据 测蝴器Ｉｉ￣／ｕＡ 输出电压 ／ｍＶ誉电 ／压 ｍＶ 一一 ） ７ 结 论 采用对数放大电路实现对４９０ ｐＡ～１２ ＭＡ范围内的 微弱电流信号的放大，简化了电路复杂结构的同时实现了 对宽范围电信号的检测和需要的放大程度。采用漏电流 极低的场效应管作为反馈元件，有效提高了测量微弱电流 的能力。系统中，硬件上使用孪生场效应管和热敏电阻， 设计调零电路，软件上运用数值分析等方法，从不同角度 保证了测量电路的准确度和实用性。通过设计调零电路， 实现了电路的自动校准。硬件上通过采用控制零漂、温漂 方法，算法上使用数值分析方法，从硬软件两方面减小系 统误差，确保其数值小于３ 。 参考文献 Ｅｌｉ 刘虎威．气相色谱方法及应用［Ｍ２．２版．北京：化学 工业出版社，２００７：２３ ２８． Ｅ２］ 罗伟栋，许广宏．一种气相色谱仪的实时测控系统设 计［Ｊ］．电子测量技术，２０１３，３６（２）：１ ２３ １ ２６． Ｅ３］ 刘鸿飞，陈忠．微型气相色谱仪热导检测器放大电路 设计ＥＪ２．色谱，２ＯｌＯ，２８（８）：７３７ ７４２． Ｅ４］ 侯佩韦．基于ＤＳＰ的智能气相色谱检测系统研究ＥＤ］． 上海：东华大学，２０１１． ［５］ 闫书江，唐飞，王晓浩，等．用于ＦＡＩＭＳ系统的微电 流检测电路［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２０１１，２５（８）： 范维志等：氢火焰离子检测器微小电流检测系统设计 第１ｏ期 （上接第７页） 在外场测试时，为减小或消除屏蔽方舱接地线系统 的辐射干扰可采用以下措施：测试位置选在地线系统辐 ［６］ 滑瑞霞，张磊，龙慧．ＥＭＩ电源滤波器的插入损耗 分析ＥＪ］．电子科技，２０１１：６５－６ ７． ［７］ 孙国强．雷达电磁兼容设计与测试［Ｊ］．国外电子测量 技术，２０１１，３０（６）：５８—６１． 射场强较小方向、远离方舱的地点；对接地线进行屏蔽 处理。 ［８］ 付明民，袁登科，张逸成，等．用于开关电源的ＥＭＩ滤 参考文献 ［１］ 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