一种非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及微电流信号采集处理，具体涉及一种非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路。


背景技术：

2.1958年，mewilan和harely等分别成功研制氢火焰离子化检测器(fid)，氢火焰离子化检测器由于结构简单、性能优异、稳定可靠、操作方便，所以即便经过60多年的发展，如今的fid结构仍无实质性的改变。
3.fid属于破坏性、质量型检测器，是以氢气和空气燃烧生成的火焰为能源，当有机化合物进入以氢气和氧气燃烧形成的火焰时，将在高温下产生化学电离，电离产生比基流高几个数量级的离子，在高压电场的定向作用下，形成离子流，微弱的离子流经过高阻放大后，形成与进入火焰的有机化合物质量成正比的电信号，因此可以根据电信号的大小对有机化合物进行定量分析。
4.如图5所示，氢火焰离子化检测器拥有两个电极，一个为极化极(或发射极)，用来喷射燃烧火焰，另一个为收集极，在一定极化电压下收集火焰中的离子。
5.1)载气(氮气)携带有机化合物cnhm和可燃气体(氢气)，由喷嘴喷出并进入火焰，有机化合物cnhm在火焰热裂解区发生裂解反应，产生自由基(次甲基)，反应如下：cnhm
→
—ch；
6.2)空气从四周向火焰聚集，上述反应产生的自由基—ch在反应区与空气中的激发态原子氧(或分子氧)发生如下反应：—ch+o
→
cho
+
+e-；
7.3)生成的正离子cho
+
与火焰中的水分子碰撞发生如下反应：cho
+
+h2o
→
h3o
+
+co，h3o
+
为水合氢离子；
8.4)化学电离形成的正负离子在极化电压形成的微电场作用下分别向相反极性的电极运动，正离子被负极收集、电子被正极捕获，从而形成微电流(约10-6
～10-14
a)。
9.在一定范围内，微电流大小与进入离子室的有机化合物质量成正比，正因为如此，氢火焰离子化检测器归属于质量型检测器的一种。收集极对微电流进行收集、输出，然后经高阻放大后获得可测的电信号，电信号输出至单片机，得到峰面积与有机化合物质量成正比的色谱图。
10.然而，现有的非甲烷总烃分析仪不能对飞安级电流信号进行较好地采集和放大处理，导致不能对氢火焰离子化检测器fid产生的非常微弱的微电流信号进行有效响应。


技术实现要素：

11.(一)解决的技术问题
12.针对现有技术所存在的上述缺点，本实用新型提供了一种非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，能够有效克服现有技术所存在的不能对氢火焰离子化检测器fid产生的飞安级电流信号进行较好地采集和放大处理的缺陷。
13.(二)技术方案
14.为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：
15.一种非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，包括用于接收氢火焰离子化检测器fid的收集极的微电流信号，并将微电流信号转换为电压信号，同时对电压信号进行放大的信号采集放大电路，以及用于给信号采集放大电路供电的直流降压单元；
16.所述直流降压单元包括将dc24v+转换为dc12v+、dc12v-的第一直流降压电路，将dc12v+转换为dc5v+的第二直流降压电路，以及将dc12v-转换为dc5v-的第三直流降压电路，所述第二直流降压电路和第三直流降压电路给信号采集放大电路供电。
17.优选地，所述第一直流降压电路包括第一电源模块u10，连接于第一电源模块u10输入端与dc24v+接入端之间的滤波电路，连接于第一电源模块u10输出端的用于对dc12v-输出进行一阶稳压滤波的第一一阶稳压滤波电路，与第一一阶稳压滤波电路相连的用于对dc12v-输出进行二阶稳压滤波的第一二阶稳压滤波电路，连接于第一电源模块u10输出端的用于对dc12v+输出进行一阶稳压滤波的第二一阶稳压滤波电路，以及与第二一阶稳压滤波电路相连的用于对dc12v+输出进行二阶稳压滤波的第二二阶稳压滤波电路。
18.优选地，所述滤波电路包括连接于第一电源模块u10输入端与dc24v+接入端之间的电容c41、共模电感t3，所述电容c41与dc24v+接入端之间连接有用于反接保护的二极管d1。
19.优选地，所述第一电源模块u10输出端连接第一一阶稳压滤波电路，所述第一一阶稳压滤波电路连接第一二阶稳压滤波电路；
20.所述第一一阶稳压滤波电路包括并联的电容c137、电容c6、电容c24，以及连接于电容c137、电容c6之间的共模电感t2，所述第一二阶稳压滤波电路包括并联的电容c10、电容c11，以及连接于电容c24、电容c10之间的电感l10。
21.优选地，所述第一电源模块u10输出端连接第二一阶稳压滤波电路，所述第二一阶稳压滤波电路连接第二二阶稳压滤波电路；
22.所述第二一阶稳压滤波电路包括并联的电容c5、电容c25、电容c26，以及连接于电容c5、电容c25之间的共模电感t1，所述第一二阶稳压滤波电路包括并联的电容c20、电容c21，以及连接于电容c26、电容c20之间的电感l11。
23.优选地，所述第二直流降压电路包括第二电源模块u11，连接于第二电源模块u11输入端与地之间的第三稳压滤波电路，连接于第二电源模块u11输出端的第一分压电路，与第一分压电路相连的用于对dc5v+输出进行稳压滤波的第四稳压滤波电路，以及与第四稳压滤波电路相连的dc5v+输出检测回路。
24.优选地，所述第三直流降压电路包括第三电源模块u1，连接于第三电源模块u1输入端与地之间的第五稳压滤波电路，连接于第三电源模块u1输出端的第二分压电路，与第二分压电路相连的用于对dc5v-输出进行稳压滤波的第六稳压滤波电路，以及与第六稳压滤波电路相连的dc5v-输出检测回路。
25.优选地，所述信号采集放大电路包括级联的运算放大器u6、运算放大器u9、运算放大器u14、运算放大器u7，连接于运算放大器u6反相输入端的补偿电路，以及连接于运算放大器u6反相输入端、运算放大器u6输出端之间的i/v转换电阻r12。
26.优选地，所述补偿电路包括电阻r16、电容c23，所述电阻r16连接于运算放大器u6
反相输入端、微电流信号输入端j4之间，所述电容c23连接于运算放大器u6反相输入端、地之间。
27.(三)有益效果
28.与现有技术相比，本实用新型所提供的一种非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，具有以下有益效果：
29.1)采用模块化电路，能让fid产生的微电流信号直接转换为单片机可以识别的电压信号，方便做产品时候进行集成；
30.2)采集精度高，飞安级别的运放ada4530-1能够确保采集精度，从而能够对fid产生的飞安级电流信号进行较好地采集和放大处理，同时运放ada4530-1采用工业标准8引脚soic表贴封装，独特的引脚排列经过优化，可以防止敏感输入引脚、电源和输出引脚之间的信号耦合，同时简化布线，运放ada4530-1还具有低失调电压、低失调漂移、低电压噪声和电流噪声等特性，适合要求极低漏电流的低噪声运放lt1028；
31.3)适用环境广泛，该电路可以工作在-40℃—85℃。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本实用新型中将dc24v+转换为dc12v+、dc12v-的第一直流降压电路的电路图；
34.图2为本实用新型中将dc12v+转换为dc5v+的第二直流降压电路的电路图；
35.图3为本实用新型中将dc12v-转换为dc5v-的第三直流降压电路的电路图；
36.图4为本实用新型中信号采集放大电路的电路图；
37.图5为氢火焰离子化检测器fid的工作原理示意图。
具体实施方式
38.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.一种非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，如图1至图4所示，包括用于接收氢火焰离子化检测器fid的收集极的微电流信号，并将微电流信号转换为电压信号，同时对电压信号进行放大的信号采集放大电路，以及用于给信号采集放大电路供电的直流降压单元；
40.直流降压单元包括将dc24v+转换为dc12v+、dc12v-的第一直流降压电路，将dc12v+转换为dc5v+的第二直流降压电路，以及将dc12v-转换为dc5v-的第三直流降压电路，第二直流降压电路和第三直流降压电路给信号采集放大电路供电。
41.如图1所示，第一直流降压电路包括第一电源模块u10，连接于第一电源模块u10输入端与dc24v+接入端之间的滤波电路，连接于第一电源模块u10输出端的用于对dc12v-输出进行一阶稳压滤波的第一一阶稳压滤波电路，与第一一阶稳压滤波电路相连的用于对dc12v-输出进行二阶稳压滤波的第一二阶稳压滤波电路，连接于第一电源模块u10输出端的用于对dc12v+输出进行一阶稳压滤波的第二一阶稳压滤波电路，以及与第二一阶稳压滤波电路相连的用于对dc12v+输出进行二阶稳压滤波的第二二阶稳压滤波电路。
42.①
滤波电路包括连接于第一电源模块u10输入端与dc24v+接入端之间的电容c41、共模电感t3，电容c41与dc24v+接入端之间连接有用于反接保护的二极管d1。
43.②
第一电源模块u10输出端连接第一一阶稳压滤波电路，第一一阶稳压滤波电路连接第一二阶稳压滤波电路；
44.第一一阶稳压滤波电路包括并联的电容c137、电容c6、电容c24，以及连接于电容c137、电容c6之间的共模电感t2，第一二阶稳压滤波电路包括并联的电容c10、电容c11，以及连接于电容c24、电容c10之间的电感l10。
45.③
第一电源模块u10输出端连接第二一阶稳压滤波电路，第二一阶稳压滤波电路连接第二二阶稳压滤波电路；
46.第二一阶稳压滤波电路包括并联的电容c5、电容c25、电容c26，以及连接于电容c5、电容c25之间的共模电感t1，第一二阶稳压滤波电路包括并联的电容c20、电容c21，以及连接于电容c26、电容c20之间的电感l11。
47.上述技术方案中，dc24v+通过j2接入，d1起反接保护作用，c41和t3组成lc滤波电路，t3为共模电感，u10为电源模块vr2412jmd-3w，输入为dc24v+，输出为dc12v+、dc12v-。
48.c137、t2、c6和c24对dc12v-输出进行一阶稳压滤波，l10、c10和c11对dc12v-输出进行二阶稳压滤波；c5、t1、c25和c26对dc12v+输出进行一阶稳压滤波，l11、c20和c21对dc12v+输出进行二阶稳压滤波。
49.如图2所示，第二直流降压电路包括第二电源模块u11，连接于第二电源模块u11输入端与地之间的第三稳压滤波电路(包括电容c22、电容c27)，连接于第二电源模块u11输出端的第一分压电路(包括电阻r22、电阻r1、电阻r10)，与第一分压电路相连的用于对dc5v+输出进行稳压滤波的第四稳压滤波电路(包括电容c139、电容c140)，以及与第四稳压滤波电路相连的dc5v+输出检测回路(包括电阻r11、指示灯d2)。
50.上述技术方案中，dc12v+经过c22、c27稳压滤波后，输出至第二电源模块u11的2脚，同时再经过r21输入至第二电源模块u11的1脚，使得第二电源模块u11工作。
51.r22、r1的阻值之和与r10的阻值之比为4.12，第二电源模块u11的4脚输出dc5v+，第二电源模块u11的3脚、6脚接模拟地；c139和c140组成对dc5v+输出的稳压滤波电路，消除电路产生的高频和低频干扰；r11和d2形成dc5v+输出检测回路，当第二电源模块u11输出dc5v+时，d2发光。
52.如图3所示，第三直流降压电路包括第三电源模块u1，连接于第三电源模块u1输入端与地之间的第五稳压滤波电路(包括电容c1、电容c2)，连接于第三电源模块u1输出端的第二分压电路(包括电阻r3、电阻r4)，与第二分压电路相连的用于对dc5v-输出进行稳压滤波的第六稳压滤波电路(包括电容c7、电容c8)，以及与第六稳压滤波电路相连的dc5v-输出检测回路(包括电阻r13、指示灯d3)。
53.上述技术方案中，dc12v-经过c1、c2稳压滤波后，输出至第三电源模块u1的5脚、8脚，r3的阻值与r4的阻值之比为3.24，第三电源模块u1的1脚输出dc5v-。第三电源模块u1的3脚、7脚悬空，4脚、9脚接模拟地，6脚和模拟地之间接c4。
54.c8和c7组成对dc5v-输出的稳压滤波电路，r13和d3形成dc5v-输出检测回路，当第三电源模块u1输出dc5v-时，d3发光。
55.如图4所示，信号采集放大电路包括级联的运算放大器u6、运算放大器u9、运算放大器u14、运算放大器u7，连接于运算放大器u6反相输入端的补偿电路，以及连接于运算放大器u6反相输入端、运算放大器u6输出端之间的i/v转换电阻r12。
56.补偿电路包括电阻r16、电容c23，电阻r16连接于运算放大器u6反相输入端、微电流信号输入端j4之间，电容c23连接于运算放大器u6反相输入端、地之间。
57.dc24v+经过直流降压单元后，输出干净稳定的dc5v+、dc5v-，接入到u6、u9、u14和u7的正负偏置电压，即u9和u14的4脚、7脚，u6和u7的4脚、5脚。
58.氢火焰离子化检测器fid的收集极的微电流信号通过微电流信号输入端j4流入信号采集放大电路，微电流信号输入端j4在经过r16和c23组成的补偿电路，以及i/v转换电阻r12后，能够使得微电流信号转变为单片机可以检测到的电压信号，该电压信号从u6的6脚输出，之后输入u9的3脚，从u9的6脚输出，再输入u14的3脚，从u14的6脚输出，最后在u7中放大100倍，通过j1端子输出放大了1*e
10
倍的电压信号。
59.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：包括用于接收氢火焰离子化检测器fid的收集极的微电流信号，并将微电流信号转换为电压信号，同时对电压信号进行放大的信号采集放大电路，以及用于给信号采集放大电路供电的直流降压单元；所述直流降压单元包括将dc24v+转换为dc12v+、dc12v-的第一直流降压电路，将dc12v+转换为dc5v+的第二直流降压电路，以及将dc12v-转换为dc5v-的第三直流降压电路，所述第二直流降压电路和第三直流降压电路给信号采集放大电路供电。2.根据权利要求1所述的非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：所述第一直流降压电路包括第一电源模块u10，连接于第一电源模块u10输入端与dc24v+接入端之间的滤波电路，连接于第一电源模块u10输出端的用于对dc12v-输出进行一阶稳压滤波的第一一阶稳压滤波电路，与第一一阶稳压滤波电路相连的用于对dc12v-输出进行二阶稳压滤波的第一二阶稳压滤波电路，连接于第一电源模块u10输出端的用于对dc12v+输出进行一阶稳压滤波的第二一阶稳压滤波电路，以及与第二一阶稳压滤波电路相连的用于对dc12v+输出进行二阶稳压滤波的第二二阶稳压滤波电路。3.根据权利要求2所述的非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：所述滤波电路包括连接于第一电源模块u10输入端与dc24v+接入端之间的电容c41、共模电感t3，所述电容c41与dc24v+接入端之间连接有用于反接保护的二极管d1。4.根据权利要求3所述的非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：所述第一电源模块u10输出端连接第一一阶稳压滤波电路，所述第一一阶稳压滤波电路连接第一二阶稳压滤波电路；所述第一一阶稳压滤波电路包括并联的电容c137、电容c6、电容c24，以及连接于电容c137、电容c6之间的共模电感t2，所述第一二阶稳压滤波电路包括并联的电容c10、电容c11，以及连接于电容c24、电容c10之间的电感l10。5.根据权利要求4所述的非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：所述第一电源模块u10输出端连接第二一阶稳压滤波电路，所述第二一阶稳压滤波电路连接第二二阶稳压滤波电路；所述第二一阶稳压滤波电路包括并联的电容c5、电容c25、电容c26，以及连接于电容c5、电容c25之间的共模电感t1，所述第一二阶稳压滤波电路包括并联的电容c20、电容c21，以及连接于电容c26、电容c20之间的电感l11。6.根据权利要求1所述的非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：所述第二直流降压电路包括第二电源模块u11，连接于第二电源模块u11输入端与地之间的第三稳压滤波电路，连接于第二电源模块u11输出端的第一分压电路，与第一分压电路相连的用于对dc5v+输出进行稳压滤波的第四稳压滤波电路，以及与第四稳压滤波电路相连的dc5v+输出检测回路。7.根据权利要求1所述的非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：所述第三直流降压电路包括第三电源模块u1，连接于第三电源模块u1输入端与地之间的第五稳压滤波电路，连接于第三电源模块u1输出端的第二分压电路，与第二分压电路相连的用于对dc5v-输出进行稳压滤波的第六稳压滤波电路，以及与第六稳压滤波电路相连的dc5v-输出检测回路。8.根据权利要求1所述的非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：所述信
号采集放大电路包括级联的运算放大器u6、运算放大器u9、运算放大器u14、运算放大器u7，连接于运算放大器u6反相输入端的补偿电路，以及连接于运算放大器u6反相输入端、运算放大器u6输出端之间的i/v转换电阻r12。9.根据权利要求8所述的非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，其特征在于：所述补偿电路包括电阻r16、电容c23，所述电阻r16连接于运算放大器u6反相输入端、微电流信号输入端j4之间，所述电容c23连接于运算放大器u6反相输入端、地之间。

技术总结
本实用新型涉及微电流信号采集处理，具体涉及一种非甲烷总烃分析仪的微弱电流检测电路，包括用于接收氢火焰离子化检测器FID的收集极的微电流信号，并将微电流信号转换为电压信号，同时对电压信号进行放大的信号采集放大电路，以及用于给信号采集放大电路供电的直流降压单元；本实用新型提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的不能对氢火焰离子化检测器FID产生的飞安级电流信号进行较好地采集和放大处理的缺陷。和放大处理的缺陷。和放大处理的缺陷。


技术研发人员：施奇兵 刘奎奎 吕祚坤 杨琛
受保护的技术使用者：合肥中科光博量子科技有限公司
技术研发日：2022.10.17
技术公布日：2023/2/9