一種新型高可靠性甲烷傳感器的原理與設計

　　3 硬件電路工作原理

　　3.1 檢測電路

　　3.1.1 甲烷傳感器工作原理

　　甲烷檢測的方法有很多種,如熱導法、紅外光譜系數法、超聲波測量法、氣敏半導體法、熱載體催化元件檢測法等。儀表采用熱載體催化元件檢測法,這種元件內部以鉑絲為核心,外部以氧化鋁為載體,載體上涂有催化劑,當鉑絲通過一定的電流且元件處于含有甲烷的氣體中時,表面會產生無焰燃燒,使鉑絲因溫度增加而阻值增加,從而實現對甲烷的檢測。目前甲烷傳感器均采用這種方法。采用熱載體催化元件檢測甲烷濃度的原理如圖2所示。它是一個簡單的電橋,催化元件r1 (黑元件)作為工作元件, r2 (白元件)作為對比元件。R2 用于補償r1 , r2 的不一致。當無甲烷時, 調節RP使電橋處于平衡狀態, r1 , r2 中流過相同的恒定電流, 并使兩元件溫度上升到500 ℃左右。當有甲烷時甲烷與氧氣在工作元件表面發生反應,放出的熱量使工作元件溫度升高ΔT,從而引起工作元件電阻增加Δr,使電橋失去平衡,產生一個與甲烷濃度成正比的電壓信號輸出,測出此信號的大小即可知道甲烷濃度的高低,信號將輸出到A /D轉換電路。

　　3.1.2 甲烷檢測橋路

　　將圖2簡化如圖3所示。當電橋輸出端接至高輸入阻抗裝置(如運算放大器或數字電壓表等)時,電橋相當于工作在輸出開路狀態,其輸出電壓為:

　　3.2 A /D轉換電路

　　根據該傳感器的多功能與高精度要求,A /D轉換電路采用TLC2543C,把測量模擬信號轉換成數字信號。TLC2543C為10位開關電容逐次逼近的模數轉換器。通過一個串行的3態輸出端與主處理器或其他外圍器件相連,減少了硬件走線。除了高速轉換和通用控制功能之外,器件具有11路的模擬輸入端,完全能夠滿足多路采樣和功能升級。器件的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗基準電壓,具有簡化比例轉換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點。開關電容的設計還可以使在整個溫度范圍內減小轉換誤差,提高系統的精度。