一种新型高可靠性甲烷传感器的原理与设计

　　3 硬件电路工作原理

　　3.1 检测电路

　　3.1.1 甲烷传感器工作原理

　　甲烷检测的方法有很多种,如热导法、红外光谱系数法、超声波测量法、气敏半导体法、热载体催化元件检测法等。仪表采用热载体催化元件检测法,这种元件内部以铂丝为核心,外部以氧化铝为载体,载体上涂有催化剂,当铂丝通过一定的电流且元件处于含有甲烷的气体中时,表面会产生无焰燃烧,使铂丝因温度增加而阻值增加,从而实现对甲烷的检测。目前甲烷传感器均采用这种方法。采用热载体催化元件检测甲烷浓度的原理如图2所示。它是一个简单的电桥,催化元件r1 (黑元件)作为工作元件, r2 (白元件)作为对比元件。R2 用于补偿r1 , r2 的不一致。当无甲烷时, 调节RP使电桥处于平衡状态, r1 , r2 中流过相同的恒定电流, 并使两元件温度上升到500 ℃左右。当有甲烷时甲烷与氧气在工作元件表面发生反应,放出的热量使工作元件温度升高ΔT,从而引起工作元件电阻增加Δr,使电桥失去平衡,产生一个与甲烷浓度成正比的电压信号输出,测出此信号的大小即可知道甲烷浓度的高低,信号将输出到A /D转换电路。

　　3.1.2 甲烷检测桥路

　　将图2简化如图3所示。当电桥输出端接至高输入阻抗装置(如运算放大器或数字电压表等)时,电桥相当于工作在输出开路状态,其输出电压为:

　　3.2 A /D转换电路

　　根据该传感器的多功能与高精度要求,A /D转换电路采用TLC2543C,把测量模拟信号转换成数字信号。TLC2543C为10位开关电容逐次逼近的模数转换器。通过一个串行的3态输出端与主处理器或其他外围器件相连,减少了硬件走线。除了高速转换和通用控制功能之外,器件具有11路的模拟输入端,完全能够满足多路采样和功能升级。器件的转换器结合外部输入的差分高阻抗基准电压,具有简化比例转换以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计还可以使在整个温度范围内减小转换误差,提高系统的精度。