專利名稱：一種用于催化燃燒型可燃氣體傳感器信號采集的電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種信號采集電路，尤其是一種用于催化燃燒型可燃氣體傳 感器信號采集的電路結(jié)構(gòu)。
背景技術：
催化燃燒型可燃氣體傳感器(后簡稱傳感器)應用于煉油、化工、醫(yī)藥、 冶金等需要連續(xù)監(jiān)測可燃性氣體的行業(yè)，具有技術成熟、穩(wěn)定性較好、價格 較低、廣譜性(對多種可燃性氣體敏感)等優(yōu)點，在保障相關行業(yè)安全生產(chǎn) 中獲得廣泛應用。
其原理是以圖1A所示電路為例，傳感器由圖中的電阻1ARC、 1ARD、 1AR1、 1AR2組成的惠斯頓電橋構(gòu)成，其中電阻1AR1、 1AR2為穩(wěn)定性較好且 標稱值相等的電阻，電阻1ARC、 1ARD為同樣材質(zhì)、線徑、工藝繞制并經(jīng)挑選 配對的呈球體狀的鉑電阻，電阻1ARD表面涂有鈀催化劑為檢測元件(外觀呈 黑色也叫黑元件)，電阻1ARC為補償元件(不涂催化劑呈白色故也稱白元件)， 常態(tài)下兩者阻值和溫度系數(shù)相等。正常工作時，圖1A中的電壓源或電流源 POWER把電阻1ARC、 1ARD加熱至幾百'C的紅熱狀態(tài)，電阻1ARD接觸可燃性 氣體時，其表面發(fā)生劇烈的氧化反應(無焰燃燒)，使阻值變大；而電阻1ARC 狀態(tài)保持不變(因無催化劑)，電橋就有信號電壓輸出，實現(xiàn)了對可燃性氣體 的檢測。
由于材料、工藝誤差等原因，電阻1ARC和1ARD以及1AR1和1AR2不可 能完全對稱，環(huán)境溫度波動的影響不能完全補償，加上重力長期作用使處于 紅熱狀態(tài)的電阻1ARD、 1ARC產(chǎn)生形變而導致的阻值變化，以及加熱電源 P0WER1A性能的波動，傳感器的零點漂移是不可避免的。 現(xiàn)有采樣/自動調(diào)零電路電路的構(gòu)成、優(yōu)點與局限性 現(xiàn)有方法如圖1A或圖1B所示，圖1A所示電路由依次連接的運算放大器 1AN1、 AD轉(zhuǎn)換器1AN2和單片機1AN3構(gòu)成，圖1B類同，特點是硬件方面與 傳統(tǒng)的采樣電路無異，不需增加硬件投入?？扇夹詺怏w檢測儀或變送器投運 時，經(jīng)人工對電位器初步調(diào)零(所述電位器也可能是數(shù)字式電位器)，以后就 由單片機程序根據(jù)零漂和可燃氣信號的不同特性(可燃氣信號一般每分鐘變
化數(shù)十單位而零漂通常每數(shù)小時至數(shù)十小時變化一至二個單位)加以判別并進行對應的處理(如判定含有零漂就先減去其中的漂移量)。存在的問題是 由于AD轉(zhuǎn)換器和單片機依次連接在差動放大器1AN1的后面，獲得的信號中 已消除了原始電平值，所以不能感知傳感器二個輸出端的真實電平，即單片 機不能確定傳感器的真實零點，(其"自動調(diào)零"只是在單片機1AN3中進行 數(shù)字的加減，并未真正消除傳感器的零漂)因而無法確定累進性零漂和總的 零漂幅度，單片機被"蒙蔽"了。當總零漂達到一定的幅度后，傳感器的響 應會呈現(xiàn)較大的非線性，使得測量結(jié)果嚴重偏離實際值，存在一定的安全隱 患(其安全性甚至不如無自動調(diào)零的傳統(tǒng)電路)，這正是自動調(diào)零技術在此領 域的應用至今未獲得足夠理論支持的主要原因。 關于零漂性質(zhì)的說明
1、 對稱性零漂是指圍繞某個確定點上下波動的零漂，如溫度的晝夜 變化及其引起傳感器相應的零漂；以年為單位溫度的季節(jié)性變化引起的零漂 亦然，其特征是漂移范圍不超過確定的最大值。
2、 累進性零漂是指單方向的、并且隨時間累加的零漂，如對于固定 安裝的傳感器由于重力的作用使黑白元件的絲材發(fā)生變形而導致的零漂，其 漂移范圍不受限制且無法預先確定，因而更加危險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種用于催化燃燒型 可燃氣體傳感器信號采集的電路結(jié)構(gòu)，它能判斷不同性質(zhì)的零漂并給予相對 應的處理，從而及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，對于確保相關行業(yè)的設備和人員安全意 義重大；成本方面只需少量增加甚至可能減少。
按照本發(fā)明提供的技術方案，所述用于催化燃燒型可燃氣體傳感器信號 采集的電路結(jié)構(gòu)，包括兩個獨立的單端信號采集電路；
所述兩個獨立的單端信號采集電路為二路A/D轉(zhuǎn)換器，或為二個電子開 關和一路A/D轉(zhuǎn)換器；
所述二路A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口與第一單片機連接，模擬接口分別連接 可燃氣體傳感器的兩個輸出端；
所述二個電子開關和一路A/D轉(zhuǎn)換器為第二單片機內(nèi)部包含的，或為獨 立的單路或多路A/D集成電路芯片，所述第二單片機經(jīng)地址線控制二個電子 開關的選擇;所述二個電子開關一端分別連接可燃氣體傳感器的兩個輸出端， 另一端連接所述一路A/D轉(zhuǎn)換器。
所述兩個獨立的單端信號采集電路分別通過濾波電路連接可燃氣體傳感器的兩個輸出端。
本發(fā)明的優(yōu)點是-
1、 能及時判定傳感器真實的零漂幅度及其性質(zhì)以便進行相應的處理，消 除安全隱患。
2、 能夠?qū)崿F(xiàn)完全的數(shù)字自動調(diào)零，減少生產(chǎn)/調(diào)試工作量。
3、 成本增加很少，或者不增加甚至減少。


圖1A為已有技術的一種電路結(jié)構(gòu)圖。 圖1B為已有技術的第二種電路結(jié)構(gòu)圖。
圖2A為以二路AD芯片和單片機構(gòu)成的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2B為以雙路電子開關加單路AD芯片和單片機構(gòu)成的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示
圖3B為以內(nèi)含多路AD的單片機SN8P1909構(gòu)成的本發(fā)明的電路圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖2A所示，傳感器的二個輸出端02A和S2A分別通過濾波電路接有 高分辨率的AD轉(zhuǎn)換器2AN1和2AN2， AD轉(zhuǎn)換器2AN1和2AN2的輸出送 入單片機2AN3。
設02A點的電位為Vo S2A點的電位為Vs
理想情況下，2AR1-2AR2， Vs-Vo-0，傳感器完全平衡。實際情況是， 經(jīng)過出廠前連續(xù)通電老化的傳感器(一般為5~7天)在投運現(xiàn)場通電5分鐘 內(nèi)趨于穩(wěn)定。由于2AR1、 2AR2的選配精度較高，對稱性和熱跟蹤性較好， 可認為此時的Vo即是傳感器的真實零位，而此時的Vs-Vo為初始失調(diào)，對 于選配良好的傳感器黑白元件，其數(shù)值很小甚或接近于零。在傳感器的工作 溫度范圍內(nèi)，零點漂移幅度(最大溫漂)是確定的，顯著大于此幅度的零漂 被認為是危險的，當累進性零漂或總零漂達到一定幅度時(嚴重偏離初始失 調(diào))，單片機就發(fā)出報警信號，提示相關人員及時處理。總之，單片機一直監(jiān) 測Vo、 Vs和Vs-Vo的變化，可隨時發(fā)現(xiàn)異常情況。
有以下幾點說明
1、為避免可能的誤報警，(根據(jù)傳感器品質(zhì)的優(yōu)劣)工程上可取最大溫漂的1.3 1.5倍作為報警閾值。
2、 對AD芯片的要求，從成本和性能方面考慮，比較適合的是低成本高 精度AD芯片，例如2 —A型或多重積分型，要求分辨率在16bit以上。
3、 為降低成本，優(yōu)先選用單片多通道AD芯片，如選用內(nèi)含多路AD的單 片機性價比更高。
4、 不少單片多路AD芯片和內(nèi)含多路AD的單片機芯片其實內(nèi)部相應電路 結(jié)構(gòu)均為多路電子開關加單路AD，只不過反映在外部特性上與多路AD芯片 十分相似。
5、 圖2B中傳感器輸出端的信號均通過同一個AD芯片采集，只是由單片 機2BN2經(jīng)地址線A0、 Al來控制電子開關SW0、 SW1的選擇。除此以外圖2A 和圖2B兩種電路結(jié)構(gòu)是等效的。
6、 構(gòu)成一個可燃性氣體檢測系統(tǒng)或變送器，通常還有顯示、報警和輸出 部分，因和本發(fā)明技術方面無直接關聯(lián)，所以附圖與論述中均未涉及。
下面列舉兩個具體的實施例，圖3A為以雙路AD芯片AD7782和單片 機AT89S51構(gòu)成的本發(fā)明的電路圖。圖3B為以內(nèi)含多路AD的單片機 SN8P1909構(gòu)成的本發(fā)明的電路圖。圖3A、圖3B中均未畫出上述芯片的常 規(guī)輔助器件。
如圖3A所示，以串行輸出2:-A型雙通道24bit AD芯片3AN1型號為 AD7782為主構(gòu)成采樣電路。芯片3AN1的二個通道的正輸入端分別接傳感器 的二個輸出端03A和S3A，其間分別接有低通濾波一鉗位電路，以增強系統(tǒng) 的抗干擾能力并保護3AN1的輸入端，3AN1 二個輸入通道的負輸入端接地(圖 中省略未畫)。所述低通濾波一鉗位電路有兩個，其一包括第一電容3AC1 一端接地一端連接第三電阻3AR3，第三電阻3AR3另一端分別連接第一二極 管3AD1正極、第五電阻3AR5和通過第三電容3AC3接地；其二包括第二電 容3AC2 —端接地一端連接第四電阻3AR4，第四電阻3AR4另一端分別連接第 二二極管3AD2正極、第六電阻3AR6和通過第四電容3AC4接地。
所述第一二極管3AD1和第二二極管3AD2的負極均通過穩(wěn)壓管3AN2接 地、通過第五電容3AC5接地和通過第七電阻3AR7接電源。穩(wěn)壓管3AN2的型 號是LT1634B2. 5。
芯片3AN1的RANGE和MODE端均接電源，即選擇內(nèi)部PGA的增益為1和 以被動方式轉(zhuǎn)換。芯片3AN1的數(shù)據(jù)輸出端Dout、時鐘端SCLK、片選端CS 和通道選擇端CH1/CH2分別接芯片3AN3型號為AT89S51的Pl. 0、 Pl. 1、 Pl. 2和PI. 3端。高精度2. 5V并聯(lián)式基準芯片LT1634B2. 5(即穩(wěn)壓管3AN2)提供芯 片3AN1所需的參考電壓和鉗位二極管(第一二極管3AD1、第二二極管3AD2) 的泄放通道。第三電阻3AR3、第四電阻3AR4用金屬膜電阻，第一電容3AC1、 第二電容3AC2用CC41高頻陶瓷電容，第三電容3AC3、第四電容3AC4、第五 電容3AC5用MKP (即國產(chǎn)CBB)材質(zhì)電容。芯片3AN3型號為AT89S51屬于典 型的51系列單片機，其片上資源不再詳述。
轉(zhuǎn)換結(jié)果為 Code=223* 〔(Ain/2.56)+1〕；
Ain為傳感器輸出端的電位量。
圖3B為以內(nèi)含多通道高分辨率AD的OTP型單片機3BN1型號為SN8P1909 為主構(gòu)成的采樣電路。單片機SN8P1909內(nèi)含可編程放大器(PGA)、數(shù)字濾波 器(DFM)、 16bitAD轉(zhuǎn)換器等，除了通常的并行口 Parallel port外，還有 串行口 Serial port和LCD驅(qū)動電路SEG0-SEG31，在同時需要采樣多路模擬 信號和驅(qū)動LCD液晶顯示器時具有很高的性價比。圖3B中僅使用了單片機 SN8P1909的二個模擬通道A1和A2，輸入端的低通濾波電路(電阻3BR3、電 容3BC1以及電阻3BR4、電容3BC2)較圖3A簡單，時間常數(shù)也較小。這是由 于SN8P1909內(nèi)含的DFM性能較好，再加上第八電阻3BR8、第九電阻3BR9、 第六電容3BC6的作用，本身抗干擾能力頗好。第八電阻3BR8、第九電阻3BR9 分別接于單片機SN8P1909的A0+和AO-端，并分別連接第六電容3BC6的兩端； 第六電容3BC6連接第八電阻3BR8端連接單片機SN8P1909的X+端；第六電 容3BC6連接第九電阻3BR9端連接單片機SN8P1909的X-端。單片機SN8P1909 內(nèi)部含有基準源，但性能不夠好，所以用穩(wěn)壓管3BN2型號為LT1634B1.2提 供一個穩(wěn)定的1. 25V外部基準，從而保證AD轉(zhuǎn)換的精度。內(nèi)部PGA的增益由 軟件設定為l，通道選擇也由軟件進行，CHS為OOO、 OOl即選中了兩個通道 Al、 A2的差分輸入方式(實際是負輸入端接內(nèi)部VACM，內(nèi)部是差分，反映到 外特性上等效于單端)。二極管3BD1、 3BD2的作用與圖3A相應器件中相同， 電阻3BR3、 3BR4、 3BR8、 3BR9同樣用金屬膜電阻，電容3BC1、 3BC2、 3BC3、 3BC4、 3BC5、 3BC8用MKP材質(zhì)的電容。此方案的缺點是SN8P1909的指令系 統(tǒng)與常見的51系列不兼容。
轉(zhuǎn)換結(jié)果為 Code=±31250* (Ain/1. 25);
Ain=Vo-Vacm或Vs-VACM， Ain〉V^時為+ ，反之為-。
在圖3B中，由于Al-、A2-、VR-均和ACM相連，而ACM與芯片內(nèi)部的1. 2V 相接，所以A1-、 A2-、 VR-和ACM的電位均為1. 2V，其對應值為30000，真實電位對應值為
30000±31250*(Ain/1.25)。
權利要求
1、一種用于催化燃燒型可燃氣體傳感器信號采集的電路結(jié)構(gòu)，其特征是包括兩個獨立的單端信號采集電路；所述兩個獨立的單端信號采集電路為二路A/D轉(zhuǎn)換器(2AN1、2AN2)，或為二個電子開關(SW0、SW1)和一路A/D轉(zhuǎn)換器(2BN1)；所述二路A/D轉(zhuǎn)換器(2AN1、2AN2)的數(shù)字接口與第一單片機(2AN3)連接，模擬接口分別連接可燃氣體傳感器的兩個輸出端；所述二個電子開關(SW0、SW1)和一路A/D轉(zhuǎn)換器(2BN1)為第二單片機(2BN2)內(nèi)部包含的，或為獨立的單路或多路A/D集成電路芯片，所述第二單片機(2BN2)經(jīng)地址線控制二個電子開關(SW0、SW1)的選擇；所述二個電子開關(SW0、SW1)一端分別連接可燃氣體傳感器的兩個輸出端，另一端連接所述一路A/D轉(zhuǎn)換器(2BN1)。
2、 如權利要求1所述的一種用于催化燃燒型可燃氣體傳感器信號采集的 電路結(jié)構(gòu)，其特征是，所述兩個獨立的單端信號采集電路分別通過濾波電路 連接可燃氣體傳感器的兩個輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于催化燃燒型可燃氣體傳感器信號采集的電路結(jié)構(gòu)，其包括兩個獨立的單端信號采集電路；所述兩個獨立的單端信號采集電路為二路A/D轉(zhuǎn)換器，或為二個電子開關和一路A/D轉(zhuǎn)換器；所述二路A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口與第一單片機連接，模擬接口分別連接可燃氣體傳感器的兩個輸出端；所述二個電子開關和一路A/D轉(zhuǎn)換器為第二單片機內(nèi)部包含的，或為獨立的單路或多路A/D集成電路芯片，所述第二單片機經(jīng)地址線控制二個電子開關的選擇；所述二個電子開關一端分別連接可燃氣體傳感器的兩個輸出端，另一端連接所述一路A/D轉(zhuǎn)換器。其優(yōu)點是能及時判定傳感器真實零漂幅度及其性質(zhì)以便進行相應處理；實現(xiàn)完全的數(shù)字自動調(diào)零。
文檔編號G01N27/14GK101629928SQ20091018181
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權日2009年7月29日
發(fā)明者李曉村 申請人:李曉村