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CN117269391A - 一种气体检测电路及气体信号采集方法 - Google Patents

一种气体检测电路及气体信号采集方法 Download PDF

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CN117269391A CN202311189237.4A CN202311189237A CN117269391A CN 117269391 A CN117269391 A CN 117269391A CN 202311189237 A CN202311189237 A CN 202311189237A CN 117269391 A CN117269391 A CN 117269391A
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Abstract

本发明提出了一种气体检测电路及气体信号采集方法，包括：气体信号采集电路、平移电路、减法电路、14位AD转换电路、14位DA转换电路、FPGA电路和DSP数据处理电路；本发明用14位AD采集芯片实现106的线性动态采集范围，解决了空间站对微量气体的采集需求；同时本发明DSP数据处理电路对14位AD转换电路进行读取之前，先把事先测得的热导检测器电桥的基线漂移送给DA转换电路，由减法电路减去该漂移量再进行AD采集，实现对热导检测器基线漂移的校正，解决了色谱模块与质谱模块气路连接过程中造成色谱柱通道流阻的变化，导致色谱热导检测器基线的漂移，通过本发明的气体信号采集方法对热导检测器基线进行调整，避免了对气路的调整，减少了航天员在轨操作。

Description

一种气体检测电路及气体信号采集方法
技术领域
本发明涉及气体采集分析技术领域，具体涉及一种气体检测电路及气体信号采集方法。
背景技术
随着长期载人航天任务的深入开展，航天员在太空的驻留时间将越来越长。微量有害气体对航天员的身体健康、生命安全将不可忽视。必须对微量有害气体进行在线检测，为航天员的健康和安全保驾护航。在潜艇等其他密闭空间均有此类需求。
色谱分析是一种多组份混合物的分离、分析工具。它主要利用物质的物理性质对混合物进行分离，测定混合物的各组份。并对混合物中的各组份进行定量、定性分析。气相色谱仪是以气体作为流动相(载气)。当样品被送入进样器后由载气携带进入色谱柱。由于样品中各组份在色谱柱中的流动相(气相)和固定相(液相或固相)间分配或吸附系数的差异。在载气的冲洗下，各组份在两相间作反复多次分配，使各组份在色谱柱中得到分离，然后由接在柱后的检测器根据组份的物理化学特性，将各组份按顺序检测出来。
目前实验室及其他地面应用场景使用的色谱仪多采用FID检测器，FID检测器灵敏度高，但是工作时需要产生明火，检测后对样品发生化学反应，物理化学形式变化。对于空间站等对乘员安全要求苛刻的环境场合不适用。并且空间站任务要求在该检测器后端串接质谱，因此该检测器不能对样品的物理化学性质造成破坏，因此需要使用热导检测器。当前空间站对微量气体的采集需求如下：最低浓度检测物质为苯，其最高允许浓度(SMAC)为60ppb，要求最小分辨为20％SMAC，则应该能够检测到12ppb，由于信号比要大于3，才能算是有用信号，因此检测到4ppb。最高浓度检测物质为乙醇，其SMAC为974ppm，检测范围应该覆盖其3倍，则检测应该覆盖到3000ppm。则检测的线性动态范围为750000，检测器的线性动态范围应该能够达到106。商用仪器的热导检测器后端，接商用色谱工作站对热导检测器的输出信号进行采集处理。商用色谱工作站的采集端多采用20位以上的AD的采集器，其线性动态范围可达到106。然而对于空间站等航天器所使用的中国产的14位宇航级的AD采集器，可以达到的检测精度为14位，其动态范围为16384；无法覆盖空间站应用的整个被测范围。同时由于热导检测器在色谱模块与质谱模块气路连接过程中造成色谱柱通道流阻的变化，导致色谱热导检测器基线的漂移，进而加大目标样品时所测出的信号值偏差。同时由于热导检测器的惠耿斯电桥的电阻调定后，参比路和检测路的气路流阻变化将导致热导检测器输出的基线发生漂移。该基线的漂移将导致气体浓度检测范围对应的电压范围超出AD转换器的输入电压范围，致使高端浓度或者低端浓度不能被采集，从而压缩了气体浓度的采集范围。事实上，在热导检测器电阻调定后，还将进行色谱模块与质谱模块的气路连接，这势必会导致热导检测器参比通路和检测通路的气路流阻发生变化，然而此时已经不能进行电路调节，只能软件校正。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种气体检测电路，所述检测电路用于气相色谱仪的宽动态范围热导检测器，所述检测电路包括：气体信号采集电路、平移电路U4、减法电路U6、转换电路、FPGA电路U9和DSP数据处理电路U10；
所述气体信号采集电路包括两路并联的放大电路，且两路放大电路的放大倍数不同，用于对采集到的气体对应的信号进行放大；所述转换电路包括：14位AD转换电路U7和14位DA转换电路U8；
所述两路放大电路的输出端均与平移电路U4的输入端连接；
所述平移电路U4的输出端和所述14位DA转换电路U8的输出端分别接入所述减法电路U6的两个输入端；实现对基线漂移的校正。
所述减法电路U6的输出端通过14位AD转换电路U7和FPGA电路U9电路接入到DSP数据处理电路U10；
所述DSP数据处理电路U10还与上位机通讯连接，用于将气体浓度信号经气体检测电路采集处理得到的采集信号发送到上位机并接受上位机的指令。
优选的，所述两路放大电路包括第一放大电路U1和第二放大电路U2；所述第二放大电路U2的放大倍数为第一放大电路U1的64倍；且所述第一放大电路U1和第二放大电路U2对采集到的信号同时放大。
优选的，所述放大电路包括：仪表放大器、运算放大器或对数放大器。
优选的，所述气体信号采集电路还包括：惠耿斯电桥、两路滤波电路；所述两路滤波电路分别串联到两路放大电路的输入端后，再并联到惠耿斯电桥输出端。
优选的，所述滤波电路包括：RC型滤波电路、LC型滤波电路或∏型滤波电路。
优选的，所述两路放大电路的输出端均与平移电路U4的输入端之间还设有开关电路U3；
所述开关电路U3用于将两路放大电路信号通过平移电路U4和减法电路U6分时送入14位AD转换电路U7。
优选的，所述开关电路U3包括：模拟开关。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种利用气体检测电路进行气体信号的采集方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过两路放大电路依次将采集的气体对应的信号进行放大后经平移电路对所述信号平移后送入减法电路；减法电路减去基线漂移量，再通过AD转换电路生成数字信号；所述基线漂移量事先测得存于DSP数据处理电路内存中，经FPGA电路分配给DA转换电路转换成模拟信号，送入减法电路的输入端；
步骤2：基于DSP数据处理电路将经过两路放大电路采集的模拟信号进行组包，得到一次采集信息；
步骤3：重复上述步骤1和步骤2，直到达到预定采集次数后，发送所有组包数据；
所述气体检测电路为本发明提供的一种气体检测电路。
优选的，所述步骤1，包括：
基于第一放大电路对应的漂移量给DA转换电路；
执行上述步骤，达到预定次数后，对所有次数采集的量取平均得到第一放大电路的一次采集；
基于第二放大电路对应的漂移量给DA转换电路；
执行上述步骤，达到预定次数后，对所有次数采集的量取平均得到第二放大电路的一次采集。
优选的，所述步骤2包括：
基于DSP数据处理电路将所述第一放大电路的一次采集和所述第二放大电路的一次采集进行组包，得到一次采集信息。
优选的，所述步骤之后还包括：
基于DSP数据处理电路接收采集停止指令；
当收到采集停止指令时结束采集，否则继续执行所述步骤1和2，直到收到采集停止指令。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种上位机，所述上位机与气体检测电路连接，用于接收实现检测电路用于气相色谱仪的宽动态范围热导检测器，所述检测电路包括：气体信号采集电路、平移电路U4、减法电路U6、转换电路、FPGA电路U9和DSP数据处理电路U10。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出了一种气体检测电路及气体信号采集方法，用于气相色谱仪的宽动态范围热导检测器，包括：气体信号采集电路、平移电路U4、减法电路U6、转换电路、FPGA电路U9和DSP数据处理电路U10；其中气体信号采集电路包括放大倍数不同的两路并联放大电路，用于对采集到的气体浓度信号进行不同放大倍数的放大；转换电路包括：14位AD转换电路U7和14位DA转换电路U8；减法电路U6的输出端和14位DA转换电路U8的输出端均通过14位AD转换电路U7和FPGA电路U9电路接入到DSP数据处理电路U10；本发明用14位AD采集芯片实现106的线性动态采集范围，解决了空间站对微量气体的采集需求；同时利用DA转换电路与减法电路结合，实现对热导检测器基线漂移的校正，解决了色谱模块与质谱模块气路连接过程中造成色谱柱通道流阻的变化，导致色谱热导检测器基线的漂移，本发明利用气体信号采集方法中的控制逻辑对热导检测器基线进行调整，避免气路进行调整，减少航天员在轨操作。
附图说明
图1为本发明提供的气体检测电路结构示意图；
图2为本发明提供的气体检测电路具体结构示意图；
图3为本发明提供的利用气体检测电路进行气体信号的采集方法示意图；
图4为本发明提供的用于气相色谱仪的宽动态范围热导检测器检测电路工作流程图；
其中：U1-第一放大电路、U2-第二放大电路、U3-开关电路、U4-平移电路、U5-基准电压电路、U6-减法电路、U7-14位AD转换电路、U8-14位DA转换电路、U9-FPGA电路、U10-DSP数据处理电路、AA为图2中上下两部分的连接点。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
本发明提出一种用于气相色谱仪的宽动态范围热导检测器的气体检测电路，本发明的气体检测电路各部件的动作顺序如图1所示，包括：由两路并联的放大电路组成的气体信号采集电路、平移电路U4、基准电压电路U5、减法电路U6、转换电路、FPGA电路U9和DSP数据处理电路U10；
本实施例中的两路放大电路的放大倍数不同，用于对采集到的气体浓度信号进行不同放大倍数的放大；转换电路包括：14位AD转换电路U7和14位DA转换电路U8；
两路放大电路的输出端均与平移电路U4的输入端连接；
平移电路U4的输出端和14位DA转换电路U8的输出端分别接入减法电路U6的两个输入端；
减法电路U6的输出端通过14位AD转换电路U7和FPGA电路U9电路接入到DSP数据处理电路U10。
本实施例中的信号是指由于气体种类变化导致的气体热导系统变化引起的电桥产生的电压信号。这个信号会随着气体种类变化而变化。这里偏移量是指基线漂移量，是由气路流阻变化变化等产生的，气路确定后该漂移量也就确定了，不会随着气体的种类变化而变化。
本发明的DSP数据处理电路U10可以与上位机通讯连接，用于将采集信号发送到上位机并接受上位机的指令，上位机的指令包括但不限于开始采集指令和采集停止指令。
进一步的，本实施例中两路放大电路的输出端均与平移电路U4的输入端之间还设有开关电路U3；开关电路U3用于将两路放大电路信号通过平移电路U4和减法电路U6分时送入14位AD转换电路U7。本实施例中的开关电路U3可以是模拟开关，也可以是其他形式的开关，用于导通/关断第一放大电路对应的采集输出通道I或者第一放大电路对应的采集输出通道II。
如图2所示，本实施例提供的气体检测电路具体结构如下：
气体信号采集电路还包括：惠耿斯电桥、两路滤波电路；所述两路滤波电路分别串联到两路放大电路的输入端后，再并联到惠耿斯电桥输出端；惠耿斯电桥的输入端与气相色谱仪的热导检测器电桥输出端连接。
本实施的并联的放大电路为并行两个放大器对，放大器可以是仪表放大器，也可以是运算放大器，也可以是对数放大器等。
本实施例以仪表放大器1和仪表放大器2为例对气体信号采集电路进行介绍。
放大器对将热导检测器电桥输出信号进行放大，其中一个放大器的放大倍数为另外一个放大器放大倍数的64倍。对于浓度低的气体采用高放大倍数的放大器输出结果，对于浓度高的气体采用低放大倍数的放大器输出结果。两个放大器的数据合并解算，可以达到20位AD采集芯片的动态范围。通过DA转换电路输出耦合到减法电路U6输入，校正由于气路流阻变化导致的热导检测器基线的漂移，保证热导检测器的输出在AD转换器的采集范围内，保证热导检测器输出始终被有效采集。
本实施例的两路滤波电路用于滤除两个放大通道的串扰。滤波电路可以是RC型滤波电路，LC型滤波电路，∏型滤波电路等其他形式的滤波电路。
如图2，惠耿斯电桥由RX1，RX2，R3和R4组成，RX1和RX2为阻值和特性相同的热敏电阻，RX1置于色谱柱析出气路中，感受色谱柱气路的温度变化；RX1置于参比柱析出气路中，感受参比柱气路的温度变化。当色谱柱通道和参比通道均通载气时，电桥平衡输出为0。当色谱柱通道有微量气体通过时，电桥失衡有输出信号。输出信号分两路并联进入输入滤波电路1(如图2中为L1和L2所在电路)和输入滤波电路2(如图2中为L3和L4所在电路)，去除前端噪声和两个通路的串扰，分别进入仪表放大器1和仪表放大器2，两个仪表放大器的放大倍数不同，其中仪表放大器2的放大倍数是仪表放大器1的64倍。两个仪表放大器的输出分别进入模拟开关U3的输入端，经切换后接入平移电路U4、平移电路U4对热导检测器信号平移0.5V。保证热导检测器的输出信号在-0.5V～4.5V的范围内均可被有效采集。平移电路输出送入减法电路U6，减去DA转换电路U8输出信号后送14位AD转换电路U7，DSP数据处理电路U10通过FPGAU9电路控制DA转换电路U8的输出信号，读取14位AD转换电路U7的输出得到采集信号。
本实施中模拟开关U3输出的信号通过平移电路分时送入后端AD采集。此处分时并行送入后端AD采集，也可以是同时并行送入后端AD采集。
1本发明使用仪表放大器1和仪表放大器2并联对惠耿斯电桥的输出进行采集，且两个仪表放大器的放大倍数不同，其中仪表放大器2的放大倍数是仪表放大器1的64倍。结合后端处理软件本发明实施例2所提供的方法实现对AD采集电路动态线性范围的扩展，动态线性范围可以扩展到220，用14位AD实现了20位AD的动态线性范围，解决了高端AD采集芯片无法获得的卡脖子问题。
2在DSP数据处理电路12对14位AD转换电路U7进行读取之前，首先把事先测得的热导检测器电桥的基线漂移送给DA转换电路U8，由减法电路U6减去该漂移量再进行AD采集，实现对热导检测器基线漂移的校正，解决了色谱模块与质谱模块气路连接过程中造成色谱柱通道流阻的变化，导致色谱热导检测器基线的漂移，以便于通过软件对热导检测器基线进行调整，避免进行气路及电路调整等在轨无法于实现的操作，减少航天员在轨操作。
实施例2：
基于同一种发明构思，本发明还提供一种利用气体检测电路进行气体信号的采集方法，其中气体检测电路如上述实施例所述，本实施例中气体信号的采集方法如图3所示，包括：
步骤1：通过两路放大电路依次将采集的气体浓度信号进行不同放大倍数的放大后经平移电路对所述信号平移后送入减法电路；减法电路减去基线漂移量，再通过AD转换电路生成数字信号；所述基线漂移量事先测得存于DSP数据处理电路内存中，经FPGA电路分配给DA转换电路转换成模拟信号，送入减法电路的输入端；
步骤2：基于DSP数据处理电路将经过两路放大电路采集的模拟信号进行组包，得到一次采集信息；
步骤3：重复上述步骤1和步骤2，直到达到预定采集次数后，发送所有组包数据；
进一步的，下面结合图4的工作流程图中各部件的动作顺序及控制逻辑对本实施例的气体信号的采集方法进行具体介绍。
步骤1具体包括：
基于第一放大电路所在的输出通道I对应的漂移量给DA转换电路；
执行上述步骤，达到预定次数后，对所有次数采集的量取平均得到通道I的一次采集；
基于第二放大电路所在的输出通道II对应的漂移量给DA转换电路；
执行上述步骤，达到预定次数后，对所有次数采集的量取平均得到通道II的一次采集。
这里的输出通道I和输出通道II由开关电路控制是否导通。
步骤2具体包括：
基于DSP数据处理电路将通道I的一次采集和通道II的一次采集进行组包，得到一次采集信息。
执行完步骤3之后，还包括如下执行步骤：
基于DSP数据处理电路接收采集停止指令；
当收到采集停止指令时结束采集，否则继续执行所述步骤1和2，直到收到采集停止指令
可见在本实施例中DSP数据处理电路U10对14位AD转换电路U7进行读取之前，首先把事先测得的热导检测器电桥的基线漂移送给DA转换器U8，由减法电路U6减去该漂移量再进行AD采集，实现对热导检测器基线漂移的校正。
实施例3：
进一步的本发明还提供一种上位机，所述上位机与气体检测电路连接，用于接收实现检测电路用于气相色谱仪的宽动态范围热导检测器，所述检测电路包括：气体信号采集电路、平移电路U4、减法电路U6、转换电路、FPGA电路U9和DSP数据处理电路U10。
该上位机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中一种利用气体检测电路进行气体信号的采集方法的步骤。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种气体检测电路，其特征在于，所述检测电路用于气相色谱仪的宽动态范围热导检测器，所述检测电路包括：气体信号采集电路、平移电路(U4)、减法电路(U6)、转换电路、FPGA电路(U9)和DSP数据处理电路(U10)；
所述气体信号采集电路包括两路并联的放大电路，且两路放大电路的放大倍数不同，用于对采集到的气体浓度信号进行不同放大倍数的放大；所述转换电路包括：14位AD转换电路(U7)和14位DA转换电路(U8)；
所述两路放大电路的输出端均与平移电路(U4)的输入端连接；
所述平移电路(U4)的输出端和所述14位DA转换电路(U8)的输出端分别接入所述减法电路(U6)的两个输入端，实现对基线漂移的校正；
所述减法电路(U6)的输出端通过14位AD转换电路(U7)和FPGA电路(U9)电路接入到DSP数据处理电路(U10)；
所述DSP数据处理电路(U10)还与上位机通讯连接，用于将气体浓度信号经气体检测电路采集处理得到的采集信号发送到上位机并接受上位机的指令。
2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述两路放大电路包括第一放大电路(U1)和第二放大电路(U2)；所述第二放大电路(U2)的放大倍数为第一放大电路(U1)的64倍；且所述第一放大电路(U1)和第二放大电路(U2)对采集到的信号同时放大。
3.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述放大电路包括：仪表放大器、运算放大器或对数放大器。
4.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述气体信号采集电路还包括：惠耿斯电桥、两路滤波电路；所述两路滤波电路分别串联到两路放大电路的输入端后，再并联到惠耿斯电桥输出端。
5.根据权利要求4所述的检测电路，其特征在于，所述滤波电路包括：RC型滤波电路、LC型滤波电路或∏型滤波电路。
6.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述两路放大电路的输出端均与平移电路(U4)的输入端之间还设有开关电路(U3)；
所述开关电路(U3)用于将两路放大电路信号通过平移电路(U4)和减法电路(U6)分时送入14位AD转换电路(U7)。
7.根据权利要求6所述的检测电路，其特征在于，所述开关电路(U3)包括：模拟开关。
8.一种利用气体检测电路进行气体信号的采集方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过两路放大电路依次将采集的气体浓度信号进行不同放大倍数的放大后经平移电路对所述信号平移后送入减法电路；减法电路减去基线漂移量，再通过AD转换电路生成数字信号；所述基线漂移量事先测得存于DSP数据处理电路内存中，经FPGA电路分配给DA转换电路转换成模拟信号，送入减法电路的输入端；
步骤2：基于DSP数据处理电路将经过两路放大电路采集的模拟信号进行组包，得到一次采集信息；
步骤3：重复上述步骤1和步骤2，直到达到预定采集次数后，发送所有组包数据；
所述气体检测电路为权利要求1-7任意一项所述一种气体检测电路。
9.如权利要求8所述的采集方法，其特征在于，所述步骤1，包括：
基于第一放大电路对应的漂移量给DA转换电路；
执行上述步骤，达到预定次数后，对所有次数采集的量取平均得到第一放大电路的一次采集；
基于第二放大电路对应的漂移量给DA转换电路；
执行上述步骤，达到预定次数后，对所有次数采集的量取平均得到第二放大电路的一次采集。
10.如权利要求9所述的采集方法，其特征在于，所述步骤2包括：
基于DSP数据处理电路将所述第一放大电路的一次采集和所述第二放大电路的一次采集进行组包，得到一次采集信息。
11.如权利要求9所述的采集方法，其特征在于，所述步骤之后还包括：
基于DSP数据处理电路接收采集停止指令；
当收到采集停止指令时结束采集，否则继续执行所述步骤1和2，直到收到采集停止指令。
12.一种上位机，其特征在于，所述上位机与气体检测电路连接，用于接收实现检测电路用于气相色谱仪的宽动态范围热导检测器，所述检测电路包括：气体信号采集电路、平移电路(U4)、减法电路(U6)、转换电路、FPGA电路(U9)和DSP数据处理电路(U10)。
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