基于熱導傳感器的高精密測氮儀設計

韓 雪

(1.武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢430070;2.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲412001)

0 引 言

熱導式傳感器屬于物理性氣體傳感器，主要用于檢測混合氣體中氫氣、氮氣、氬氣以及二氧化硫等氣體的體積分數(shù)。傳統(tǒng)的熱導池檢測器存在檢測靈敏度低、零點漂移大、環(huán)境溫度補償困難等問題［1～3］。為了檢測空間場中氮氣的含量或者檢測待測物中氮元素的含量，本文設計了一種高精密測氮儀。氣體采集采用平面六通閥和定量閥，使得氣體在檢測過程中，體積的一致性很好，通過對熱導池的恒溫控溫處理和微弱信息的調(diào)整，最大限度地降低零點漂移，提高了熱導池探測器的靈敏度［4］。

1 系統(tǒng)原理與總體設計

系統(tǒng)主要由熱導池、恒流源、信號放大與調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、NCU 控制數(shù)據(jù)處理中心以及顯示電路等構(gòu)成。恒流源確保熱導池的電源穩(wěn)定;信號放大與調(diào)理電路主要解決信號的有效放大和去噪［5，6］。此外，整個熱導池置于恒溫室中，恒溫室采用智能PID 算法，將溫度穩(wěn)定在(48±0.1)℃的范圍里，最大限度地降低溫漂的影響;檢測氣室創(chuàng)新性地采用平面六通閥和定量閥，確保每次檢測的氣體體積一致性高，測量精度高［7，8］。

系統(tǒng)的整體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 系統(tǒng)的氣路設計

本設計中創(chuàng)新性地采用平面六通閥和定量閥設計氣路。將進氣、樣品檢測和廢氣排放設計在一個平面六通閥中，由定量閥確定待測氣體的體積，這樣設計的優(yōu)點如下:

1)確保每次檢測的氣體樣品體積一致，減小了由人為取氣的隨機誤差。

2)采用的平面六通閥和定量閥連接采用長管，有利于待測氣體混合均勻。

3)自動化程度提高，減少了人機交互的次數(shù)。

平面六通閥和定量閥連接氣路圖如圖2 所示。

圖2 氣路連接圖Fig 2 Gas path connection diagram

3 熱導池與檢測電路設計

熱導池中的熱敏元件選用5%的錸鎢絲，其阻值隨溫度而變化。錸鎢絲電阻率高，可在相同長度內(nèi)得到高阻值;電阻溫度系數(shù)大，強度好;耐氧化，耐腐蝕。

熱導池的池體是一個內(nèi)部加工池腔和孔道的金屬體，池體材料選用不銹鋼316L，其熱傳導性能好、熱容小且表面形成氧化膜后防腐性能也很好。本設計中的熱導池屬于擴散式熱導池，受氣流波動影響小。熱導池的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 熱導池示意圖Fig 3 Diagram of thermal conductivity cell

熱導池中共有4 根錸鎢絲，右側(cè)2 根為參考壁，密封于參考氣中(參考氣為氫氣，可防止錸鎢絲氧化，且與空氣熱導率相同)，左側(cè)2 根錸鎢絲為測量臂，進氣口與平面六通閥樣品環(huán)接口相接，當被測氣體由進氣口進入熱導池，擴散至熱絲，使熱絲的阻值發(fā)生變化，根據(jù)參考臂的比較，將測量臂的電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化后，經(jīng)過檢測電路處理后得到測量結(jié)果。

檢測電路如圖4 所示，熱導池中的4 根錸鎢絲組成惠斯通電橋，采用恒流方式供電，錸鎢絲R1，R4 為參考壁，錸鎢絲R2，R3 為測量臂，R1，R4 同處與參考氣中，阻值相同，R2，R3 同處于被測氣體中，阻值也相同，參考臂的電阻一直保持不變，而測量臂的電阻值會根據(jù)被測氣體的體積分數(shù)變化而變化，從而使得橋臂輸出信號處理電路可以處理的電壓信號。恒流源電路如圖5 所示。

圖4 檢測電路圖Fig 4 Detection circuit

圖5 恒流源電路圖Fig 5 Constant current source circuit diagram

得到的信號由ADS1253AD 轉(zhuǎn)換后經(jīng)由CPLD ATF1508AS 采集，其采集電路的原圖圖如圖6 所示。

圖6 ATF1508AS 電路圖Fig 6 ATF1508AS circuit

4 恒溫控制電路設計

溫度對熱導池的影響非常重要，可以說是最重要的影響因素，因此，設計高精度的恒溫系統(tǒng)至關重要。本系統(tǒng)中采用電流型溫度傳感器AD590 設計了一個溫度采集電路，通過ADS1110 將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出送給單片機處理，其硬件電路原理圖如圖7 所示。

單片機采用P89V51DDR2，通過軟件設計，對溫度進行模糊控制，在熱導池的腔體中，設計有加熱片和風扇，風路采用迂回形式，使得整個系統(tǒng)中的溫度更加均勻。根據(jù)整個系統(tǒng)的設計需要，將溫度控制在(48±0.1)℃的范圍里，最大限度地降低溫度漂移的影響，通過上位機軟件檢測溫度的變化并顯示。

圖7 溫度采集與A/D 轉(zhuǎn)換模塊Fig 7 Temperature acquisition and A/D conversion module

5 微弱信號處理電路設計

在微弱信號處理過程中，首先設計采用精密整流，精密整流相比普通的二極管電路或者橋式整流電路而言，不會因為二極管的導通電壓而造成的信號失真［9，10］。設二極管的導通電壓為0.7 V，集成運放的開環(huán)差模放大倍數(shù)為50×105倍，那么為使二極管導通，集成運放的凈輸入電壓為

由此可以看出，只要輸入電壓使集成運放的凈輸入電壓產(chǎn)生非常微小的變化，就可以改變二極管的工作狀態(tài)，從而到達精密整流的目的。其電路如圖8 所示。

圖8 精密整流電路圖Fig 8 Precision rectifier circuit diagram

在測試過程中，數(shù)據(jù)可能會呈現(xiàn)出來有規(guī)則的噪聲信號，信號可能通過整流前的高頻引入，因此，考慮在整流前加上一級低通濾波，中心頻率可以設置在小于100 Hz。其電路圖如圖9 所示。

圖9 低通濾波電路原理圖Fig 9 Principle diagram of low-pass filtering circuit

6 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括上位機軟件和下位機軟件。下位機主要包括系統(tǒng)初始化、讀取系統(tǒng)配置、檢測傳感器信號、A/D 轉(zhuǎn)換、AD 值與體積分數(shù)值的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出顯示等。其流程圖如圖10 所示。

7 實驗結(jié)果

通過軟硬件的設計，對儀器進行了實驗，實驗采用標準氣體驗證，載氣采用氦氣。對四種不同體積分數(shù)的標準氣體進行了測量，其測量結(jié)果如表1 所示。

表1 氣體體積分數(shù)測試結(jié)果Tab 1 Test results of gas volume fraction

由表1 可知，在測量60.10%的標準氣體時，最大的誤差為0.05%，在測量90.30%的標準氣體時的最大誤差為0.044%，在測量95.00%的標準氣體時的最大誤差為0.074%。在測量99.99%的標準氣體時的最大誤差為0.03%。

8 結(jié) 論

本文設計了一種基于熱導傳感器的高精密測氮儀，實驗結(jié)果表明:本測氮儀具有測量速度快、測量精度高、信噪比高等優(yōu)點，準確度和精密度均遠高于國家標準，具有很好的應用前景。

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