具有液氣轉換功能的傳感器恒溫實驗系統

文常保， 趙雅萍， 王瑩瑩， 牛濤濤， 茹 鋒

(長安大學 電子與控制工程學院， 陜西 西安 710064)

具有液氣轉換功能的傳感器恒溫實驗系統

文常保， 趙雅萍， 王瑩瑩， 牛濤濤， 茹 鋒

(長安大學 電子與控制工程學院， 陜西 西安 710064)

為了解決氣體傳感器實驗中待測物質從液態到氣態轉換過程中存在的損耗與污染，以及實驗中溫度不穩定問題，提出了一種具有液氣轉換功能的傳感器恒溫實驗系統的設計方案。該實驗系統由密封氣室、液氣轉換模塊、恒溫模塊及控制電路模塊組成。密封氣室及液氣轉換模塊實現了在密閉環境內待測物質從液態到氣態的轉換，恒溫模塊和控制電路模塊確保了目標溫度的相對穩定。以具有液氣轉換功能的MQ3酒精傳感器恒溫實驗系統的實現為例，對系統的設計方案進行了驗證。實驗結果表明，系統在預熱蒸發片后5 s內實現了酒精從液態到氣態的轉換；在加熱與制冷實驗中密封氣室的溫度與預設溫度的誤差絕對值小于0.5 ℃；MQ3酒精傳感器靈敏度為4.962 3 V/(mg·mL-1)，且24 h內相對變化誤差小于1%。

實驗系統； 液氣轉換； 溫度控制； 氣體傳感器

氣體傳感器是一種能夠將氣體濃度轉化成對應電信號的轉換器[1]，已被廣泛的應用于工業、農業、環保及國防等各個領域[2-3]。

在氣體傳感器的實驗和測試中，一些待測物質以氣體形式存在，可以直接進行測試；而一些則以液態存在，實驗時需要將這些物質從液態轉換成氣態，如甲醇、乙醇及四氯化碳等物質[4-6]。對于這些可由液態轉換為氣態物質的測量，現有的實驗方法多通過外圍輔助設備將其轉化為氣態再進行測量。盡管這種方法可以實現待測物質存在形態的轉換和測量，但是使用外圍輔助設備容易造成待測物質的損耗，并且在氣體轉移的過程中也易引起待測物質的污染，進一步形成測量誤差。同時，由Avogadro定律及氣體的熱物性可知，溫度會對氣體的體積、壓力、黏性、密度等參數產生直接的影響[7-8]。因此，對實驗溫度進行實時的測量和控制對于氣體傳感器的實驗和測試具有非常重要的意義[9]。

針對氣體傳感器的實驗和測試中存在的問題和不足，本文提出一種具有液氣轉換功能的傳感器恒溫實驗系統，在一個相對獨立的空間里完成液態待測物質由液體到氣體的轉換，并有效地實現了對溫度參量的控制和測量。

1 實驗系統的設計方案

具有液氣轉換功能的傳感器恒溫實驗系統主要由密封氣室、液氣轉換模塊、恒溫模塊及控制電路模塊組成，具體實驗系統組成結構見圖1。

圖1 實驗系統結構組成

實驗系統中的密封氣室為傳感器測試提供與大氣隔離的獨立環境，可用來消除和減少外界大氣環境對測試過程的干擾，并且能夠有效防止待測氣體的泄漏及對環境可能造成的污染[10]。密封氣室上的注入與抽氣孔，用于待測物質的注入和排放處理。

液氣轉換模塊，主要由置于載物臺上的蒸發片與混氣風扇組成。液態待測物質通過密封氣室上的注入孔滴加到蒸發片上，對蒸發片進行通電后可將液體迅速地轉換成相應的待測氣體。混氣風扇能夠直接作用于蒸發片蒸發的氣體，使其更快、更均勻地分布于密封氣室。

蒸發片的功率Pe與密封氣室體積V的關系式為

Pe=Le·V

(1)

式中，Le為蒸發片的功率體積比系數，工程實驗值為2 kW/m3。

混氣風扇的功率Pf與氣室幾何體積V之間的關系式為

Pf=Lf·V

(2)

式中，Lf為混氣風扇功率體積比系數，工程實驗值為3 kW/m3。

系統的恒溫模塊由TEC溫控片、溫度傳感器和散熱風扇組成。為了更好地監測和控制氣室的溫度，將恒溫模塊安裝于載物臺下，氣體傳感器安裝在載物臺上。TEC溫控片的工作及溫度傳感器的采集都由控制電路模塊中的微處理器統一進行控制。

TEC溫控片功率Pt與密封氣室體積V關系式為

Pt=Lt·V

(3)

式中，Lt為溫控片的功率體積比系數，工程實驗值為3 kW/m3。

實驗系統中的控制電路模塊以微處理器為控制核心，包括了設置鍵盤、LCD顯示屏及驅動模塊等部分。微處理器接收采集到的溫度與鍵盤的設定數據，并依據相關算法和程序處理，對驅動模塊及LCD顯示屏進行相關控制操作。

2 實驗

為了說明設計方案的有效性，以MQ3酒精傳感器恒溫實驗系統的設計和實現為例，對該具有液氣轉換功能的傳感器恒溫實驗系統設計方案的可行性進行驗證。

為了保證氣室內部溫度的穩定，以及方便從外部進行過程的觀察，選用耐高溫、耐腐蝕、絕緣性好、透光率高的有機玻璃為制作氣室的材料。用切割機割出2塊大小為200 mm×200 mm的正方形和3塊200 mm×300 mm的長方形材料，組裝成一體積為12 dm3的密封氣室。

作為液氣轉換模塊的核心部分，蒸發片在密封氣室體積確定后，由式(1)可計算出蒸發片的功率為24 W；由式(2)可知混氣風扇的功率為36 W。為了便于迅速將待測氣體混合均勻，將混氣風扇安裝于蒸發片正前方。

實驗系統中的恒溫裝置需要能夠實現加熱和制冷兩種功能，并且滿足低噪聲、綠色環保、快速轉換等要求[11]。為此選取無制冷劑、健康環保、靈敏度高、可快速實現大溫差調節的TEC半導體溫控片，作為控溫裝置。另外，由式(3)及密封氣室體積可知應選取的溫控片功率為36 W。因此，選取TEC-12703型半導體溫控片作為恒溫模塊的溫控片。為了對恒溫模塊進行良好的散熱，采用CPU散熱風扇及散熱片一起作為TEC的散熱系統。將TEC溫控片與散熱片的接觸端用導熱硅脂黏接在一起，讓TEC和散熱片接觸端更好地的接觸。

在對溫度的控制過程中，需要對密封氣室內部的溫度進行實時的監測，由于恒溫模塊所要求的溫控范圍為10～50 ℃，精度0.1 ℃。所以，選用測量范圍為-55～125 ℃，測量精度可達12位的DS18B20溫度傳感器[12]。

控制電路模塊中的微處理器選用了功能更為精簡、自帶4路PWM功能的STC12C5410單片機，可以直接實現PWM控制的軟件編程，不需要外界電路。另外，因單片機自身無法直接驅動TEC正常工作，所以需要外加驅動模塊，因此選用體積小、驅動強的L298N驅動芯片，它的輸入端可直接與單片機相連，受控方便。為了對恒溫模塊的溫度進行實時顯示，LCD顯示屏將選用低功耗、顯示內容豐富的LCD1602對數據進行實時顯示。

單片機通過I/O口由DS18B20讀取采樣值，通過LCD1602顯示預設溫度和DS18B20實時采樣溫度，由PID控制算法計算出對應控制量來控制輸出電流方向及PWM波的輸出[13-14]。輸出信號經驅動模塊L298N，實現溫控片對密封氣室內部加熱或制冷的操作。

最終制作的實驗系統實物見圖2。

圖2 實驗系統實物圖

3 實驗結果與分析

3.1 液氣轉換功能檢測

通過注入孔向所制作的實驗系統蒸發片上滴加1 mL、體積分數為90%、密度為71.04 g/mL的酒精溶液，蒸發完全后應獲得濃度為6.67 g/L的酒精氣體。在開啟蒸發片開關進行加熱到片上液體蒸發完全過程中，每隔5 s記錄氣室內部氣體濃度的變化情況一次，可得到圖3中所示的無預熱曲線。

另外，為了對比有無加熱對蒸發時間的影響，在同樣實驗條件下，讓蒸發片預熱5 s后再滴入酒精，待液體蒸發完畢關閉，可得圖3中所示的有預熱曲線。

同時，分別對無預熱和有預熱兩種情況開啟混氣風扇進行測試，記錄過程數據，分別得到圖3中所示的無預熱混氣和預熱混氣曲線，圖3中c為酒精質量濃度。

圖3 有無預熱、混氣對酒精濃度測量的影響

由圖3可看出，無預熱時密封氣室中酒精氣體濃度達到穩定狀態大約耗時30 s。若讓蒸發片預熱5 s后再進行測試，則蒸發時間縮短到大約5 s，蒸發效率提高了約6倍。且當混氣風扇工作時，促進了氣體的對流均勻，一定程度上提高了實驗的效率。

蒸發片預熱對液氣轉換效率的提高效果顯著的，混氣風扇的作用會隨著密封氣室設計體積的增大愈加明顯。

此外，由實驗數據可知，當液氣轉換過程趨于穩定時實際氣體濃度為6.68 g/L，與理論計算值的誤差在0.01 g/L內，大大減少了待測對象的損耗，并有效避免了雜質的干擾。

3.2 溫度控制功能檢測

對于系統溫度控制功能的檢測，將進行幾組不同溫度參數下的實驗來進行溫度控制的功能驗證。溫度控制功能實驗的具體程序流程見圖4。

圖4 主程序流程圖

微處理器上電復位后，由主程序初始化各個模塊變量，調用溫度傳感器來檢測當前溫度值T1、并讀取由鍵盤模塊來設定溫度T2，LCD1602顯示實時溫度T1和鍵盤設定溫度T2，接著調用PID控制模塊，計算當前溫度T1與鍵盤設定溫度T2的差值ΔT，與預設溫度閾值T0做比較。當ΔT>T0時，表明當前溫度高于設定溫度ΔT，PID模塊輸出-1，控制PWM全功率制冷；當ΔT<-T0時，說明當前溫度低于設定溫度ΔT，PID模塊輸出1，控制PWM全功率加熱；當-T0≤ΔT≤T0時，調用PID模塊，將PID模塊計算得出的數值賦給PWM模塊的輸入，輸出相對應的脈沖占空比值。不同的PWM脈沖占空值控制溫控端不同的工作方式，進而實現溫度的改變，縮小ΔT的大小，實現溫度實時跟蹤控制[15]。

實驗中，首先對加熱功能進行測試，當氣室溫度為19 ℃時，設置加熱溫度分別為26、27、28 ℃，進行3次測試，隨著時間的變化不斷檢測記錄溫度值，得到加熱過程溫度隨時間的變化情況見圖5。

圖5 加熱溫度變化曲線

然后對系統制冷功能進行測試。當氣室溫度為21.6 ℃時，設置制冷溫度為15 ℃。隨著時間的變化，不斷檢測溫度的變化值，可得制冷過程溫度隨時間的變化情況見圖6。

圖6 制冷溫度變化曲線

由加熱與制冷的曲線變化可以看出，在溫差范圍較大時，溫度隨著時間呈直線變化，溫度不斷接近設定溫度，PID控制其功率也逐漸變小，逐步趨近于目標溫度；并且當溫度趨近于設定溫度時，不會超過預設溫度，而是最終達到溫差為0℃的穩定狀態，氣室內溫度基本保持設定值不變。

針對設定溫度為25 ℃的密封氣室做10次測試，記錄實驗結果得到的溫度曲線見圖7。

圖7 25 ℃氣室穩定溫度曲線

由圖7可知，在設定溫度為25 ℃時，實際溫度測量范圍在24.8～25 ℃，其平均值為24.95 ℃，其變化幅度的標準差為0.21 ℃，平均偏差為0.06 ℃，線性擬合度為0.998 ℃。由以上數據可知，系統很好地實現了溫度的預設跟蹤，在整個溫區內實際溫度的平均偏差在0.5 ℃內，能很好地提供一個溫度穩定的實驗環境。

3.3 傳感器標定實驗

為了驗證具有液氣轉換功能的傳感器恒溫實驗系統，現以MQ3酒精氣體傳感器的標定為例進行以下實驗。首先，將待測MQ3酒精氣體傳感器置于待測臺上打開恒溫機構，蓋上密封罩，使得氣室內的溫度保持在20 ℃；然后，拔掉注入孔上的橡膠塞，采用注射器伸入注入孔將酒精液體滴在蒸發片上，塞緊橡膠塞；最后，打開混氣風扇，觀察密封罩內的酒精蒸發情況，MQ3酒精氣體傳感器的信號輸出端與外部的示波器相連，記錄電壓變化。一次實驗后，打開抽氣孔，將密封罩內的酒精氣體抽干凈，再加入不同體積的酒精液體，使得其蒸發后的氣體在氣室內的濃度不同。這樣反復進行多次實驗，最后得到不同酒精氣體濃度c與MQ3酒精氣體傳感器的電壓值U的關系見圖8。

圖8 U與c關系曲線

實驗結果明顯表明，MQ3酒精氣體傳感器的電壓與酒精氣體濃度近似成線性關系，由實驗所得數據算得MQ3酒精傳感器靈敏度為4.962 3 V/(g·L-1)，并且24h內靈敏度的動態測量誤差小于0.05 V/(g·L-1)，即靈敏度的相對變化誤差小于1%。

4 結論

本文設計的具有液氣轉換功能的傳感器恒溫實驗系統，在對蒸發片進行適當預熱及開啟混氣風扇的情況下，待測對象能夠迅速實現液體到氣體的轉換，并且大大減少了損耗與污染。最后，以MQ3酒精氣體傳感器的標定為例，驗證了整體實驗系統的優良性能。

References)

[1] Neumann P P, Ebert S, Lazik D. Inverse Calibration routine for linear soil gas sensors[J].Materials Today:Proceedings, 2016,3(4):1074-1078.

[2] Gu Cuiping, Li Shanshan, Huang Jiarui. Preferential growth of long ZnO nanowires and its application in gas sensor[J].Sensors and Actuators B, 2013,17(2):453-459.

[3] Hanns-Erik E, Hildegard D J, Wolfgang G. A Test System for Gas sensors[J]. Sensors and Actuators B, 1995,23(2):163-172.

[4] 張萍,曲艷玲,劉佳宏. 環乙烷和四氯化碳混合液拉曼譜分析的實驗研究[J].實驗室研究與探索, 2010,29(10):134-136.

[5] Shuchi H D, Koryakina I, Case A E. Biological conversion of gaseous alkenes to liquid chemicals[J].Metabolic Engineering,2016(7):98-104.

[6] 白懷勇,周格,王殿生.不同濃度乙醇-水溶液核磁共振實驗研究[J].實驗技術與管理, 2013,30(8):39-42.

[7] 李巖,張繼濤.阿伏加德羅常數測量與千克重新定義[J].科學通報,2011(10):719-724.

[8] 吳杰,俞涵如,魏琦,等.氣體PVT熱物性實驗臺測量絕對零度[J].實驗室研究與探索,2015,34(7):37-174.

[9] 袁梅,張利軍,董韶鵬. 基于半導體制冷器件的溫度控制實驗平臺開發[J]. 實驗技術與管理,2010,27(12):73-76,86.

[10] 李麗,黃維秋,紀妍妍,等.氣體擴散系數測試裝置研制及應用[J].實驗技術與管理,2011,28(7):77-80.

[11] Zhang Hui, Wang Jun. System design and simulation of constant temperature box using semiconductor refrigeration device[J]. Journal of Computer Applications in Technology, 2010(1):146-152.

[12] 李田,徐金榮,楊玲.飽和蒸氣壓實驗中的壓力-溫度測量儀設計和開發[J]. 實驗技術與管理,2016,33(1):79-81.

[13] 李香宇,王世功,王萌. 基于PID算法和PWM控制的溫控系統設計[J].儀表技術,2016(5):31-33.

[14] 樊恩東,陳湘萍. 基于PID算法的溫度實時控制[J]. 電子世界,2016(19):113-114.

[15] Aekarin Sungthong, Wudhichai Assawinchaichote. Particle Swam Optimization Based Optimal PID Parameters for AirHeater Temperature Control System[J]. Procedia Computer Science, 2016,86:108-111.

Experimental system of sensor constant temperature with liquid-gas conversion function

Wen Changbao, Zhao Yaping, Wang Yingying, Niu Taotao, Ru Feng

( School of Electronic and Control Engineering, Chang’an University，Xi’an 710064，China)

In order to solve the problem about the loss and pollution in the process of the conversion of the materials to be tested from liquid to gas in the experiment of the gas sensor, and the problem of instability in the experiment, an experimental system of sensor constant temperature with liquid-gas conversion function is proposed. This experimental system is composed of a sealed gas chamber, a liquid gas conversion module, a constant temperature module and a control circuit module. The conversion of the materials to be tested from the liquid to the gas in the sealed environment is realized with the sealed chamber and the liquid-gas conversion module, and the relative stability of the target temperature is ensured by the constant temperature module and the control circuit module. The design scheme for this system is verified by the experiment of the MQ3 alcohol sensor system with the function of liquid gas conversion. The experimental results prove that this system can realize the conversion of alcohol from liquid to gas within 5 seconds after preheating the evaporator. In the heating and cooling experiments, the absolute error value of the temperature and the preset temperature in the sealed chamber is less than 0.5 ℃, the sensitivity of the MQ3 alcohol sensor is 4.962 3 V/(mg·mL-1), and the relative variation error within the 24 hours is less than 1%.

experimental system; liquid-gas conversion; temperature control; gas sensor

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.019

2016-12-27 修改日期：2017-02-24

國家自然科學基金資助項目(60806043)；陜西高等教育教學改革研究項目(15BY23)；全國大學生創新創業訓練項目(201510710038，201510710035)；中央高校教育教學改革專項經費資助項目(jgy16017，jgy16096)

文常保(1976—)，男，山西運城，博士，教授，主要從事真空微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究.

E-mail：estlab@chd.edu.cn

H811; TP216

A

1002-4956(2017)06-0077-05

儀器設備研制與應用