可燃氣體傳感器老化測試系統開發

徐曉暉，靳保民

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

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可燃氣體傳感器老化測試系統開發

徐曉暉，靳保民

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

針對可燃氣體傳感器老化測試系統的需求，以工控機為核心開發傳感器老化測試系統，該系統能夠自動控制測試氣體的體積分數、標準氣體通入間隔時間，對傳感器的響應信號進行數據采集，生成每個傳感器的老化測試記錄，并打印傳感器標簽。

可燃氣體傳感器；測試系統；數據采集

近年來，由于國家對安全生產高度重視，可燃氣體傳感器銷量大增，原有的人工測試方法需要手動調整，人工定時記錄，效率低下，不能滿足市場需求，為此，考慮設計開發可燃氣體傳感器老化測試系統[1]。采用工控計算機測控系統，可以自動記錄、存儲、分析測試數據和打印標簽，能夠大幅度提高工作效率，并保證可燃氣體傳感器生產過程文件完整性和質量的可追溯性。

1 測試系統方案

1.1 總體方案

如圖1所示，系統采用工控機為核心，內部安裝繼電器控制卡，使用以太網接口與fluke NetDaq 2645型數據采集器通信，連接USB標簽打印機。繼電器控制卡控制電磁閥的開啟，數據采集器采集傳感器的輸出信號和鋼瓶出口壓力信號，標簽打印機用于打印傳感器標簽。

1.2 可燃氣體傳感器

催化燃燒式可燃氣體傳感器屬于高溫傳感器，檢測元件是在鉑絲(直徑0.025～0.050 mm)繞成的線圈上包以氧化鋁和粘合劑形成球狀，再進行燒結。元件外表面敷以催化劑層，結構見圖2[2]。對鉑絲通以恒定電流，使檢測元件保持高溫，此時若與可燃氣體接觸將在催化劑層無焰燃燒。本質是元件表面吸附的甲烷與吸附的氧離子之間反應釋放出熱量使鉑絲線圈的溫度升高，線圈的電阻值上升，從而改變橋路平衡，輸出與可燃氣體的濃度值正相關電信號。所要測試的傳感器工作電壓2.5 V，工作電流150 mA。

1.3 傳感器調理電路

傳感器調理電路分為供電電路和信號調理電路。傳感器采用恒流供電，供電電流為150 mA。如圖3所示，采用LM285為電壓基準，輸出電壓為2.5 V，溫漂為±20 ppm/℃[3]。恒流源輸出的電流值為Iout=Vs/R1//R2，調整R1可以精確使電流Iout=150 mA。

在實際應用中常采用惠斯頓電橋測量電路，如圖4所示。電橋中黑元件是檢測元件，白元件為補償元件，白元件與黑元件相比只缺少催化劑層，也就是說白元件遇到可燃氣體不能燃燒。黑元件由于無焰燃燒而電阻值上升，電橋失去平衡，與可燃氣體濃度相關的信號電壓輸出。傳感器信號調理電路中使用儀表放大器INA141放大電橋輸出的信號，儀表放大器INA141具有溫漂小(0.5 μV/℃max)、放大倍數精確(10倍時±0.05%的誤差)、偏置電流低(5 nAmax)、抗噪聲能力強(CMR=117 dB)的優點，在精確放大信號的同時引入的電路誤差可以忽略不計。為了保證測量精度，傳感器調理電路中所使用的電阻精度為0.1%，溫度漂移小于±15 ppm/℃[4]。

1.4 配氣系統

配氣系統由鋼瓶氣、電磁閥、壓力變送器、測試室、管路和傳感器測試室組成。在供氣管路上，設置壓力變送器監測氣瓶中氣體的壓力，以便及時發現鋼瓶缺氣。鋼瓶中的標準氣由國家標準物質中心配制。根據傳感器的工作特性，選擇6種不同體積濃度的標準氣用于傳感器的測試和老化。傳感器測試室如圖5所示。

設有10個傳感器測試孔，內部設計有O型密封圈，上面有壓板將傳感器壓住，安裝孔用于安裝傳感器調理電路。傳感器測試室前后有進出氣接頭，可將多個模塊串聯使用，提高測試效率。

1.5 軟件實現

軟件有4個模塊。

1)測控模塊。控制電磁閥定時將標準氣體通入傳感器，同時連續測量傳感器的輸出信號。根據傳感器的工作目標環境，選擇6種體積濃度的標準氣體，分別為0%，20%，35%，50%，75%和100%LEL。測控模塊電磁閥依次將不同濃度的標準氣加注到測試室，在不同濃度的標準氣切換時，使用0%氣體進行吹掃2 min。對于35%LEL的標準氣測量響應時間，從通入標準氣開始計時，到傳感器相應值到達標準相應值的90%時記錄時間為傳感器的響應時間。每批次傳感器每天進行一次各種濃度性能測試，每天采用20%LEL的標準氣體對傳感器進行6 h老化。

2)數據記錄模塊。將測得的傳感器性能數據、標準氣體的供氣狀況、當時的環境溫度等記入數據庫，作為出廠測試老化記錄，供其他模塊調用。

3)分析報告模塊。根據測試數據分析傳感器的靈敏度、線性誤差、測量絕對誤差、相對誤差、零點漂移以及同批次傳感器靈敏度的分散性、溫度穩定性，生成報告。

4)標簽打印。根據測試結果生成每個傳感器的出廠編號、靈敏度、老化測試記錄編號、出廠日期，打印成一個標簽，測試完成后由工作人員將其粘貼到傳感器上，保證傳感器質量的可追溯性。

軟件設計有3個界面如圖6～8所示。圖6，系統啟動后首先顯示。用戶可以選擇參數設置、開始測試、測試數據調閱、打印標簽中的任意功能。如果用戶選擇參數設置功能，系統參數設置界面如圖7所示，在此界面下用戶可以管理氣體庫，將需要使用的標準氣體加入到氣體庫中；記錄測試數據選擇項可以控制是否記錄測試數據；按下“設置老化測試流程”按鈕可以設定總時間長度、每天的傳感器通氣時間、通氣間隔的吹掃方案等，設置完畢后系統自動保存測試方案；選擇老化測試流程，可選擇已保存的老化測試方案，并提示用戶檢查現有標準氣體是否滿足方案的需要。

圖8，界面的上部顯示現在執行的測試方案，按下方案名稱可彈出方案的簡要描述。

測試數據調閱界面用戶可以根據傳感器的編號和時間調閱傳感器的老化測試數據和技術參數；標簽打印界面用戶可以根據出廠記錄和數據庫信息打印傳感器標簽，系統自動完成標簽的唯一性審核。

2 實驗驗證

本測試系統樣機采用2個傳感器測試室串聯使用，同時可以測試老化20只可燃氣體傳感器。為了驗證本測試系統的工作特性和系統的穩定性，進行120 h不間斷的測試，在測試周期內系統同時采集20個傳感器的響應信號，而且在測試周期內定期改變氣體的體積濃度值。將待測試傳感器裝入測試室后，系統即可開始自動運行，軟件控制系統每天在設定時間對傳感器進行測試。測試完成后系統自動打印傳感器標簽。工作人員在老化測試過程中可隨時調看記錄。試驗結果證明老化測試系統穩定可靠，數據準確真實。

3 結論

目前，該系統已經投入日常生產試驗中，傳感器的出廠穩定性明顯提高。基于工控機的老化測試系統能夠充分利用現有的儀器組建性價比高的自動控制系統。該系統也可根據傳感器的特性需要進行修改，構成不同功能的測試系統，用于各種傳感器的老化測試。

[1] 呂堅,王濤,蔣亞東.基于虛擬儀器的氣體傳感器自動測試系統[J].傳感器技術,2004,23(12):50-52.

[2] 劉海波,沈晶．催化燃燒式瓦斯傳感器技術研究進展[J]．智能計算機與應用，2011(3)：71-73.

Development of the Aging Test System for Combustible Gas Sensor

XU Xiao-hui, Jin BAO-min

(No. 718 Research Institute of CSIC, Handan Hebei 056027, China)

Aimed at the need of the aging test system for the traditional combustible gas sensor, a system for the gas sensors based on the industrial personal computer was developed. It can automatically control the combustible gas sensors working conditions, including the tested gas volume fraction and the interval time between the standard gas piped in. it can also collect automatically the response signals, create aging test record and print label for every gas sensor.

combustible gas sensor; test system; data acquisition

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.019

2017-01-18

國家部委基金資助項目

徐曉暉(1983—)，男，碩士生，工程師

研究方向：自動化儀表與可靠性

U665.261

A

1671-7953(2017)03-0088-03

修回日期：2017-03-20