帶溫度補(bǔ)償?shù)牡V用便攜式硫化氫測(cè)定器的研究與設(shè)計(jì)

王 璐

（天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

1 傳感器工作原理

1.1 電化學(xué)檢測(cè)原理

目前，硫化氫檢測(cè)原理主要分為催化燃燒式、電化學(xué)原理和紅外吸收光譜等方式。其中催化原理是通過催化元件表面無焰燃燒，使得元件阻值變化，產(chǎn)生與硫化氫含量成線性比例的輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化氫含量的監(jiān)測(cè)，但具有測(cè)量范圍窄、需頻繁標(biāo)校和“冒大數(shù)”等缺點(diǎn)[2]；紅外方式采用光譜吸收原理，受濕度影響較大[3]。目前普遍采用電化學(xué)原理的監(jiān)測(cè)方式。電化學(xué)監(jiān)測(cè)元件是一種微燃料電池元件，通過檢測(cè)元件輸出電流大小獲得硫化氫濃度值[4]。硫化氫探頭元件主要由感應(yīng)、參考和負(fù)三種電極組成。負(fù)電極和感應(yīng)電極之間有一層電解質(zhì)薄膜，當(dāng)硫化氫氣體擴(kuò)散進(jìn)入探頭，在元件的感應(yīng)電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)部電流，串入負(fù)載電阻即可對(duì)硫化氫氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)[5]。外部接入穩(wěn)壓電路，參考電極能夠穩(wěn)定感應(yīng)電極的電動(dòng)勢(shì)，保持各自電壓的穩(wěn)定且無電流通過，提升測(cè)定器的穩(wěn)定性。

在感應(yīng)電極上反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

負(fù)電極上反應(yīng)方程式為：

通過上面兩個(gè)反應(yīng)方程式可看出，電極并沒有直接消耗，只是對(duì)反應(yīng)起到催化的作用。自由電子數(shù)量與硫化氫濃度成正比，由電極引出后經(jīng)放大采集處理后即可獲取硫化氫濃度值。

1.2 溫度補(bǔ)償原理

在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)空氣中沒有硫化氫氣體時(shí)，電化學(xué)元件無反應(yīng)，感應(yīng)電極部分也會(huì)產(chǎn)生微弱的基線信號(hào)，可通過零點(diǎn)校準(zhǔn)將其調(diào)零。但是，當(dāng)隨溫度上升時(shí)，基線信號(hào)值會(huì)呈指數(shù)函數(shù)增加，因此，即使標(biāo)校零點(diǎn)后隨著環(huán)境溫度變化監(jiān)測(cè)濃度值也會(huì)發(fā)生漂移。硫化氫氣體在感應(yīng)電極發(fā)生反應(yīng)，能夠產(chǎn)生與氣體濃度相關(guān)的信號(hào)，由于參考電極上不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，當(dāng)外部溫度變化時(shí)，將感應(yīng)電極和參考電極的信號(hào)值相減，即可針對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)硫化氫濃度的準(zhǔn)確檢測(cè)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可采用溫度傳感元件檢測(cè)出環(huán)境溫度的變化，通過曲線擬合建立環(huán)境溫度補(bǔ)償模型，是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)挠行緩健?/p>

2 測(cè)定器方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)定器總體設(shè)計(jì)

便攜式硫化氫測(cè)定器主要由鋰電池供電電路、微處理器電路、硫化氫采集電路、人機(jī)交互電路、聲光報(bào)警電路和無線通信電路等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器采用低功耗設(shè)計(jì)，選用大容量鋰電池供電，當(dāng)電池電量低時(shí)會(huì)主動(dòng)發(fā)出聲光提示。硫化氫采集電路完成氣體濃度的獲取，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器處理后，可存儲(chǔ)至flash，也可在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示，硫化氫氣體濃度值也可通過無線方式被特定的設(shè)備采集。測(cè)定器的標(biāo)校、地址、報(bào)警值和無線通信參數(shù)等均可通過按鍵操作設(shè)置，當(dāng)硫化氫監(jiān)測(cè)值大于報(bào)警值時(shí)設(shè)備發(fā)出聲光報(bào)警。

圖1 測(cè)定器總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 硫化氫檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

硫化氫探頭選用City公司的4系列三電極檢測(cè)元件，硫化氫信號(hào)采集電路主要完成探頭驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集、放大和濾波等功能，最終輸出電壓信號(hào)送至處理器采集端，電路如圖2所示。為了避免反應(yīng)氣體和溶液蒸汽接觸，保證探頭在斷路時(shí)仍處于準(zhǔn)備狀態(tài)，電路中選取場(chǎng)效應(yīng)管短接感應(yīng)電極和參考電極，上電后兩電極自動(dòng)斷開，實(shí)現(xiàn)探頭的保護(hù)。參考電極可以穩(wěn)定感應(yīng)電極上的電動(dòng)勢(shì)，且無電流通過，可保持各自電壓的穩(wěn)定，即使負(fù)電極極化也不會(huì)對(duì)感應(yīng)電極有任何影響。由于電化學(xué)式硫化氫敏感元件輸出的是nA級(jí)電流信號(hào)，需在電流回路中串接10歐姆電阻進(jìn)行取樣，再通過反相電路放大100倍左右，通過RC低通濾波器進(jìn)行濾波，最后與基準(zhǔn)電壓一起組成一對(duì)差分輸出信號(hào)。

圖2 硫化氫采集電路圖

2.3 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

硫化氫檢測(cè)元件在工作時(shí)，元件的輸出信號(hào)會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生微弱變化，會(huì)對(duì)基線零點(diǎn)輸出產(chǎn)生影響。為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)氣體濃度，需對(duì)外界環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。溫度補(bǔ)償電路選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有精度高、體積小、電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在與處理器連接時(shí)，不需外接電源，從數(shù)據(jù)線即可獲得能量，通過單總線與微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在測(cè)定器標(biāo)校時(shí)，程序記錄標(biāo)校時(shí)溫度，在正常工作時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，通過軟件程序擬合處理，實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境溫度下的硫化氫濃度的監(jiān)測(cè)。

圖3 溫度監(jiān)測(cè)電路圖

2.4 無線通信電路設(shè)計(jì)

測(cè)定器可將存儲(chǔ)的硫化氫濃度數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸給外部設(shè)備，其中無線通信電路選用BM200N的無線自組網(wǎng)模塊，具有通信穩(wěn)定和功耗低等特點(diǎn)。無線通信接口電路如圖4所示。BM200N組網(wǎng)模塊工作在433MHz，內(nèi)嵌Wave Mesh無線自組網(wǎng)協(xié)議，采用同步校準(zhǔn)喚醒算法，保證工作和休眠的同步。無線模塊一般處于休眠模式以降低測(cè)定器功耗，可通過ACT引腳喚醒。當(dāng)SET引腳為低電平時(shí)處于配置模式，高電平時(shí)處于正常工作模式。

圖4 BM200N無線通信電路接口圖

3 性能測(cè)試

3.1 常態(tài)性能測(cè)試

在常態(tài)下，主要針對(duì)硫化氫測(cè)定器的基本誤差和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。選取5臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，按MT1084-2008行標(biāo)，通入純氮?dú)狻?0ppm、100ppm、170ppm共四種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)硫化氫氣體，記錄測(cè)定器的顯示值，重復(fù)測(cè)定4次，取其后3次的算術(shù)平均值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。傳感器的常態(tài)基本誤差比較小。

表1 常態(tài)基本誤差測(cè)試表

測(cè)試響應(yīng)時(shí)間T90主要是為了測(cè)試測(cè)定器的靈敏度。在清潔空氣中，按200ml/min流量通入170ppm的標(biāo)準(zhǔn)硫化氫氣體，并記錄測(cè)定器的顯示值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣體90%所需要的時(shí)間，測(cè)量3次，取其算術(shù)平均值，測(cè)試結(jié)果如表2所示，測(cè)定器的響應(yīng)時(shí)間較快，均不超過行標(biāo)的45s要求，完全可以滿足煤礦井下安全生產(chǎn)中硫化氫氣體的監(jiān)測(cè)需求。

表2 響應(yīng)時(shí)間T90測(cè)試表

3.2 溫度影響測(cè)試

溫度影響試驗(yàn)主要驗(yàn)證溫度對(duì)測(cè)定器的性能影響。本次試驗(yàn)在高低溫箱中進(jìn)行，依次進(jìn)行高溫和低溫測(cè)試。低溫測(cè)試，設(shè)置高低溫箱到0℃，將補(bǔ)償后的測(cè)定器放置在高低溫箱中，測(cè)定器通電恒溫保持2個(gè)小時(shí)后，通氣測(cè)量基本誤差，以后每小時(shí)測(cè)量1次基本誤差，測(cè)量3次，計(jì)算平均值作為最終測(cè)量值。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 低溫0℃性能測(cè)試表

高溫測(cè)試，設(shè)置高低溫箱溫度到40℃，將測(cè)定器放進(jìn)去通電，測(cè)試方法同高溫一樣。測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 高溫40℃性能測(cè)試表

從表3和表4的測(cè)試結(jié)果可以看出，無論是高溫還是低溫對(duì)便攜式硫化氫測(cè)定器的影響都比較小，測(cè)量值的基本誤差都在要求范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

本文給出了一種帶溫度補(bǔ)償?shù)牡V用便攜式硫化氫測(cè)定器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹了硫化氫測(cè)定器的工作原理，給出測(cè)定器的總體設(shè)計(jì)方案和部分主要模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)測(cè)定器進(jìn)行基本誤差、響應(yīng)時(shí)間和溫度影響試驗(yàn)。結(jié)果表明測(cè)定器具有精度高、誤差小、響應(yīng)快等特點(diǎn)，可更好地為煤礦安全生產(chǎn)服務(wù)。