基于熱導原理的氫氣傳感器設計

王洪濤 劉智敏 李秀茹 楊丹 徐曉龍

中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

0 引言

氫氣不僅是無污染清潔能源，也是十分重要的工業原材料，廣泛應用于電子、石油、化工、冶金、油脂、醫療、航空、輕工業等領域。但氫氣相對分子質量較小，生產、傳輸和使用過程中易發生泄漏，當空氣中氫氣含量在4%～75%時，遇火源極易發生爆炸[1]，因此，氫氣的準確測量成為了亟需解決的問題，高精度氫氣傳感器的研究也引起了人們的重視。目前檢測氫氣的有半導體[2]、催化燃燒[3]、電化學[4]、熱導[5-7]等原理的傳感器，其中，熱導傳感器是一種擴散進氣型的傳感器。由于每種氣體的導熱率不同，隨著被測氣體濃度的變化，熱導芯體上熱敏電阻對被測氣體的導熱率也不同，熱導芯體上敏感電阻溫度也隨之發生變化，最后導致熱導芯體上敏感電阻阻值變化，不會發生化學反應，更不會產生材料的改變，因此，其輸出很穩定，長期使用漂移量很小。本文基于熱導原理，結合某航天器實際應用需求，設計了一種熱導式氫氣傳感器，采用溫度參數和濕度參數對氫氣的測量進行補償，提升傳感器的測試準確性。

1 工作原理

傳感器所用的敏感元件是基于熱導原理的熱導式氫敏芯體，型號為TCS208F。敏感元件的內部結構圖見圖1、芯體腔室結構圖見圖2、電阻分布圖見圖3。

由圖1～圖3可知，氫敏元件由沉積在硅片上的4個薄膜電阻和一層具有電、熱隔離特性的薄膜材料組成。4個薄膜電阻中，有2個電阻用于氣體濃度的測量，為敏感電阻（Rm1、Rm2）；另2個電阻用于溫度等環境條件的補償，為補償電阻（Rt1、Rt2）。每個電阻都有一個比較恒定的阻值，其中，Rt1/(Rm1+Rm2)和Rt2/(Rm1+Rm2)約為1.2。氣體是通過擴散到達位于硅片腔室的敏感電阻部位的。

對于彼此之間無化學作用的多種組分混合氣體的熱導率，可近似表達為各組分熱導率的加權平均值，如式（1）：

式中，λ——混合氣體的熱導率；

λi——混合氣體第i組分的熱導率；

φi——混合氣體第i組分的體積分數。

在給定測試環境下的氣氛基本是穩定的，因而混合氣體的熱導率也相對不變。因為氫氣的熱導率明顯大于空氣、氧氣、氮氣等常規氣體，所以混合氣氛中如果含有一定量的氫氣，則會導致其熱導率明顯增大。

在其他氣體組分變化較小時，設定氫氣的熱導率為λ1，其他氣體的熱導率為λ2，則混合氣體熱導率公式為：

式中，λ1和λ2為常數，由此可以看出，混合氣體的熱導率與待測氣體組分（即氫氣氣體）的體積分數φi之間存在線性關系，因此，可采用熱導檢測原理對混合氣氛中的氫氣含量進行檢測。

氫敏元件的電橋電路如圖4所示。其中，Rm1+Rm2為氫敏元件工作電阻，Rt1+Rt2為溫度補償電阻，R3、R4為零點輸出調試電阻，R5、R6、R7為二次溫度補償調試電阻。

氫敏元件的熱擴散工作模式如圖5所示。敏感電阻是一種阻值R隨溫度T變化而變化的電阻，它是通過一定電壓加熱的。該電壓使電阻生成熱量Q，導致電阻部位的溫度高于周圍環境氣體的溫度，熱量會從電阻向周圍環境氣體擴散。當敏感電阻始終處在導熱系數為λ的環境氣體中，電阻對環境氣體的導熱率δ是固定的，電阻本身剩余的熱量Q阻也是一定的，電阻的溫度T是一定的，即電阻的阻值R是一定的。

當環境氣體的某些組分改變時，環境氣體的導熱系數λ增大（減小）時，電阻對環境氣體的導熱率δ增大（減小），電阻本身剩余的熱量Q阻減小（增大），電阻的溫度T減小（增大），即電阻的阻值R減小（增大）。通過電阻值的變化，電橋輸出發生變化，從而實現通過輸出值的變化反應環境氣氛的變化。

2 傳感器設計

2.1 管道結構設計

將傳感器氫敏芯體焊接在芯體連接板上，芯體連接板通過螺釘安裝在管道上，并采用O型圈密封結構。因鈦合金具有耐蝕性、耐熱性、高強度、耐氧化等優點，管路外部采用鈦合金材料加工而成，從而保證了傳感器結構強度和耐腐蝕性。傳感器管道結構設計圖如圖6所示。

2.2 電路設計

傳感器采用±12 V雙電源供電，且供電輸入端分別設計了由2個并聯電阻構成的過流保護電路。電路中采用5 V穩壓模塊LM117為氫敏芯體供電，提供給氫氣敏感芯體穩定的電壓信號，芯體自身設計有氫敏電阻Rm1+Rm2和溫度補償電阻Rt1+Rt2，與調理電路中電阻組成惠斯通電橋激勵氫敏芯體，并設計溫度補償電阻用于二階溫度補償。兩橋臂的輸出電壓差與氫氣濃度存在一一對應關系。由于電橋的滿量程輸出只有幾毫伏，因此，需要對該信號進行放大和調理，采用LM158及外圍電阻組成儀表放大電路對電橋輸出進行一級放大，儀表放大電路的優點是對小信號進行大倍數放大時，信號不失真。在二級放大電路中實現零點調整和差分放大功能，電路總放大倍數約800倍。

2.3 測量系統設計

設計的傳感器測量系統由壓縮空氣、質量流量計、加濕裝置、恒溫管、高低溫箱、溫濕度表等組成。測量系統如圖8所示。

3 實驗過程及分析

3.1 實驗方案

在常壓下，將3只傳感器置于高低溫箱中，工作電壓為±12 VDC，按圖8所示與測試裝置連接。在氫氣測量范圍內選取5個測試點，氫氣濃度分別為（0±0.30）%、（0.5±0.30）%、（1±0.30）%、（1.5±0.30）%、（2.0±0.30）%，載氣為氧氣。在濕度全量程范圍內選取分布比較均勻的4個濕度點，通過設置流量計1、流量計2的流量來控制濕度點的濕度。每個濕度點下均進行一次氫濃度測試。依次調整溫箱溫度為（10±1）℃、（25±1）℃和（40±1）℃，按上述方法分別測試每個溫度點、每個濕度點下的氫氣信號、溫度信號和濕度信號的輸出，擬合求氫氣濃度對電壓、溫度、濕度的公式中常數項系數a11、a12、a13、a21、a22、a23、b11、b12、b13、b21、b22、b23。濃度對電壓、溫度、濕度的公式如下[8]：

式中，C——氫氣濃度，%；

t——溫度值，℃；

h——絕對濕度計算值，g/m3；

V——氫傳感器輸出，V。

將各溫度值、各絕對濕度值、各電壓值分別代入公式（3），求取傳感器氫氣的理論濃度值CL，分別與實際標準氫氣濃度值Co進行比較，按公式（4）求取傳感器的精度λ（%FS）：

3.2 實驗結果

隨機選取一組溫度值、濕度值和電壓值測試數據帶入公式（3），得到3只傳感器的氫氣理論計算濃度，與氫氣實際標準濃度比較做差，得到3只傳感器的精度，結果如表1所示。

表1 傳感器精度實驗結果

實驗結果表明：設計的氫氣傳感器能夠實現管路內氫氣濃度的測量，引入了溫度參數和濕度參數進行氫氣濃度補償，實現了3只氫氣傳感器精度均在±2% FS的范圍內。

4 結論

本文設計了一種用于檢測氫氣濃度的傳感器，采用熱導原理設計，同時氫氣濃度計算引入了溫度參數和濕度參數補償，并采用調理電路實現了傳感器的測量。在傳感器測試中表明，3只氫氣傳感器精度均在±2% FS的范圍內，該傳感器可以用來檢測氫氣濃度。氫氣濃度計算過程中引入了溫度參數和濕度參數，提升了氫氣檢測精度，該傳感器可廣泛用于航天、動力、化工等領域。