基于微流熱導(dǎo)的氣體分析儀設(shè)計與研究

陳明奇,程明霄,劉 虎,陸春宇，劉宏飛

(1.南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,江蘇南京 211816;2.南京分析儀器廠有限公司,江蘇南京 210039)

0 引言

設(shè)計的氣體分析儀以熱導(dǎo)傳感器為基礎(chǔ)，檢測樣品氣體的組分含量。圖1為儀器的組成示意框圖。樣品氣體經(jīng)過預(yù)處理后送入微流傳感器中，傳感器變化的電壓信號經(jīng)調(diào)理電路送入單片機轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行數(shù)據(jù)處理，同時單片機控制傳感器的外部溫控電路，以確保傳感器測量時溫度恒定。最終將處理好的數(shù)據(jù)通過界面進行顯示，儀器配有鍵盤，實現(xiàn)人機對話，改變操作參數(shù)，適應(yīng)用戶對不同組分和不同組分含量的分析檢測要求。分析儀具有靈敏度高，響應(yīng)快，精度高，長期穩(wěn)定的特性。由于分析儀體積小，便于攜帶，適于現(xiàn)場取樣和工業(yè)在線檢測。

圖1 分析儀器流程圖

1 樣品流路的設(shè)計

用于工業(yè)裝置中的流程氣體受運行環(huán)境影響，往往含有顆粒，水份等雜質(zhì)。必須經(jīng)過預(yù)處理后才能送入微流傳感器。所設(shè)計預(yù)處理模塊的主要包括如下功能：

(1)粗脫水處理。在使用過程中，檢測氣體中若含有水分，會腐蝕微流傳感器的管道，影響使用壽命，存在安全隱患，故使用干燥劑進行氣體脫水處理。

(2)除雜質(zhì)處理。待測氣體中通?；煊猩倭康碾s質(zhì)氣體，由于熱導(dǎo)分析儀以熱導(dǎo)系數(shù)為基準(zhǔn)點，混入雜質(zhì)氣體的熱導(dǎo)系數(shù)與檢測氣體的不同，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，故采用脫氧劑、脫氯劑等配以催化劑，進行雜質(zhì)氣體的處理。

(3)細(xì)脫水和細(xì)除雜處理。再次使用脫水和除雜方法，確保待測氣體中不含有雜質(zhì)氣體和水分。

(4)樣品流量的恒定與調(diào)節(jié)。在工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)送入在線分析儀的待測氣體流量不恒定時，往往影響傳感器的正常檢測。因此在儀器上設(shè)計了樣品氣體的流量調(diào)節(jié)和穩(wěn)定環(huán)節(jié)。同時在檢測回路設(shè)計上采取措施，以減小分析流量微小變化對于檢測精度的影響。

2 檢測原理與傳感器選擇

2.1 檢測原理

由多種氣體組成的混合氣體，且彼此無化學(xué)反應(yīng)，其熱導(dǎo)系數(shù)約為各個組分熱導(dǎo)系數(shù)的算術(shù)平均值，即

λ=λ1C1+λ2C2+…+λnCn

式中：λ為混合氣體的熱導(dǎo)系數(shù)；λi為各組分的熱導(dǎo)系數(shù)，Ci為各組分的體積含量。

當(dāng)混合氣體中的某一種氣體的含量發(fā)生變化時，混合氣體的熱導(dǎo)系數(shù)必然變化。當(dāng)待測氣體為單一組分氣體，且背景氣體為氮氣時，其熱導(dǎo)系數(shù)分別為λ1，λ2，氣體分?jǐn)?shù)為C1,C2，由上式得，該待測氣體的熱導(dǎo)系數(shù)為：

λ=λ1C1+λ2C2

由于C1+C2=1,得待測氣體的體積含量C1為：

C1=(λ-λ2)/(λ1-λ2)

因此，通過檢測氣體的熱導(dǎo)系數(shù)，即可計算出氣體的組分含量[1-2]。

2.2 傳感器選擇

該分析儀選用的傳感器為TCS208F，是一款新型微流傳感器。如圖2所示，傳感器上的4個電阻Rm1，Rm2，Rt1和Rt2分別連接到TO8底座的8個引腳上。由電熱隔離材料做成的薄膜中包含了2個帶狀電阻(Rm1,Rm2)，用于對薄膜加熱，使薄膜溫度不受氣體熱導(dǎo)系數(shù)影響。熱敏電阻(Rt1，Rt2)用于測量和補償因環(huán)境溫度的變化而對傳感器產(chǎn)生的影響，為避免氣體腐蝕，電阻和接線都進行鈍化處理[3]。整個薄膜覆蓋于上層方形槽中，待測氣體通過氣室2上方薄膜的開口以擴散方式進入氣室1中，與傳感器充分接觸。傳感器將檢測信號輸出[4-5]。圖3為傳感器橫截面示意圖。

圖2 TCS208F管腳分配

圖3 TCS208F橫截面

3 熱導(dǎo)傳感器及信號調(diào)理

3.1 熱導(dǎo)傳感器模塊設(shè)計

如圖4所示，該傳感器模塊為4 cm3的不銹鋼剛體結(jié)構(gòu)，不銹鋼具有防腐蝕功能，保證傳感器在相對惡劣的環(huán)境中使用，整個剛體能維持傳感器模塊內(nèi)部溫度恒定，便于溫度控制。通氣細(xì)管通過法蘭和密封圈與剛體連接，使模塊具有良好的氣密性。剛體兩側(cè)各安裝一個固定支架接口，固定在分析儀內(nèi)部，防止模塊抖動。加熱芯片緊貼剛體表面，溫度傳感器測量剛體表面溫度，并實時將溫度值傳送至單片機處理，單片機采用PID算法，通過PWM調(diào)節(jié)實現(xiàn)對加熱芯片控制，進一步控制模塊溫度。微流傳感器嵌入剛體上方，通過密封圈和螺絲固定，確保模塊密閉性。正常工作狀態(tài)下，氣體流入氣室，少量氣體進入反應(yīng)氣室，由于氣體熱導(dǎo)系數(shù)不同，與傳感器接觸時帶走的熱量不同，從而使溫度補償電阻改變，輸出的信號發(fā)生變化。

圖4 熱導(dǎo)傳感器剖面示意

3.2 信號采集電路

傳統(tǒng)熱導(dǎo)傳感器測量值隨溫度波動較大，該傳感器根據(jù)通入氣體濃度含量的不同改變工作電流，使溫度保持恒定。薄膜加熱電阻Rm1，Rm2串聯(lián)接入兩個放大器AD8622之間，選擇一個熱敏電阻Rt1作為第一級放大電路的負(fù)反饋，兩個放大器形成一個正反饋回路。電壓增益由Rm1+Rm2和Rt1上電流和電壓的非線性以及傳感器溫度和氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)共同決定。第一級放大電路后的二極管IN4148決定了輸出電壓的極性[6-7]。采樣電路見圖5。

圖5 采樣電路

3.3 信號放大電路

熱導(dǎo)分析儀以氣體熱導(dǎo)系數(shù)不同為基礎(chǔ)，從而檢測氣體的組分含量。氮氣作為背景氣體，根據(jù)熱導(dǎo)系數(shù)差值大小分兩種情況：當(dāng)待測氣體的熱導(dǎo)系數(shù)與背景氣體的差值較大時，如氫氣，檢測值與參考電壓構(gòu)成加法電路輸出的值較大，根據(jù)單片機的輸入電壓范圍，選擇較小的放大倍數(shù)；當(dāng)待測氣體的熱導(dǎo)系數(shù)與背景氣體的接近時，如一氧化碳、二氧化碳、氧氣等，構(gòu)成的加法電路輸出值較小，需適當(dāng)增大放大倍數(shù)。根據(jù)熱導(dǎo)系數(shù)大小分為2種情況：當(dāng)待測氣體的熱導(dǎo)系數(shù)大于背景氣體時，加法電路輸出為正電壓，下一級采用電壓跟隨電路；當(dāng)待測氣體的熱導(dǎo)系數(shù)小于背景氣體時，加法電路輸出為負(fù)電壓，下一級采用電壓反向電路。考慮到上述情況，采用如圖6所示的電路，使用單片機控制繼電器，根據(jù)不同的檢測氣體，通過儀表鍵盤設(shè)定相應(yīng)的放大倍數(shù)和電壓跟隨方式，使輸出的電壓值在額定范圍內(nèi)。

圖6 放大電路示意圖

3.4 溫控電路

為使傳感器工作在額定溫度，需要對傳感器進行加熱和溫度控制。溫控電路見圖7。加熱芯片通過固態(tài)繼電器與24 V電源相連，緊貼在傳感器模塊上的溫度傳感器Tsic306將溫度數(shù)據(jù)實時傳送至單片機，單片機控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時間來改變加熱芯片的功率，從而達到調(diào)節(jié)溫度的目的。該溫控電路穩(wěn)定性能較好，與額定溫度的差值小于0.1℃．

圖7 溫控電路示意圖

3.5 嵌入式單片機系統(tǒng)

采用80C196系列單片機，傳感器將變化的信號經(jīng)放大電路處理后通過A/D轉(zhuǎn)換送至單片機，單片機將信號進行存儲，并通過RS485方式進行遠(yuǎn)程傳輸，使分析儀實現(xiàn)在線測量和遠(yuǎn)程通信。溫度傳感器將檢測數(shù)據(jù)送至單片機，使其對加熱模塊進行控制。時鐘信號記錄采樣值的采樣時間，方便對數(shù)據(jù)分析和設(shè)備維護。建立良好的人機界面，可進行溫控設(shè)定、氣體量程設(shè)置、實時數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢等操作。軟件中設(shè)置了加密的傳輸協(xié)議，防止信息泄露。

圖8 單片機系統(tǒng)示意圖

4 儀器調(diào)試與實驗分析

4.1 溫度對分析儀的影響

溫度的改變會引起氣體熱導(dǎo)系數(shù)的改變，而熱導(dǎo)系數(shù)的變化直接決定了分析儀測量值，且連續(xù)的溫度變化會造成測量精確度的下降。因此，保持分析儀溫度恒定是檢測的基礎(chǔ)。通過實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，溫度控制對分析儀影響較大。未進行溫度控制時，測量同種單組分氣體，測量結(jié)果變化范圍較大，無法進行數(shù)據(jù)精確測量；當(dāng)進行溫度控制且測量同種單組分氣體時，測量的結(jié)果變化范圍小，得到測量值較為準(zhǔn)確，測量精度明顯提高。氣體熱導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系式為：

λt=λ0(1+βt)

式中：λt為t℃時的熱導(dǎo)系數(shù)；β為熱導(dǎo)系數(shù)的溫度系數(shù);λ0為0 ℃時的溫度系數(shù)[8]。

不同溫控條件下，有不同的溫度系數(shù)，溫度較高時，實驗得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確，分析儀測量氣體的精度更高。從安全性能考慮，檢測溫度不宜過高，故選擇在50 ℃左右。

4.2 樣氣流量對分析儀的影響

工業(yè)生產(chǎn)過程中，氣體在線測量無法保證氣體的流量恒定，而波動的流量會對在線分析的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，實驗中，調(diào)節(jié)流量閥門，分別對恒定流量和波動流量進行實驗，通過實驗數(shù)據(jù)可得，兩種情況下所得數(shù)據(jù)基本吻合，流量的波動對實驗結(jié)果影響可忽略，該分析儀適合氣體的在線檢測。

表1 溫度對分析儀的影響 V

表2 流量對分析儀的影響 V

4.3 H2的全量程測量

H2對于工業(yè)生產(chǎn)極為重要，而對于H2的在線準(zhǔn)確檢測關(guān)乎工業(yè)生產(chǎn)的效率及安全。常規(guī)的H2分析儀可對某一量程進行檢測，該分析儀可對H2進行全量程的準(zhǔn)確檢測。測量結(jié)果如下，由于H2的熱導(dǎo)率與N2相差較大，故測量結(jié)果較為明顯，在低濃度和較高濃度測量時，測量值與H2標(biāo)準(zhǔn)樣氣含量值呈現(xiàn)非線性關(guān)系，其余情況下兩者呈現(xiàn)線性關(guān)系。在電阻阻值不同情況下進行多組實驗，得到的曲線較為相似，上述結(jié)論正確，將非線性關(guān)系在單片機中處理，實現(xiàn)H2的全量程檢測。以上結(jié)果便于廠家的批量生產(chǎn)和加工，對工業(yè)生產(chǎn)和在線檢測具有一定意義。

表3 H2的全量程測量

4.4 CO2與的測量

CO2與CO在工業(yè)中同樣應(yīng)用廣泛，該分析儀也可對上述氣體進行檢測，由于兩種氣體的熱導(dǎo)系數(shù)與N2較為接近，故所得測量結(jié)果與N2時差值不大，通過實驗得到的數(shù)據(jù)與實際相符。對于CO2的測量，該分析儀可對高濃度含量的氣體進行檢測并具有良好的準(zhǔn)確性，可進一步調(diào)整參數(shù)值，實現(xiàn)全量程測量；CO的熱導(dǎo)率與N2更為接近，兩者的測量值基本相同，該分析儀具有較高精度，可檢測出兩者的差值，可進一步對微量氣體的濃度進行檢測分析。由于其熱導(dǎo)系數(shù)大于N2且兩者差值微小，需要逐步的進行放大和調(diào)理。

表4 CO2與CO的測量

上述實驗均采用實驗室標(biāo)準(zhǔn)樣氣，對特定含量的氣體進行檢測，為得到全量程數(shù)據(jù)，需對各體積分?jǐn)?shù)的氣體進一步測量。該分析儀可對CH4，NH3等進行在線檢測。

5 結(jié)論

微流量熱導(dǎo)分析儀克服了傳統(tǒng)分析儀溫漂大、補償困難的缺點，實現(xiàn)了單組分氣體濃度的全量程在線檢測和遠(yuǎn)程控制，為多組分氣體含量的研究奠定基礎(chǔ)。該分析儀在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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