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)
設(shè)計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,同時(shí)單片機(jī)控制傳感器的外部溫控電路,以確保傳感器測量時(shí)溫度恒定。最終將處理好的數(shù)據(jù)通過界面進(jìn)行顯示,儀器配有鍵盤,實(shí)現(xiàn)人機(jī)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
用于工業(yè)裝置中的流程氣體受運(yùn)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(jì)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(jìn)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(diǎn),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(jìn)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(shí),往往影響傳感器的正常檢測。因此在儀器上設(shè)計(jì)了樣品氣體的流量調(diào)節(jié)和穩(wěn)定環(huán)節(jié)。同時(shí)在檢測回路設(shè)計(jì)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。
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(gè)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(shí),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?dú)鈺r(shí),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(jì)算出氣體的組分含量[1-2]。
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(gè)電阻Rm1,Rm2,Rt1和Rt2分別連接到TO8底座的8個(gè)引腳上。由電熱隔離材料做成的薄膜中包含了2個(gè)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(bǔ)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(jìn)行鈍化處理[3]。整個(gè)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(kuò)散方式進(jìn)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
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(gè)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(gè)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(shí)時(shí)將溫度值傳送至單片機(jī)處理,單片機(jī)采用PID算法,通過PWM調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對加熱芯片控制,進(jìn)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(jìn)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(shí)帶走的熱量不同,從而使溫度補(bǔ)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
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(gè)放大器AD8622之間,選擇一個(gè)熱敏電阻Rt1作為第一級放大電路的負(fù)反饋,兩個(gè)放大器形成一個(gè)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
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?dú)庾鳛楸尘皻怏w,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(shí),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(jī)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(shí),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(shí),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(shí),加法電路輸出為負(fù)電壓,下一級采用電壓反向電路??紤]到上述情況,采用如圖6所示的電路,使用單片機(jī)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
為使傳感器工作在額定溫度,需要對傳感器進(jìn)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(shí)時(shí)傳送至單片機(jī),單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間來改變加熱芯片的功率,從而達(dá)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
采用80C196系列單片機(jī),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(jī),單片機(jī)將信號進(jìn)行存儲,并通過RS485方式進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸,使分析儀實(shí)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(jī),使其對加熱模塊進(jìn)行控制。時(shí)鐘信號記錄采樣值的采樣時(shí)間,方便對數(shù)據(jù)分析和設(shè)備維護(hù)。建立良好的人機(jī)界面,可進(jìn)行溫控設(shè)定、氣體量程設(shè)置、實(shí)時(shí)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(jī)系統(tǒng)示意圖
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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論,溫度控制對分析儀影響較大。未進(jìn)行溫度控制時(shí),測量同種單組分氣體,測量結(jié)果變化范圍較大,無法進(jìn)行數(shù)據(jù)精確測量;當(dāng)進(jìn)行溫度控制且測量同種單組分氣體時(shí),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(shí)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(shí)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(shí),實(shí)驗(yàn)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。
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(shí)驗(yàn)中,調(diào)節(jié)流量閥門,分別對恒定流量和波動流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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
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(jìn)行檢測,該分析儀可對H2進(jìn)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(shí),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(jìn)行多組實(shí)驗(yàn),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(jī)中處理,實(shí)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
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(jìn)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(shí)差值不大,通過實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際相符。對于CO2的測量,該分析儀可對高濃度含量的氣體進(jìn)行檢測并具有良好的準(zhǔn)確性,可進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)值,實(shí)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(jìn)一步對微量氣體的濃度進(jìn)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(jìn)行放大和調(diào)理。
表4 CO2與CO的測量
上述實(shí)驗(yàn)均采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)樣氣,對特定含量的氣體進(jìn)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(jìn)一步測量。該分析儀可對CH4,NH3等進(jìn)行在線檢測。
微流量熱導(dǎo)分析儀克服了傳統(tǒng)分析儀溫漂大、補(bǔ)償困難的缺點(diǎn),實(shí)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(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。
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