基于熱導(dǎo)傳感器的高精密測(cè)氮儀設(shè)計(jì)

韓 雪

(1.武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430070;2.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲412001)

0 引 言

熱導(dǎo)式傳感器屬于物理性氣體傳感器，主要用于檢測(cè)混合氣體中氫氣、氮?dú)?、氬氣以及二氧化硫等氣體的體積分?jǐn)?shù)。傳統(tǒng)的熱導(dǎo)池檢測(cè)器存在檢測(cè)靈敏度低、零點(diǎn)漂移大、環(huán)境溫度補(bǔ)償困難等問(wèn)題［1～3］。為了檢測(cè)空間場(chǎng)中氮?dú)獾暮炕蛘邫z測(cè)待測(cè)物中氮元素的含量，本文設(shè)計(jì)了一種高精密測(cè)氮儀。氣體采集采用平面六通閥和定量閥，使得氣體在檢測(cè)過(guò)程中，體積的一致性很好，通過(guò)對(duì)熱導(dǎo)池的恒溫控溫處理和微弱信息的調(diào)整，最大限度地降低零點(diǎn)漂移，提高了熱導(dǎo)池探測(cè)器的靈敏度［4］。

1 系統(tǒng)原理與總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由熱導(dǎo)池、恒流源、信號(hào)放大與調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、NCU 控制數(shù)據(jù)處理中心以及顯示電路等構(gòu)成。恒流源確保熱導(dǎo)池的電源穩(wěn)定;信號(hào)放大與調(diào)理電路主要解決信號(hào)的有效放大和去噪［5，6］。此外，整個(gè)熱導(dǎo)池置于恒溫室中，恒溫室采用智能PID 算法，將溫度穩(wěn)定在(48±0.1)℃的范圍里，最大限度地降低溫漂的影響;檢測(cè)氣室創(chuàng)新性地采用平面六通閥和定量閥，確保每次檢測(cè)的氣體體積一致性高，測(cè)量精度高［7，8］。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 系統(tǒng)的氣路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性地采用平面六通閥和定量閥設(shè)計(jì)氣路。將進(jìn)氣、樣品檢測(cè)和廢氣排放設(shè)計(jì)在一個(gè)平面六通閥中，由定量閥確定待測(cè)氣體的體積，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)如下:

1)確保每次檢測(cè)的氣體樣品體積一致，減小了由人為取氣的隨機(jī)誤差。

2)采用的平面六通閥和定量閥連接采用長(zhǎng)管，有利于待測(cè)氣體混合均勻。

3)自動(dòng)化程度提高，減少了人機(jī)交互的次數(shù)。

平面六通閥和定量閥連接氣路圖如圖2 所示。

圖2 氣路連接圖Fig 2 Gas path connection diagram

3 熱導(dǎo)池與檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

熱導(dǎo)池中的熱敏元件選用5%的錸鎢絲，其阻值隨溫度而變化。錸鎢絲電阻率高，可在相同長(zhǎng)度內(nèi)得到高阻值;電阻溫度系數(shù)大，強(qiáng)度好;耐氧化，耐腐蝕。

熱導(dǎo)池的池體是一個(gè)內(nèi)部加工池腔和孔道的金屬體，池體材料選用不銹鋼316L，其熱傳導(dǎo)性能好、熱容小且表面形成氧化膜后防腐性能也很好。本設(shè)計(jì)中的熱導(dǎo)池屬于擴(kuò)散式熱導(dǎo)池，受氣流波動(dòng)影響小。熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 熱導(dǎo)池示意圖Fig 3 Diagram of thermal conductivity cell

熱導(dǎo)池中共有4 根錸鎢絲，右側(cè)2 根為參考壁，密封于參考?xì)庵?參考?xì)鉃闅錃?，可防止錸鎢絲氧化，且與空氣熱導(dǎo)率相同)，左側(cè)2 根錸鎢絲為測(cè)量臂，進(jìn)氣口與平面六通閥樣品環(huán)接口相接，當(dāng)被測(cè)氣體由進(jìn)氣口進(jìn)入熱導(dǎo)池，擴(kuò)散至熱絲，使熱絲的阻值發(fā)生變化，根據(jù)參考臂的比較，將測(cè)量臂的電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化后，經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路處理后得到測(cè)量結(jié)果。

檢測(cè)電路如圖4 所示，熱導(dǎo)池中的4 根錸鎢絲組成惠斯通電橋，采用恒流方式供電，錸鎢絲R1，R4 為參考壁，錸鎢絲R2，R3 為測(cè)量臂，R1，R4 同處與參考?xì)庵?，阻值相同，R2，R3 同處于被測(cè)氣體中，阻值也相同，參考臂的電阻一直保持不變，而測(cè)量臂的電阻值會(huì)根據(jù)被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)變化而變化，從而使得橋臂輸出信號(hào)處理電路可以處理的電壓信號(hào)。恒流源電路如圖5 所示。

圖4 檢測(cè)電路圖Fig 4 Detection circuit

圖5 恒流源電路圖Fig 5 Constant current source circuit diagram

得到的信號(hào)由ADS1253AD 轉(zhuǎn)換后經(jīng)由CPLD ATF1508AS 采集，其采集電路的原圖圖如圖6 所示。

圖6 ATF1508AS 電路圖Fig 6 ATF1508AS circuit

4 恒溫控制電路設(shè)計(jì)

溫度對(duì)熱導(dǎo)池的影響非常重要，可以說(shuō)是最重要的影響因素，因此，設(shè)計(jì)高精度的恒溫系統(tǒng)至關(guān)重要。本系統(tǒng)中采用電流型溫度傳感器AD590 設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度采集電路，通過(guò)ADS1110 將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸出送給單片機(jī)處理，其硬件電路原理圖如圖7 所示。

單片機(jī)采用P89V51DDR2，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，對(duì)溫度進(jìn)行模糊控制，在熱導(dǎo)池的腔體中，設(shè)計(jì)有加熱片和風(fēng)扇，風(fēng)路采用迂回形式，使得整個(gè)系統(tǒng)中的溫度更加均勻。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，將溫度控制在(48±0.1)℃的范圍里，最大限度地降低溫度漂移的影響，通過(guò)上位機(jī)軟件檢測(cè)溫度的變化并顯示。

圖7 溫度采集與A/D 轉(zhuǎn)換模塊Fig 7 Temperature acquisition and A/D conversion module

5 微弱信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

在微弱信號(hào)處理過(guò)程中，首先設(shè)計(jì)采用精密整流，精密整流相比普通的二極管電路或者橋式整流電路而言，不會(huì)因?yàn)槎O管的導(dǎo)通電壓而造成的信號(hào)失真［9，10］。設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓為0.7 V，集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)為50×105倍，那么為使二極管導(dǎo)通，集成運(yùn)放的凈輸入電壓為

由此可以看出，只要輸入電壓使集成運(yùn)放的凈輸入電壓產(chǎn)生非常微小的變化，就可以改變二極管的工作狀態(tài)，從而到達(dá)精密整流的目的。其電路如圖8 所示。

圖8 精密整流電路圖Fig 8 Precision rectifier circuit diagram

在測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)可能會(huì)呈現(xiàn)出來(lái)有規(guī)則的噪聲信號(hào)，信號(hào)可能通過(guò)整流前的高頻引入，因此，考慮在整流前加上一級(jí)低通濾波，中心頻率可以設(shè)置在小于100 Hz。其電路圖如圖9 所示。

圖9 低通濾波電路原理圖Fig 9 Principle diagram of low-pass filtering circuit

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。下位機(jī)主要包括系統(tǒng)初始化、讀取系統(tǒng)配置、檢測(cè)傳感器信號(hào)、A/D 轉(zhuǎn)換、AD 值與體積分?jǐn)?shù)值的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出顯示等。其流程圖如圖10 所示。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)儀器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)氣體驗(yàn)證，載氣采用氦氣。對(duì)四種不同體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行了測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 氣體體積分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果Tab 1 Test results of gas volume fraction

由表1 可知，在測(cè)量60.10%的標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)，最大的誤差為0.05%，在測(cè)量90.30%的標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)的最大誤差為0.044%，在測(cè)量95.00%的標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)的最大誤差為0.074%。在測(cè)量99.99%的標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)的最大誤差為0.03%。

8 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于熱導(dǎo)傳感器的高精密測(cè)氮儀，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本測(cè)氮儀具有測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn)確度和精密度均遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的應(yīng)用前景。

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