可燃?xì)怏w傳感器老化測試系統(tǒng)開發(fā)

徐曉暉，靳保民

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

?

可燃?xì)怏w傳感器老化測試系統(tǒng)開發(fā)

徐曉暉，靳保民

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

針對(duì)可燃?xì)怏w傳感器老化測試系統(tǒng)的需求，以工控機(jī)為核心開發(fā)傳感器老化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制測試氣體的體積分?jǐn)?shù)、標(biāo)準(zhǔn)氣體通入間隔時(shí)間，對(duì)傳感器的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，生成每個(gè)傳感器的老化測試記錄，并打印傳感器標(biāo)簽。

可燃?xì)怏w傳感器；測試系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集

近年來，由于國家對(duì)安全生產(chǎn)高度重視，可燃?xì)怏w傳感器銷量大增，原有的人工測試方法需要手動(dòng)調(diào)整，人工定時(shí)記錄，效率低下，不能滿足市場需求，為此，考慮設(shè)計(jì)開發(fā)可燃?xì)怏w傳感器老化測試系統(tǒng)[1]。采用工控計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，可以自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)、分析測試數(shù)據(jù)和打印標(biāo)簽，能夠大幅度提高工作效率，并保證可燃?xì)怏w傳感器生產(chǎn)過程文件完整性和質(zhì)量的可追溯性。

1 測試系統(tǒng)方案

1.1 總體方案

如圖1所示，系統(tǒng)采用工控機(jī)為核心，內(nèi)部安裝繼電器控制卡，使用以太網(wǎng)接口與fluke NetDaq 2645型數(shù)據(jù)采集器通信，連接USB標(biāo)簽打印機(jī)。繼電器控制卡控制電磁閥的開啟，數(shù)據(jù)采集器采集傳感器的輸出信號(hào)和鋼瓶出口壓力信號(hào)，標(biāo)簽打印機(jī)用于打印傳感器標(biāo)簽。

1.2 可燃?xì)怏w傳感器

催化燃燒式可燃?xì)怏w傳感器屬于高溫傳感器，檢測元件是在鉑絲(直徑0.025～0.050 mm)繞成的線圈上包以氧化鋁和粘合劑形成球狀，再進(jìn)行燒結(jié)。元件外表面敷以催化劑層，結(jié)構(gòu)見圖2[2]。對(duì)鉑絲通以恒定電流，使檢測元件保持高溫，此時(shí)若與可燃?xì)怏w接觸將在催化劑層無焰燃燒。本質(zhì)是元件表面吸附的甲烷與吸附的氧離子之間反應(yīng)釋放出熱量使鉑絲線圈的溫度升高，線圈的電阻值上升，從而改變橋路平衡，輸出與可燃?xì)怏w的濃度值正相關(guān)電信號(hào)。所要測試的傳感器工作電壓2.5 V，工作電流150 mA。

1.3 傳感器調(diào)理電路

傳感器調(diào)理電路分為供電電路和信號(hào)調(diào)理電路。傳感器采用恒流供電，供電電流為150 mA。如圖3所示，采用LM285為電壓基準(zhǔn)，輸出電壓為2.5 V，溫漂為±20 ppm/℃[3]。恒流源輸出的電流值為Iout=Vs/R1//R2，調(diào)整R1可以精確使電流Iout=150 mA。

在實(shí)際應(yīng)用中常采用惠斯頓電橋測量電路，如圖4所示。電橋中黑元件是檢測元件，白元件為補(bǔ)償元件，白元件與黑元件相比只缺少催化劑層，也就是說白元件遇到可燃?xì)怏w不能燃燒。黑元件由于無焰燃燒而電阻值上升，電橋失去平衡，與可燃?xì)怏w濃度相關(guān)的信號(hào)電壓輸出。傳感器信號(hào)調(diào)理電路中使用儀表放大器INA141放大電橋輸出的信號(hào)，儀表放大器INA141具有溫漂小(0.5 μV/℃max)、放大倍數(shù)精確(10倍時(shí)±0.05%的誤差)、偏置電流低(5 nAmax)、抗噪聲能力強(qiáng)(CMR=117 dB)的優(yōu)點(diǎn)，在精確放大信號(hào)的同時(shí)引入的電路誤差可以忽略不計(jì)。為了保證測量精度，傳感器調(diào)理電路中所使用的電阻精度為0.1%，溫度漂移小于±15 ppm/℃[4]。

1.4 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由鋼瓶氣、電磁閥、壓力變送器、測試室、管路和傳感器測試室組成。在供氣管路上，設(shè)置壓力變送器監(jiān)測氣瓶中氣體的壓力，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼瓶缺氣。鋼瓶中的標(biāo)準(zhǔn)氣由國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心配制。根據(jù)傳感器的工作特性，選擇6種不同體積濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣用于傳感器的測試和老化。傳感器測試室如圖5所示。

設(shè)有10個(gè)傳感器測試孔，內(nèi)部設(shè)計(jì)有O型密封圈，上面有壓板將傳感器壓住，安裝孔用于安裝傳感器調(diào)理電路。傳感器測試室前后有進(jìn)出氣接頭，可將多個(gè)模塊串聯(lián)使用，提高測試效率。

1.5 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件有4個(gè)模塊。

1)測控模塊?？刂齐姶砰y定時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)氣體通入傳感器，同時(shí)連續(xù)測量傳感器的輸出信號(hào)。根據(jù)傳感器的工作目標(biāo)環(huán)境，選擇6種體積濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，分別為0%，20%，35%，50%，75%和100%LEL。測控模塊電磁閥依次將不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣加注到測試室，在不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣切換時(shí)，使用0%氣體進(jìn)行吹掃2 min。對(duì)于35%LEL的標(biāo)準(zhǔn)氣測量響應(yīng)時(shí)間，從通入標(biāo)準(zhǔn)氣開始計(jì)時(shí)，到傳感器相應(yīng)值到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)值的90%時(shí)記錄時(shí)間為傳感器的響應(yīng)時(shí)間。每批次傳感器每天進(jìn)行一次各種濃度性能測試，每天采用20%LEL的標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)傳感器進(jìn)行6 h老化。

2)數(shù)據(jù)記錄模塊。將測得的傳感器性能數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)氣體的供氣狀況、當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度等記入數(shù)據(jù)庫，作為出廠測試?yán)匣涗?，供其他模塊調(diào)用。

3)分析報(bào)告模塊。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析傳感器的靈敏度、線性誤差、測量絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、零點(diǎn)漂移以及同批次傳感器靈敏度的分散性、溫度穩(wěn)定性，生成報(bào)告。

4)標(biāo)簽打印。根據(jù)測試結(jié)果生成每個(gè)傳感器的出廠編號(hào)、靈敏度、老化測試記錄編號(hào)、出廠日期，打印成一個(gè)標(biāo)簽，測試完成后由工作人員將其粘貼到傳感器上，保證傳感器質(zhì)量的可追溯性。

軟件設(shè)計(jì)有3個(gè)界面如圖6～8所示。圖6，系統(tǒng)啟動(dòng)后首先顯示。用戶可以選擇參數(shù)設(shè)置、開始測試、測試數(shù)據(jù)調(diào)閱、打印標(biāo)簽中的任意功能。如果用戶選擇參數(shù)設(shè)置功能，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示，在此界面下用戶可以管理氣體庫，將需要使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體加入到氣體庫中；記錄測試數(shù)據(jù)選擇項(xiàng)可以控制是否記錄測試數(shù)據(jù)；按下“設(shè)置老化測試流程”按鈕可以設(shè)定總時(shí)間長度、每天的傳感器通氣時(shí)間、通氣間隔的吹掃方案等，設(shè)置完畢后系統(tǒng)自動(dòng)保存測試方案；選擇老化測試流程，可選擇已保存的老化測試方案，并提示用戶檢查現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)氣體是否滿足方案的需要。

圖8，界面的上部顯示現(xiàn)在執(zhí)行的測試方案，按下方案名稱可彈出方案的簡要描述。

測試數(shù)據(jù)調(diào)閱界面用戶可以根據(jù)傳感器的編號(hào)和時(shí)間調(diào)閱傳感器的老化測試數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)；標(biāo)簽打印界面用戶可以根據(jù)出廠記錄和數(shù)據(jù)庫信息打印傳感器標(biāo)簽，系統(tǒng)自動(dòng)完成標(biāo)簽的唯一性審核。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本測試系統(tǒng)樣機(jī)采用2個(gè)傳感器測試室串聯(lián)使用，同時(shí)可以測試?yán)匣?0只可燃?xì)怏w傳感器。為了驗(yàn)證本測試系統(tǒng)的工作特性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行120 h不間斷的測試，在測試周期內(nèi)系統(tǒng)同時(shí)采集20個(gè)傳感器的響應(yīng)信號(hào)，而且在測試周期內(nèi)定期改變氣體的體積濃度值。將待測試傳感器裝入測試室后，系統(tǒng)即可開始自動(dòng)運(yùn)行，軟件控制系統(tǒng)每天在設(shè)定時(shí)間對(duì)傳感器進(jìn)行測試。測試完成后系統(tǒng)自動(dòng)打印傳感器標(biāo)簽。工作人員在老化測試過程中可隨時(shí)調(diào)看記錄。試驗(yàn)結(jié)果證明老化測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確真實(shí)。

3 結(jié)論

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入日常生產(chǎn)試驗(yàn)中，傳感器的出廠穩(wěn)定性明顯提高?；诠た貦C(jī)的老化測試系統(tǒng)能夠充分利用現(xiàn)有的儀器組建性價(jià)比高的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)也可根據(jù)傳感器的特性需要進(jìn)行修改，構(gòu)成不同功能的測試系統(tǒng)，用于各種傳感器的老化測試。

[1] 呂堅(jiān),王濤,蔣亞東.基于虛擬儀器的氣體傳感器自動(dòng)測試系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù),2004,23(12):50-52.

[2] 劉海波,沈晶．催化燃燒式瓦斯傳感器技術(shù)研究進(jìn)展[J]．智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2011(3)：71-73.

Development of the Aging Test System for Combustible Gas Sensor

XU Xiao-hui, Jin BAO-min

(No. 718 Research Institute of CSIC, Handan Hebei 056027, China)

Aimed at the need of the aging test system for the traditional combustible gas sensor, a system for the gas sensors based on the industrial personal computer was developed. It can automatically control the combustible gas sensors working conditions, including the tested gas volume fraction and the interval time between the standard gas piped in. it can also collect automatically the response signals, create aging test record and print label for every gas sensor.

combustible gas sensor; test system; data acquisition

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.019

2017-01-18

國家部委基金資助項(xiàng)目

徐曉暉(1983—)，男，碩士生，工程師

研究方向：自動(dòng)化儀表與可靠性

U665.261

A

1671-7953(2017)03-0088-03

修回日期：2017-03-20