熱導(dǎo)傳感器在氫氣測量中的影響因素研究

凌云峰,楊 楠,文吉延,劉 璽,孫延玉

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所 科研生產(chǎn)保障部,黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著化石燃料的日漸枯竭及環(huán)境污染問題的凸顯，氫氣、水、太陽能等可再生能源[1]的使用逐漸成為人們研究和關(guān)注的課題。隨著科技的發(fā)展，氫氣作為原料的燃料電池在汽車、核電等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)對高純氫氣的需求量也急劇增加。隨著氫氣的廣泛應(yīng)用，氫氣在制備、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和利用[2]四個(gè)環(huán)節(jié)中構(gòu)成的潛在威脅也不容忽視。氫氣分子小，極易發(fā)生泄漏[3]，同時(shí)氫氣的爆炸限極寬，為4%～75%VOL，極易發(fā)生泄漏和爆炸[4]，因此，對氫氣泄露的測量成為亟需解決的問題，高性能氫氣傳感器的研究也備受關(guān)注。

目前，市場上推出了一些基于催化燃燒[5]、半導(dǎo)體[6]、電化學(xué)[7]等原理的氫氣傳感器，但各種傳感器都是基于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行氫氣濃度檢測，導(dǎo)致傳感器敏感元件的材料發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而導(dǎo)致傳感器使用壽命短、漂移量大、校準(zhǔn)周期短等。熱導(dǎo)傳感器是一種熱效應(yīng)傳感器，在測試過程中，不與待測氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免了化學(xué)反應(yīng)引起的材料變化，因此它輸出穩(wěn)定，漂移量小。馮洋等對熱導(dǎo)傳感器的信號調(diào)理電路和對甲烷氣體濃度的檢測進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)傳感器可用于甲烷氣體的檢測[8]；錢江蓉等研制了一種新型熱導(dǎo)式氧傳感器并用于待測氣氛中氧氣的測量[9]；曾慶喜等設(shè)計(jì)了基于熱導(dǎo)原理的氫濃度檢測儀，可用于檢測氣氛中的氫氣濃度[10]。熱導(dǎo)傳感器具有檢測精度低，溫度漂移大，受環(huán)境溫度、濕度變化影響大的缺點(diǎn)[11]，目前國內(nèi)外研究人員并未針對外界環(huán)境對測量準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，因此本文擬通過環(huán)境試驗(yàn)對熱導(dǎo)傳感器的測試影響因素進(jìn)行探索，并尋找提高傳感器測試準(zhǔn)確度的方案。

1 工作原理

導(dǎo)熱系數(shù)(又稱“熱導(dǎo)率”)是物質(zhì)的重要物理性質(zhì)之一，與物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。不同的氣體有不同的分子結(jié)構(gòu)，便有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。

對于彼此之間無化學(xué)作用的多組分混合氣體來說，導(dǎo)熱系數(shù)可近似的視作組成混合氣體的各種氣體導(dǎo)熱系數(shù)的加權(quán)平均值。當(dāng)混合氣體中的某種氣體的濃度發(fā)生變化時(shí)，混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之發(fā)生變化。與其他氣體相比，氫氣具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)(1.75×10-5W/m·K)，幾乎是空氣的五倍，因此，在含有氫氣的混合氣體中，氫氣濃度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而引起混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生較大變化[8]。

在其他氣體組分相對穩(wěn)定時(shí)，設(shè)定待測氣體(氫氣)的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1，其他氣體的導(dǎo)熱系數(shù)為λ2，則混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)公式見公式(1)

λ=λ1×Ф1+λ2×(1-Ф1)=λ2+Ф1(λ1-λ2)

(1)

式中λ1和λ2——待測氣體和其他氣體的導(dǎo)熱系數(shù);

Ф1——混合氣體中待測氣體的濃度(體積分?jǐn)?shù))。

由公式可知，混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與待測氣體的濃度間存在線性關(guān)系。因此，可以通過熱導(dǎo)原理的傳感器對混合氣體中的某種待測氣體的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

TCS208F熱導(dǎo)傳感器是由德國HLP公司采用硅微加工工藝生產(chǎn)的一款傳感器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)置兩個(gè)測溫電阻(Rm1、Rm2)和兩個(gè)補(bǔ)償電阻(Rt1、Rt2)，其中測溫電阻位于頂層硅片上，并位于頂層硅片和中層硅片之間的腔室頂部，阻值隨測量電阻本身溫度的變化而變化；補(bǔ)償電阻位于中層硅片上，直接暴露在大氣環(huán)境中，可起到一定程度的環(huán)境補(bǔ)償作用。四個(gè)電阻可通過引線按圖2的連接方式與外接電阻組成電橋。通過電橋可給測溫電阻和補(bǔ)償電阻施加一定的電壓，使測溫電阻和補(bǔ)償電阻產(chǎn)生熱量，溫度升高，高于周圍環(huán)境的溫度，并通過熱擴(kuò)散的形式向周圍環(huán)境傳熱[10]。

圖1 熱導(dǎo)傳感器內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)圖

圖2 熱導(dǎo)傳感器電橋電路圖

當(dāng)傳感器測量電阻和補(bǔ)償電阻周圍環(huán)境的氣體恒定時(shí)，環(huán)境氣體的導(dǎo)熱系數(shù)恒定，傳感器會(huì)通過自身加熱和熱擴(kuò)散達(dá)到熱平衡狀態(tài)，當(dāng)氣氛中的某一種氣體(如氫氣)的組分發(fā)生變化時(shí)，環(huán)境氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，則傳感器對外擴(kuò)散的熱量發(fā)生變化，便會(huì)形成新的熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)的改變會(huì)影響測溫電阻的溫度，從而影響測溫電阻的阻值。即當(dāng)環(huán)境中待測氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，Rm1和Rm2的電阻值會(huì)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而引起橋路電壓變化，通過電壓的變化可實(shí)現(xiàn)對待測氣體的測量。

2 實(shí)驗(yàn)方案

在環(huán)境氣體相對穩(wěn)定的前提下，為獲得流量、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)對熱導(dǎo)傳感器在氫氣測量時(shí)的影響數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)公式補(bǔ)償，將配置好測試電路的3只傳感器安裝在測試管道中，并將測試管道置于恒溫箱中，管道進(jìn)氣口端連接流量計(jì)和氣源，出氣口端連接溫濕度傳感器。設(shè)定供電電壓為(12±0.2)V，氫氣濃度為0%(空氣)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%五個(gè)濃度點(diǎn)，并進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

(1)設(shè)定恒溫箱為25℃，在0～1 000 ml/min的流量區(qū)間內(nèi)取100 ml/min、300 ml/min、500 ml/min、800 ml/min、1 000 ml/min五個(gè)流量點(diǎn)，測定各流量時(shí)各濃度點(diǎn)的輸出電壓。

(2)設(shè)定流量為800 ml/min，在5～40℃的溫度區(qū)間內(nèi)取5℃、15℃、25℃、33℃和40℃五個(gè)溫度點(diǎn)，測定各溫度點(diǎn)時(shí)各濃度點(diǎn)的輸出電壓。

(3)設(shè)定恒溫箱為40℃，在(0～52.5)g/m3的濕度區(qū)間內(nèi)取3.2 g/m3、12.6 g/m3、22.8 g/m3、33.2 g/m3、41.6 g/m3、49.4 g/m3六個(gè)絕對濕度點(diǎn)，測定各濕度點(diǎn)時(shí)各濃度點(diǎn)的輸出電壓。

3 結(jié)果分析

3.1 流量測試數(shù)據(jù)分析

圖3給出了熱導(dǎo)傳感器在各濃度點(diǎn)的輸出電壓隨流量變化的曲線。

圖3 各濃度點(diǎn)的輸出電壓隨流量變化曲線

由圖3可知，當(dāng)流經(jīng)傳感器的氣體的流量發(fā)生變化時(shí)，傳感器在各濃度點(diǎn)的輸出基本不變，說明流經(jīng)傳感器的氣體流量對傳感器的輸出無影響，可推測熱導(dǎo)傳感器采用的是擴(kuò)散型進(jìn)氣方式，氣體流量對測量幾乎無影響。

3.2 溫度測試數(shù)據(jù)分析

圖4和圖5分別給出了熱導(dǎo)傳感器在空氣狀態(tài)下零點(diǎn)輸出及靈敏度隨溫度變化的曲線。

圖4 零點(diǎn)輸出隨溫度變化曲線

圖5 靈敏度隨溫度變化曲線

由圖4可知，傳感器零點(diǎn)輸出隨溫度變化有一定程度的變化，這是因?yàn)殡S著溫度變化，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)也對應(yīng)發(fā)生變化。由圖5可知，隨著溫度的升高，傳感器的靈敏度呈線性遞增趨勢。這說明溫度對熱導(dǎo)傳感器的影響是可以進(jìn)行公式補(bǔ)償?shù)摹?/p>

3.3 濕度測試數(shù)據(jù)分析

圖6給出了傳感器在40℃溫度條件下各濃度點(diǎn)輸出電壓隨絕對濕度變化的曲線。

圖6 各濃度點(diǎn)的輸出電壓隨絕對濕度變化曲線

由圖6可知，熱導(dǎo)傳感器在各濃度點(diǎn)的輸出隨絕對濕度的增加線性遞增，說明濕度對熱導(dǎo)傳感器的影響是可以進(jìn)行公式補(bǔ)償?shù)摹?/p>

3.4 多參數(shù)補(bǔ)償公式推導(dǎo)及驗(yàn)證

對實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做濃度對電壓的曲線，為一條直線，得常數(shù)項(xiàng)a、b，濃度電壓公式見公式(2)

C=a×u+b

(2)

做常數(shù)項(xiàng)a、b對絕對濕度的曲線，為一條直線，得常數(shù)項(xiàng)a1、a2、b1、b2；濃度對電壓和濕度的公式見公式(3)

C=(a1×r+a2)×u+(b1×r+b2)

(3)

做常數(shù)項(xiàng)a1、a2、b1、b2對溫度的曲線，為二次項(xiàng)曲線，得常數(shù)項(xiàng)a11、a12、a13、a21、a22、a23……，濃度對電壓、濕度和溫度的公式見公式(4)

C=[(a11×t×t+a12×t+a13)×r+(a21×t×

t+a22×t+a23)]×u+(b11×t×t+b12×t+b13)×

r+(b21×t×t+b22×t+b23)

(4)

式中r——?dú)夥盏慕^對濕度值/g·m-3；

u——傳感器輸出電壓/V；

t——溫度/℃。

將各溫度值、各絕對濕度值、各電壓值分別代入公式(4)，求取傳感器的理論濃度值CL，分別與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度值C0進(jìn)行比較，按公式(5)求取傳感器的準(zhǔn)確度λ(滿量程的百分比，%FS)

λ(%)=(CL-C0)×100/2

(5)

通過實(shí)驗(yàn)，獲得三只傳感器在各溫度點(diǎn)的各絕對濕度點(diǎn)時(shí)的各濃度點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)，將該測試數(shù)據(jù)分別按公式(2)和公式(4)求取環(huán)境氣氛中氫氣的理論濃度值，并代入公式(5)，分別求取沒有多參數(shù)補(bǔ)償和有多參數(shù)補(bǔ)償時(shí)各濃度點(diǎn)的準(zhǔn)確度。由準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)可知，通過多參數(shù)補(bǔ)償?shù)囊?，傳感器在各環(huán)境條件下的準(zhǔn)確度由補(bǔ)償前的不小于10%FS，提高到補(bǔ)償后的±3%FS之間，極大地提高了傳感器的準(zhǔn)確度和環(huán)境適應(yīng)性。

4 結(jié)論

通過對熱導(dǎo)傳感器在氫氣測量中的影響因素研究得出如下結(jié)論：

(1)熱導(dǎo)傳感器采用的是擴(kuò)散型進(jìn)氣方式，氣體流量對測量幾乎無影響。

(2)環(huán)境溫度變化對傳感器靈敏度有影響，靈敏度隨環(huán)境溫度的升高呈線性遞增趨勢；

(3)各濃度點(diǎn)的輸出隨絕對濕度的增加線性遞增；

(4)通過溫度、濕度多參數(shù)補(bǔ)償，使傳感器在各溫度、各濕度、各濃度點(diǎn)的準(zhǔn)確度由10%FS以上減小到±3%FS之間，極大地提高了傳感器的準(zhǔn)確度和環(huán)境適應(yīng)性。