基于热导传感器的高精密测氮仪设计

韩 雪

(1.武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉430070;2.湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲412001)

0 引 言

热导式传感器属于物理性气体传感器，主要用于检测混合气体中氢气、氮气、氩气以及二氧化硫等气体的体积分数。传统的热导池检测器存在检测灵敏度低、零点漂移大、环境温度补偿困难等问题［1～3］。为了检测空间场中氮气的含量或者检测待测物中氮元素的含量，本文设计了一种高精密测氮仪。气体采集采用平面六通阀和定量阀，使得气体在检测过程中，体积的一致性很好，通过对热导池的恒温控温处理和微弱信息的调整，最大限度地降低零点漂移，提高了热导池探测器的灵敏度［4］。

1 系统原理与总体设计

系统主要由热导池、恒流源、信号放大与调理电路、A/D 转换电路、NCU 控制数据处理中心以及显示电路等构成。恒流源确保热导池的电源稳定;信号放大与调理电路主要解决信号的有效放大和去噪［5，6］。此外，整个热导池置于恒温室中，恒温室采用智能PID 算法，将温度稳定在(48±0.1)℃的范围里，最大限度地降低温漂的影响;检测气室创新性地采用平面六通阀和定量阀，确保每次检测的气体体积一致性高，测量精度高［7，8］。

系统的整体设计框图如图1 所示。

图1 系统整体框图Fig 1 Overall block diagram of system

2 系统的气路设计

本设计中创新性地采用平面六通阀和定量阀设计气路。将进气、样品检测和废气排放设计在一个平面六通阀中，由定量阀确定待测气体的体积，这样设计的优点如下:

1)确保每次检测的气体样品体积一致，减小了由人为取气的随机误差。

2)采用的平面六通阀和定量阀连接采用长管，有利于待测气体混合均匀。

3)自动化程度提高，减少了人机交互的次数。

平面六通阀和定量阀连接气路图如图2 所示。

图2 气路连接图Fig 2 Gas path connection diagram

3 热导池与检测电路设计

热导池中的热敏元件选用5%的铼钨丝，其阻值随温度而变化。铼钨丝电阻率高，可在相同长度内得到高阻值;电阻温度系数大，强度好;耐氧化，耐腐蚀。

热导池的池体是一个内部加工池腔和孔道的金属体，池体材料选用不锈钢316L，其热传导性能好、热容小且表面形成氧化膜后防腐性能也很好。本设计中的热导池属于扩散式热导池，受气流波动影响小。热导池的结构如图3所示。

图3 热导池示意图Fig 3 Diagram of thermal conductivity cell

热导池中共有4 根铼钨丝，右侧2 根为参考壁，密封于参考气中(参考气为氢气，可防止铼钨丝氧化，且与空气热导率相同)，左侧2 根铼钨丝为测量臂，进气口与平面六通阀样品环接口相接，当被测气体由进气口进入热导池，扩散至热丝，使热丝的阻值发生变化，根据参考臂的比较，将测量臂的电阻变化转换为电信号的变化后，经过检测电路处理后得到测量结果。

检测电路如图4 所示，热导池中的4 根铼钨丝组成惠斯通电桥，采用恒流方式供电，铼钨丝R1，R4 为参考壁，铼钨丝R2，R3 为测量臂，R1，R4 同处与参考气中，阻值相同，R2，R3 同处于被测气体中，阻值也相同，参考臂的电阻一直保持不变，而测量臂的电阻值会根据被测气体的体积分数变化而变化，从而使得桥臂输出信号处理电路可以处理的电压信号。恒流源电路如图5 所示。

图4 检测电路图Fig 4 Detection circuit

图5 恒流源电路图Fig 5 Constant current source circuit diagram

得到的信号由ADS1253AD 转换后经由CPLD ATF1508AS 采集，其采集电路的原图图如图6 所示。

图6 ATF1508AS 电路图Fig 6 ATF1508AS circuit

4 恒温控制电路设计

温度对热导池的影响非常重要，可以说是最重要的影响因素，因此，设计高精度的恒温系统至关重要。本系统中采用电流型温度传感器AD590 设计了一个温度采集电路，通过ADS1110 将温度信号转换成电压信号，输出送给单片机处理，其硬件电路原理图如图7 所示。

单片机采用P89V51DDR2，通过软件设计，对温度进行模糊控制，在热导池的腔体中，设计有加热片和风扇，风路采用迂回形式，使得整个系统中的温度更加均匀。根据整个系统的设计需要，将温度控制在(48±0.1)℃的范围里，最大限度地降低温度漂移的影响，通过上位机软件检测温度的变化并显示。

图7 温度采集与A/D 转换模块Fig 7 Temperature acquisition and A/D conversion module

5 微弱信号处理电路设计

在微弱信号处理过程中，首先设计采用精密整流，精密整流相比普通的二极管电路或者桥式整流电路而言，不会因为二极管的导通电压而造成的信号失真［9，10］。设二极管的导通电压为0.7 V，集成运放的开环差模放大倍数为50×105倍，那么为使二极管导通，集成运放的净输入电压为

由此可以看出，只要输入电压使集成运放的净输入电压产生非常微小的变化，就可以改变二极管的工作状态，从而到达精密整流的目的。其电路如图8 所示。

图8 精密整流电路图Fig 8 Precision rectifier circuit diagram

在测试过程中，数据可能会呈现出来有规则的噪声信号，信号可能通过整流前的高频引入，因此，考虑在整流前加上一级低通滤波，中心频率可以设置在小于100 Hz。其电路图如图9 所示。

图9 低通滤波电路原理图Fig 9 Principle diagram of low-pass filtering circuit

6 系统软件设计

系统的软件设计包括上位机软件和下位机软件。下位机主要包括系统初始化、读取系统配置、检测传感器信号、A/D 转换、AD 值与体积分数值的转换、数据输出显示等。其流程图如图10 所示。

7 实验结果

通过软硬件的设计，对仪器进行了实验，实验采用标准气体验证，载气采用氦气。对四种不同体积分数的标准气体进行了测量，其测量结果如表1 所示。

表1 气体体积分数测试结果Tab 1 Test results of gas volume fraction

由表1 可知，在测量60.10%的标准气体时，最大的误差为0.05%，在测量90.30%的标准气体时的最大误差为0.044%，在测量95.00%的标准气体时的最大误差为0.074%。在测量99.99%的标准气体时的最大误差为0.03%。

8 结 论

本文设计了一种基于热导传感器的高精密测氮仪，实验结果表明:本测氮仪具有测量速度快、测量精度高、信噪比高等优点，准确度和精密度均远高于国家标准，具有很好的应用前景。

［1］ 周佩娟，刘江永.高精度微弱信号放大整流电路［J］.岳阳师范学院学报:自然科学版，2003(1):32，45.

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