催化气体传感器的恒温检测方法及其在瓦斯检测中的应用.doc

2009年 第3期 仪表技术与传感器 Instrument Technique and Sensor2009 No13 催化气体传感器的恒温检测方法及其在瓦斯检测中的应用 于 震 1,2,3 ,张正勇,徐定钧 11,2 ,齐永光 1,2 1.中国科学院合肥智能机械研究所,安徽合肥 230031;2.中国科学技术大学,安徽合肥 230026; 3.渤海大学,辽宁锦州 121013 摘要可然性气体催化燃烧放热导致催化气体传感器的敏感元件温度升高,即催化燃烧的放热速率与温度的非线性,使得传感器的输出与被测气体浓度。采用恒温检测方法,。对甲烷气体的实验结果表明其线性浓度范围达到10。关键词催化气体传感器;恒温检测;输出反馈;中图分类号TP212 文献标识码-200903-0126-03 ConttalyticGasSensorDetectionandApplicationInGasDetection YUZhen 1,2,3 ,ZHANGZheng2yong,XUDing2jun 11,2 ,QIYong2guang 1,2 1.StateKeyLaboratoriesofTransducerTechnology,IntelligentMachines,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China;2.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China;3.BohaiUniversity,Jinzhou121013,China AbstractQuantiyofheatofcombustiblegascatalyticcombustioncausestemperatureofsensor’ssensitiveelementtoin2crease.Butheatdissipationandthechemicalreactionspeedheatreleaserateofcatalyticcombustionarenonlinearvarywiththesensortemperature,sotheoutputofthermalcatalyticgassensorsvarywithmeasuredgasconcentrationespeciallyinthehigherconcentrationdetectedgasisnon2linear.Aconstanttemperaturedetectionwasadopted,itoutputfeedbackofsensor,regu2latetheworkingcurrenttomaintainconstanttemperatureofsensor,anditexpandthemeasuredgasconcentrationrange.Theexperi2mentalresultethaneshowsitslinearmeasuredgasconcentrationachieves10percents.Keywordscatalyticgassensor;constanttemperaturedetection;outputfeedback;methanedetection.0 引言 目前对易燃易爆气体,特别是矿井瓦斯的检测,通常采用性价比较高的催化气体传感器。传统的检测方法由于敏感元件温度变化大,特别是在高浓度的被测气氛中容易失效以及存在检测精度差,灵敏度低,温度漂移大等缺点[1-2]。黄为勇工程师、童敏明教授等从理论上证明了瓦斯恒温检测能够在一定程度上避免此类问题[2-3]。催化气体传感器恒温检测是一种采用载体催化传感元件,使其在检测可燃性气体时通过调节输入电流的大小来保持敏感元件恒温状态的新型检测方法,具有检测范围大,稳定性好,传感元件使用寿命长的优点。 1 催化气体传感器恒温检测的原理 图1 传感器恒温检测的理框图 量,使催化元件的温度升高,检测电桥产生电压输出,该输出被 C8051f040单片机检测到以后,根据电压值调节可变恒流源,使 恒流源产生的恒定电流变小,降低催化元件的电流,催化元件的温度降低,直到与初始温度值相同,即检测电桥的输出为零,通过调节电流的变化量即可得出当前被测气体浓度值。 2 催化气体传感器恒温检测系统的硬件实现 催化气体传感器一般由1个载体催化元件和1个补偿元件串联组成,在电路中连接成惠斯顿电桥,在一定电压输入下,电桥的输出就代表了被测可燃性气体的浓度,由于传感器温度的变化导致了缺陷 [2] 硬件部分包括C8051f040微控制器、信号的采集与放大调零电路、可程控的可变恒流源、瓦斯浓度显示、电源模块、JTAG接口在线下载调试。恒温测量系统电路如图2所示。 2.1 C8051f040微控制器 C8051f040微控制器是整个检测电路的核心。一方面,对 ,所以解决问题的有效途径是采用恒温检 测方法。图1是催化气体传感器恒温检测原理的框图。 当被测气体浓度为零时,调节调零电路使放大与调零输出电路的输出为零。当浓度增加时, 由于可燃性气体燃烧产生热 基金项目国家自然科学基金重点项目50534050;国家863计划课题 2007AA04Z332 收稿日期2008-03-12 收修改稿日期2008-11-08 系统内各软件模块进行协调处理,使各电路处于一种有序的工作状态。另一方面负责对采样得到的数据进行处理,根据电流变化量求出气体的浓度值,将得到的浓度值发送到显示电路 。 第3期 于震等催化气体传感器的恒温检测方法及其在瓦斯检测中的应用 127 据运放电路的基本分析方法,在下图电路中UAU1,UBU2,并且R3R5,R6R7,R8R9,R10R11,R12R13,因而 U1-U2R2R3R4 U01-U02,即 U01-U021图2 恒温测量统电路框图 2RR 4R6 U1-U2 所以输出电压U0为 U06 U01022.2 信号的采集与放大调零R4 U1-U2 测量系统的信号采集系统如图3所示,在图3中放大器 U1,U2,U4组成了精密放大器用来放大传感器中传来的弱信 IdU1-U,U0-R8R6 号。放大器U3与从C8051f040微控制器的D/A调零信号进行减法运算,候进行传感器调零。从U3的A/D转换器送入,把信号,达到稳定传感器温度的目的,。 图3中,引脚1,2,3分别与传感器的3个引脚相连,使传感器的催化元件,补偿元件和R1,R24个电阻构成测量桥路。根 Uout1 2RR4 UId 当U1U2时输出U00,可见电路放大差模信号,抑制共模信号。差模放大倍数越高,共模抑制比越高[5]。输入信号中的共模噪声也被抑制。信号经过放大后与从C8051f040微控制器的D/A转换器传来的调零信号进行减法运算,这时 R R10 R8R6 12RR4 UId-UDAC0 Uout输入到A/D转换器中。当没有放入气体气氛中的时候,调 节UDAC0使得Uout为零,这就是调零功能。 图3 催化气体传感器恒温检测采集与调零电路图 2.3 程控可变恒流源 在恒温测量系统的开发过程中,程控可变恒流源需要给催化气体传感器输出一定大小的标准电流,再经过数据采集系统把催化元件的温度变化情况回传给反馈系统,以便调节通过催化元件的电流。根据测量精度的要求,选用MX7541芯片。 MX7541是一种12位的D/A转换芯片,采用18脚的DIP封装, 输出电流信号。根据系统的要求程控可变恒流源的电路图4如下。图中D1～D44个二极管的作用是避免放大器的输出电压在共模电压范围之外,D5避免结型场效应管由于放大器的失调引起正偏。 在图4中MX7541D/A转换器Iout输出的电流为 Iout VR0 4096 IRFB 图4 催化气体传感器恒温检测采集与调零电路图 式中R0为梯形电阻网络输出阻抗;D为当前的输入数字量; IRFB为参考电压VREF经反馈电阻R16在反馈端RFB的电流, IRFB VREFR16RFB IDSV-4V-VR15 式中VD为二极管的正向压降之和;VA为图中A点的电压。 电流源输出的电流为 IKV-4V-VR14 此时经过结型场效应管的电流 128 InstrumentTechniqueandSensor Mar12009 VB为图中B点的电压。根据图中可知VAVB,IoutIDS,代入 理。 4 催化气体传感器恒温检测方法用于瓦斯检测的实验结果 式中可以得到 IK R15R14 ・Iout R15 R144096 VR0 VR16RF采用煤矿瓦斯检测中广泛使用的瓦斯传感器,以瓦斯气体中的主要成分甲烷为检测对象,进行了测试。实验测试数据见表1,图5所示为工作电流变化与甲烷浓度的关系。 表1 Ω.式中VREF10V;R010k 得出 IK RR14 VRR16RFB R144096 瓦斯浓度/ 45 317141210185614.458181 137 678910 电流的减小量 /mA211853251019281437311605341758 式中第一项是当D/A转换器输入D全为0 的时候电流源输出 的电流。 调节R16使电流源在数字输入D为0;节R15使电流在数字输入全为1时,mA[6]. 2.4 浓度显示电路 显示部分是由2实现的LED。74LS164是一个8,把从C8051f040传来的串行信号转换为并行信号,从而驱动LED数码管。74LS138是3～8译码器,它将单片机输出的地址信号译码后动态驱动相应的 LED.但74LS138电流驱动能力较小,使用末级驱动三极管2SA1015作为地址驱动。采用动态扫描方式,对扫描频率有一 定要求,如扫描频率太快,每个LED数码管点亮的时间太短, LED的亮度就会降低,肉眼难以看清;如扫描频率过低,会出现 闪烁现象,系统中选取为5ms. 3 催化气体传感器恒温检测系统的软件实现 图6 气体浓度与电流变化量的关系 从表1和图6可以看出,所得到的数据近似连成一条直线,说明在测量过程中电流的减少与瓦斯浓度的变化近似成线性关系。 4 结束语 系统的程序流程如图4所示。系统的主程序首先进行初始化,对用到的端口赋初值,然后给传感器通初始电流即稳定工作的电流。测得此时传感器的输出,进行调零。调零过后,就可以用该系统进行测量。测量气体浓度在系统中有专门的子程序来完成。在子程序中调节程控电流源的输出电流,使采集的数据经A/D转换器转换后为零,此时的电流值就可以换算为气体浓度。显示电路因为要求定时,在时钟中断中进行处 通过适当的硬件电路和软件设计,可实现催化气体传感器恒温检测。实验结果表明传感器工作电流的变化量与被测气体甲烷的浓度在10以下呈良好的线性关系。参考文献 [1] 童敏明.两种定压甲烷检测方法的分析,中国矿业大学学报 2002,312190-193. [2] 刘建周,徐正新,刘凤丽.甲烷催化元件输出漂移的原因分析与对 策.传感器技术,2004,23655-57. [3] 童敏明.双桥恒温式检测方法.传感技术学报,2000,312230-232.[4] 黄为勇,童敏明,任子晖.采用热导传感器检测气体浓度的新方法 研究.传感技术学报,2006,194973-975. [5] 王正宏,马以武,张早春.基于C8051f040与传感阵列的瓦斯浓度 实时检测系统.仪表技术与传感器,2007826-28. [6] 王正宏,马以武.基于C8051f040的瓦斯传感器阵列信号采集电 路设计.自动化与仪表,2007,22468-70. [7] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京高等教育出版社, 2000. [8] 周征.基于14位D/A转换器的高精度程控电流源.仪表技术, 2005177-78. 作者简介于震1977,讲师,主要从事传感器技术研究。 图4 系统的软件流程图 E