煤油蒸汽濃度測量方法的研究

胡志剛+杜博

摘要：為了能夠穩(wěn)定和精準的測量煤油蒸汽濃度，通過對傳統(tǒng)的氣體濃度檢測的方法及其各自應(yīng)用的優(yōu)缺點的研究，本設(shè)計提出了采用基于熱導(dǎo)原理的蒸汽濃度檢測的新方法?；跓釋?dǎo)原理的煤油蒸汽濃度測量主要是根據(jù)不同濃度氣體的熱導(dǎo)率不同來設(shè)計的，通過研究熱導(dǎo)元件熱傳導(dǎo)系數(shù)與環(huán)境溫度和氣體濃度的關(guān)系，建立了熱導(dǎo)傳感器輸出信號與濃度的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并對測量結(jié)果進行誤差分析與優(yōu)化處理。按此方法進行實測，結(jié)果表明該方法滿足對煤油蒸汽濃度檢測的高精度要求。

關(guān)鍵詞：煤油蒸汽；熱導(dǎo)原理；熱傳導(dǎo)系數(shù)；濃度檢測

中圖分類號：TH813 文獻標識碼：A 文章編號： 1674-0432（2014）-11-92-2

煤油是生產(chǎn)和生活中常用的液態(tài)燃料，煤油不僅易燃，而且在一定條件下當(dāng)一定濃度的煤油蒸汽與空氣混合后會發(fā)生爆炸。研究煤油蒸汽發(fā)生爆炸濃度條件和控制煤油蒸汽濃度在安全范圍內(nèi)可避免危險事故發(fā)生。

熱導(dǎo)式氣體傳感器是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或器件。它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，由于其具有檢測范圍大，最高檢測濃度可達100％，工作穩(wěn)定性好，使用壽命長，不存在觸媒老化的問題，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性等特性，這些優(yōu)良特性是許多氣體傳感器所不具備的。所以本文采用熱導(dǎo)式氣體傳感器對煤油蒸汽濃度進行檢測。同時針對測量結(jié)果存在著靈敏度低、檢測誤差大、溫度漂移大等缺點，提出溫度補償算法，針對測量出的濃度結(jié)果進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理來校對誤差從而得到準確的煤油蒸汽濃度值。

1 熱導(dǎo)氣體傳感器熱傳導(dǎo)原理

設(shè)傳感器的工作電流為I，電阻為r，傳感器的熱量僅由工作電流加熱功率轉(zhuǎn)換而來，即由傳熱學(xué)理論可知，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、熱輻射和熱對流。在傳感器的制作工藝上，為了減少電阻絲的軸向熱傳導(dǎo)，所用的電阻絲的長度與直徑之比一般為2000～3000以上，傳感器軸向傳導(dǎo)熱的影響可以忽略，因此傳感器熱量的損耗可用下式表示：■

式中，Qout1是由傳導(dǎo)損耗的熱量。

■

其中：λ為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；T為傳感器的溫度K；T0為周圍環(huán)境的溫度K；S為傳感器的表面積。

Qout2也是由熱輻射損耗的熱量，可由斯蒂芬-玻爾茲曼修正公式給出：■

其中：A為輻射系數(shù)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.668 67×10-12 W／(m2·K4)。

當(dāng)滿足熱平衡條件時，有：

■

即：■

2煤油蒸汽濃度測量原理

2.1熱導(dǎo)氣體傳感器測量原理

熱導(dǎo)式氣體傳感器檢測技術(shù)主要是以熱敏感元件為基礎(chǔ)的熱傳導(dǎo)式氣體濃度檢測方式，熱敏感類半導(dǎo)體材料依據(jù)不同可燃性氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與空氣的差異來實現(xiàn)測定氣體的濃度，通常利用電路將導(dǎo)熱系數(shù)的差異轉(zhuǎn)化為電阻的變化。

如圖所示，在熱導(dǎo)式氣體傳感器的內(nèi)部有兩個測量元件Vm和Vc：一個參比室和一個測量室，兩個元件的內(nèi)部分別張緊著細鉑絲，在參比室內(nèi)密封著參比（基準）氣體，而測量室可以進入待測的煤油蒸汽。

兩個鉑絲與外部定值電阻組合，形成一個惠斯頓電橋回路，恒定的電流分別流過各個鉑絲，使之發(fā)熱，在不存在可燃氣體的時候，這個回路是平衡的，因此產(chǎn)生“零”數(shù)值，即為零點，一旦測量室中的待測組分中發(fā)生濃度變化，則測量室中的熱導(dǎo)率會隨之變動，從而使測量室鉑絲的溫度發(fā)生變化。將這種溫度變化以電阻值變化的形式提取出來，在恒流供電中，電阻的變化則轉(zhuǎn)化為電壓的變化。檢測出電壓信號的變化就可計算出被煤油蒸汽的濃度。

2.2 測量結(jié)果與蒸汽濃度之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系的建立

根據(jù)電路和熱導(dǎo)元件與氣體濃度的熱體傳導(dǎo)關(guān)系我們可以建立以下的數(shù)學(xué)模型：

式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：I1為通過熱導(dǎo)元件的電流，Rm1為熱導(dǎo)傳感器的敏感元件電阻，Rm2為熱導(dǎo)傳感器的參考元件電阻， △T1敏感元件與環(huán)境溫度差， △T2參考元件與環(huán)境溫度差，C為煤油蒸汽的濃度，H為空氣熱損失系數(shù)。

通過推導(dǎo)得到式（9）和式（10）

這樣我們就得到了測量電壓與煤油蒸汽濃度之間的關(guān)系，建立了數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型。

3 煤油蒸汽濃度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

3.1 測量結(jié)果的誤差分析與處理

蒸汽濃度檢測的多種技術(shù)中，熱導(dǎo)傳感器的檢測方式是測量的精度較高，較易實現(xiàn)的方式，熱導(dǎo)傳感器屬于熱敏感性半導(dǎo)體器件，它有半導(dǎo)體的壽命長、不容易老化的特點，但由于半導(dǎo)體本身的特性限制極易引起的誤差，通過對測量結(jié)果的分析得到可能引起誤差的種類如下：

3.1.1硬件電路誤差 在對煤油蒸汽濃度測量時，運算放大器可能會產(chǎn)生噪聲引起誤差，在電路板上電后元器件工作產(chǎn)生的微小熱量對熱導(dǎo)傳感器的測量也會有相應(yīng)的影響，另外電路走線間的寄生電容對時間參數(shù)的影響也很大，虛焊或者漏焊都將影響整個電路的測量精度。這種誤差需要我們在制作電路板的時候給予注意。

3.1.2環(huán)境變化引起誤差 由于熱導(dǎo)傳感器是熱敏感類半導(dǎo)體元件，檢測儀的輸出會受外界環(huán)境的溫濕度、及大氣壓的影響，會干擾樣點的精度引起測量的偏差，給檢驗的結(jié)果帶來誤差。熱導(dǎo)傳感器極易受環(huán)境的影響產(chǎn)生零點漂移，本設(shè)計中提出了一種串接補償?shù)姆绞絹頊p小溫度引起的漂移。熱導(dǎo)元件的補償過程主要是在環(huán)境溫度為T時，調(diào)節(jié)R3使輸出 △V=0，完成電路在該時刻的標定，測量可得標定后熱導(dǎo)元件兩端的電壓Vm、Vc。當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)門x時，由于溫度對參數(shù)的影響，熱導(dǎo)元件兩端的電壓就會發(fā)生變化，設(shè)變化后的電壓值為Vmx和Vcx，由于兩個熱導(dǎo)元件的電壓系數(shù)不能完全相等，致使熱導(dǎo)元件兩端的電壓變化幅度不同使得輸出△V ≠0，破壞了標定時的平衡狀態(tài)。此時根據(jù)Vm、Vc、Vmx、Vcx之間的關(guān)系可計算出兩個熱導(dǎo)元件的電壓溫度系數(shù)，如果能使得補償后兩電壓變化系數(shù)相等即可達到新的平衡狀態(tài)，根據(jù)兩熱導(dǎo)元件的電壓溫度系數(shù)的關(guān)系，推導(dǎo)出兩種情況下的補償電阻值，將補償環(huán)節(jié)串接在待補償元件上，調(diào)節(jié)R3使此時的電路重新平衡，完成了對溫漂的補償。

3.2 測量結(jié)果的優(yōu)化處理

3.2.1數(shù)字濾波 為了去除測試環(huán)境的電磁干擾、傳感器和放大器自身的影響，本設(shè)計根據(jù)干擾信號的情況采用了防脈沖干擾滑動的平均值濾波，同時采用窄過渡帶大阻帶衰減比階數(shù)很高的低通濾波器設(shè)計消除以工頻干擾為主的低頻干擾和多種高頻干擾。

3.2.2信號線性化處理 為實現(xiàn)氣體濃度的精確測量，根據(jù)傳感器供應(yīng)商也提供了信號線性化處理的指數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型對信號線性化處理以滿足氣體濃度的精確測量的需要。

同時為減小熱導(dǎo)傳感器在環(huán)境溫度變化較大時溫度漂移對測量精度的影響，本設(shè)計通過分析熱導(dǎo)傳感器溫漂的原因，提出了以熱導(dǎo)元件兩端的電壓溫度系數(shù)為依據(jù)、以串接補償電阻的溫漂補償方法，確定了熱導(dǎo)元件電壓溫度系數(shù)與補償電阻值的關(guān)系，建立了熱導(dǎo)傳感器溫漂補償?shù)哪Ｐ?。按此方法進行實測，結(jié)果表明該補償方法有效降低了傳感器溫度漂移對測量精度的影響，為溫度敏感類傳感器溫漂補償提供了新的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，同時這種設(shè)計方法也適用于其他類型熱敏傳感器的溫漂補償。

4 結(jié)語

通過對煤油蒸汽熱傳遞特性和熱導(dǎo)元件的研究，我們得到了測量煤油蒸汽的新方法及其數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，為煤油蒸汽測量方面提供了更可靠、更具實際意義的依據(jù)，這種測量方法具有形式簡單、易于操作、成本低，精度高，響應(yīng)快等優(yōu)點，同時本文的設(shè)計方法也適用于其它類型氣體的測量。

參考文獻

[1]楊世銘,傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社[M].1999:1-36．

[2]EewardM,Zdanhewicz.氣體檢測原理及其應(yīng)用[J].傳感器世界,1998,1:16-26．

[3]黃賢武,鄭筱霞.傳感器實際應(yīng)用電路設(shè)計[M].電子科技大學(xué)出版社,1997.

[4]黃為勇,任子暉,童敏明.影響熱導(dǎo)傳感器氣體檢測性能的原因分析[J].計算機測量與控制,2004,12(10):1005-1007,1010．

[5]孫以材,孫新宇,劉淑花,等.用自平衡電橋法補償壓力傳感器靈敏度溫漂[J].傳感器世界,1999,5(3):36-41.

作者簡介：胡志剛，大慶市城管委，碩士研究生在職，研究方向：市政工程管理；通訊作者：杜博，哈爾濱電工儀表研究所，助理研究員，研究方向：傳感與安全技術(shù)檢測。

endprint

摘要：為了能夠穩(wěn)定和精準的測量煤油蒸汽濃度，通過對傳統(tǒng)的氣體濃度檢測的方法及其各自應(yīng)用的優(yōu)缺點的研究，本設(shè)計提出了采用基于熱導(dǎo)原理的蒸汽濃度檢測的新方法?；跓釋?dǎo)原理的煤油蒸汽濃度測量主要是根據(jù)不同濃度氣體的熱導(dǎo)率不同來設(shè)計的，通過研究熱導(dǎo)元件熱傳導(dǎo)系數(shù)與環(huán)境溫度和氣體濃度的關(guān)系，建立了熱導(dǎo)傳感器輸出信號與濃度的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并對測量結(jié)果進行誤差分析與優(yōu)化處理。按此方法進行實測，結(jié)果表明該方法滿足對煤油蒸汽濃度檢測的高精度要求。

關(guān)鍵詞：煤油蒸汽；熱導(dǎo)原理；熱傳導(dǎo)系數(shù)；濃度檢測

中圖分類號：TH813 文獻標識碼：A 文章編號： 1674-0432（2014）-11-92-2

煤油是生產(chǎn)和生活中常用的液態(tài)燃料，煤油不僅易燃，而且在一定條件下當(dāng)一定濃度的煤油蒸汽與空氣混合后會發(fā)生爆炸。研究煤油蒸汽發(fā)生爆炸濃度條件和控制煤油蒸汽濃度在安全范圍內(nèi)可避免危險事故發(fā)生。

熱導(dǎo)式氣體傳感器是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或器件。它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，由于其具有檢測范圍大，最高檢測濃度可達100％，工作穩(wěn)定性好，使用壽命長，不存在觸媒老化的問題，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性等特性，這些優(yōu)良特性是許多氣體傳感器所不具備的。所以本文采用熱導(dǎo)式氣體傳感器對煤油蒸汽濃度進行檢測。同時針對測量結(jié)果存在著靈敏度低、檢測誤差大、溫度漂移大等缺點，提出溫度補償算法，針對測量出的濃度結(jié)果進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理來校對誤差從而得到準確的煤油蒸汽濃度值。

1 熱導(dǎo)氣體傳感器熱傳導(dǎo)原理

設(shè)傳感器的工作電流為I，電阻為r，傳感器的熱量僅由工作電流加熱功率轉(zhuǎn)換而來，即由傳熱學(xué)理論可知，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、熱輻射和熱對流。在傳感器的制作工藝上，為了減少電阻絲的軸向熱傳導(dǎo)，所用的電阻絲的長度與直徑之比一般為2000～3000以上，傳感器軸向傳導(dǎo)熱的影響可以忽略，因此傳感器熱量的損耗可用下式表示：■

式中，Qout1是由傳導(dǎo)損耗的熱量。

■

其中：λ為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；T為傳感器的溫度K；T0為周圍環(huán)境的溫度K；S為傳感器的表面積。

Qout2也是由熱輻射損耗的熱量，可由斯蒂芬-玻爾茲曼修正公式給出：■

其中：A為輻射系數(shù)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.668 67×10-12 W／(m2·K4)。

當(dāng)滿足熱平衡條件時，有：

■

即：■

2煤油蒸汽濃度測量原理

2.1熱導(dǎo)氣體傳感器測量原理

熱導(dǎo)式氣體傳感器檢測技術(shù)主要是以熱敏感元件為基礎(chǔ)的熱傳導(dǎo)式氣體濃度檢測方式，熱敏感類半導(dǎo)體材料依據(jù)不同可燃性氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與空氣的差異來實現(xiàn)測定氣體的濃度，通常利用電路將導(dǎo)熱系數(shù)的差異轉(zhuǎn)化為電阻的變化。

如圖所示，在熱導(dǎo)式氣體傳感器的內(nèi)部有兩個測量元件Vm和Vc：一個參比室和一個測量室，兩個元件的內(nèi)部分別張緊著細鉑絲，在參比室內(nèi)密封著參比（基準）氣體，而測量室可以進入待測的煤油蒸汽。

兩個鉑絲與外部定值電阻組合，形成一個惠斯頓電橋回路，恒定的電流分別流過各個鉑絲，使之發(fā)熱，在不存在可燃氣體的時候，這個回路是平衡的，因此產(chǎn)生“零”數(shù)值，即為零點，一旦測量室中的待測組分中發(fā)生濃度變化，則測量室中的熱導(dǎo)率會隨之變動，從而使測量室鉑絲的溫度發(fā)生變化。將這種溫度變化以電阻值變化的形式提取出來，在恒流供電中，電阻的變化則轉(zhuǎn)化為電壓的變化。檢測出電壓信號的變化就可計算出被煤油蒸汽的濃度。

2.2 測量結(jié)果與蒸汽濃度之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系的建立

根據(jù)電路和熱導(dǎo)元件與氣體濃度的熱體傳導(dǎo)關(guān)系我們可以建立以下的數(shù)學(xué)模型：

式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：I1為通過熱導(dǎo)元件的電流，Rm1為熱導(dǎo)傳感器的敏感元件電阻，Rm2為熱導(dǎo)傳感器的參考元件電阻， △T1敏感元件與環(huán)境溫度差， △T2參考元件與環(huán)境溫度差，C為煤油蒸汽的濃度，H為空氣熱損失系數(shù)。

通過推導(dǎo)得到式（9）和式（10）

這樣我們就得到了測量電壓與煤油蒸汽濃度之間的關(guān)系，建立了數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型。

3 煤油蒸汽濃度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

3.1 測量結(jié)果的誤差分析與處理

蒸汽濃度檢測的多種技術(shù)中，熱導(dǎo)傳感器的檢測方式是測量的精度較高，較易實現(xiàn)的方式，熱導(dǎo)傳感器屬于熱敏感性半導(dǎo)體器件，它有半導(dǎo)體的壽命長、不容易老化的特點，但由于半導(dǎo)體本身的特性限制極易引起的誤差，通過對測量結(jié)果的分析得到可能引起誤差的種類如下：

3.1.1硬件電路誤差 在對煤油蒸汽濃度測量時，運算放大器可能會產(chǎn)生噪聲引起誤差，在電路板上電后元器件工作產(chǎn)生的微小熱量對熱導(dǎo)傳感器的測量也會有相應(yīng)的影響，另外電路走線間的寄生電容對時間參數(shù)的影響也很大，虛焊或者漏焊都將影響整個電路的測量精度。這種誤差需要我們在制作電路板的時候給予注意。

3.1.2環(huán)境變化引起誤差 由于熱導(dǎo)傳感器是熱敏感類半導(dǎo)體元件，檢測儀的輸出會受外界環(huán)境的溫濕度、及大氣壓的影響，會干擾樣點的精度引起測量的偏差，給檢驗的結(jié)果帶來誤差。熱導(dǎo)傳感器極易受環(huán)境的影響產(chǎn)生零點漂移，本設(shè)計中提出了一種串接補償?shù)姆绞絹頊p小溫度引起的漂移。熱導(dǎo)元件的補償過程主要是在環(huán)境溫度為T時，調(diào)節(jié)R3使輸出 △V=0，完成電路在該時刻的標定，測量可得標定后熱導(dǎo)元件兩端的電壓Vm、Vc。當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)門x時，由于溫度對參數(shù)的影響，熱導(dǎo)元件兩端的電壓就會發(fā)生變化，設(shè)變化后的電壓值為Vmx和Vcx，由于兩個熱導(dǎo)元件的電壓系數(shù)不能完全相等，致使熱導(dǎo)元件兩端的電壓變化幅度不同使得輸出△V ≠0，破壞了標定時的平衡狀態(tài)。此時根據(jù)Vm、Vc、Vmx、Vcx之間的關(guān)系可計算出兩個熱導(dǎo)元件的電壓溫度系數(shù)，如果能使得補償后兩電壓變化系數(shù)相等即可達到新的平衡狀態(tài)，根據(jù)兩熱導(dǎo)元件的電壓溫度系數(shù)的關(guān)系，推導(dǎo)出兩種情況下的補償電阻值，將補償環(huán)節(jié)串接在待補償元件上，調(diào)節(jié)R3使此時的電路重新平衡，完成了對溫漂的補償。

3.2 測量結(jié)果的優(yōu)化處理

3.2.1數(shù)字濾波 為了去除測試環(huán)境的電磁干擾、傳感器和放大器自身的影響，本設(shè)計根據(jù)干擾信號的情況采用了防脈沖干擾滑動的平均值濾波，同時采用窄過渡帶大阻帶衰減比階數(shù)很高的低通濾波器設(shè)計消除以工頻干擾為主的低頻干擾和多種高頻干擾。

3.2.2信號線性化處理 為實現(xiàn)氣體濃度的精確測量，根據(jù)傳感器供應(yīng)商也提供了信號線性化處理的指數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型對信號線性化處理以滿足氣體濃度的精確測量的需要。

同時為減小熱導(dǎo)傳感器在環(huán)境溫度變化較大時溫度漂移對測量精度的影響，本設(shè)計通過分析熱導(dǎo)傳感器溫漂的原因，提出了以熱導(dǎo)元件兩端的電壓溫度系數(shù)為依據(jù)、以串接補償電阻的溫漂補償方法，確定了熱導(dǎo)元件電壓溫度系數(shù)與補償電阻值的關(guān)系，建立了熱導(dǎo)傳感器溫漂補償?shù)哪Ｐ?。按此方法進行實測，結(jié)果表明該補償方法有效降低了傳感器溫度漂移對測量精度的影響，為溫度敏感類傳感器溫漂補償提供了新的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，同時這種設(shè)計方法也適用于其他類型熱敏傳感器的溫漂補償。

4 結(jié)語

通過對煤油蒸汽熱傳遞特性和熱導(dǎo)元件的研究，我們得到了測量煤油蒸汽的新方法及其數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，為煤油蒸汽測量方面提供了更可靠、更具實際意義的依據(jù)，這種測量方法具有形式簡單、易于操作、成本低，精度高，響應(yīng)快等優(yōu)點，同時本文的設(shè)計方法也適用于其它類型氣體的測量。

參考文獻

[1]楊世銘,傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社[M].1999:1-36．

[2]EewardM,Zdanhewicz.氣體檢測原理及其應(yīng)用[J].傳感器世界,1998,1:16-26．

[3]黃賢武,鄭筱霞.傳感器實際應(yīng)用電路設(shè)計[M].電子科技大學(xué)出版社,1997.

[4]黃為勇,任子暉,童敏明.影響熱導(dǎo)傳感器氣體檢測性能的原因分析[J].計算機測量與控制,2004,12(10):1005-1007,1010．

[5]孫以材,孫新宇,劉淑花,等.用自平衡電橋法補償壓力傳感器靈敏度溫漂[J].傳感器世界,1999,5(3):36-41.

作者簡介：胡志剛，大慶市城管委，碩士研究生在職，研究方向：市政工程管理；通訊作者：杜博，哈爾濱電工儀表研究所，助理研究員，研究方向：傳感與安全技術(shù)檢測。

endprint

摘要：為了能夠穩(wěn)定和精準的測量煤油蒸汽濃度，通過對傳統(tǒng)的氣體濃度檢測的方法及其各自應(yīng)用的優(yōu)缺點的研究，本設(shè)計提出了采用基于熱導(dǎo)原理的蒸汽濃度檢測的新方法?；跓釋?dǎo)原理的煤油蒸汽濃度測量主要是根據(jù)不同濃度氣體的熱導(dǎo)率不同來設(shè)計的，通過研究熱導(dǎo)元件熱傳導(dǎo)系數(shù)與環(huán)境溫度和氣體濃度的關(guān)系，建立了熱導(dǎo)傳感器輸出信號與濃度的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并對測量結(jié)果進行誤差分析與優(yōu)化處理。按此方法進行實測，結(jié)果表明該方法滿足對煤油蒸汽濃度檢測的高精度要求。

關(guān)鍵詞：煤油蒸汽；熱導(dǎo)原理；熱傳導(dǎo)系數(shù)；濃度檢測

中圖分類號：TH813 文獻標識碼：A 文章編號： 1674-0432（2014）-11-92-2

煤油是生產(chǎn)和生活中常用的液態(tài)燃料，煤油不僅易燃，而且在一定條件下當(dāng)一定濃度的煤油蒸汽與空氣混合后會發(fā)生爆炸。研究煤油蒸汽發(fā)生爆炸濃度條件和控制煤油蒸汽濃度在安全范圍內(nèi)可避免危險事故發(fā)生。

熱導(dǎo)式氣體傳感器是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或器件。它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，由于其具有檢測范圍大，最高檢測濃度可達100％，工作穩(wěn)定性好，使用壽命長，不存在觸媒老化的問題，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性等特性，這些優(yōu)良特性是許多氣體傳感器所不具備的。所以本文采用熱導(dǎo)式氣體傳感器對煤油蒸汽濃度進行檢測。同時針對測量結(jié)果存在著靈敏度低、檢測誤差大、溫度漂移大等缺點，提出溫度補償算法，針對測量出的濃度結(jié)果進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理來校對誤差從而得到準確的煤油蒸汽濃度值。

1 熱導(dǎo)氣體傳感器熱傳導(dǎo)原理

設(shè)傳感器的工作電流為I，電阻為r，傳感器的熱量僅由工作電流加熱功率轉(zhuǎn)換而來，即由傳熱學(xué)理論可知，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、熱輻射和熱對流。在傳感器的制作工藝上，為了減少電阻絲的軸向熱傳導(dǎo)，所用的電阻絲的長度與直徑之比一般為2000～3000以上，傳感器軸向傳導(dǎo)熱的影響可以忽略，因此傳感器熱量的損耗可用下式表示：■

式中，Qout1是由傳導(dǎo)損耗的熱量。

■

其中：λ為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；T為傳感器的溫度K；T0為周圍環(huán)境的溫度K；S為傳感器的表面積。

Qout2也是由熱輻射損耗的熱量，可由斯蒂芬-玻爾茲曼修正公式給出：■

其中：A為輻射系數(shù)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.668 67×10-12 W／(m2·K4)。

當(dāng)滿足熱平衡條件時，有：

■

即：■

2煤油蒸汽濃度測量原理

2.1熱導(dǎo)氣體傳感器測量原理

熱導(dǎo)式氣體傳感器檢測技術(shù)主要是以熱敏感元件為基礎(chǔ)的熱傳導(dǎo)式氣體濃度檢測方式，熱敏感類半導(dǎo)體材料依據(jù)不同可燃性氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與空氣的差異來實現(xiàn)測定氣體的濃度，通常利用電路將導(dǎo)熱系數(shù)的差異轉(zhuǎn)化為電阻的變化。

如圖所示，在熱導(dǎo)式氣體傳感器的內(nèi)部有兩個測量元件Vm和Vc：一個參比室和一個測量室，兩個元件的內(nèi)部分別張緊著細鉑絲，在參比室內(nèi)密封著參比（基準）氣體，而測量室可以進入待測的煤油蒸汽。

兩個鉑絲與外部定值電阻組合，形成一個惠斯頓電橋回路，恒定的電流分別流過各個鉑絲，使之發(fā)熱，在不存在可燃氣體的時候，這個回路是平衡的，因此產(chǎn)生“零”數(shù)值，即為零點，一旦測量室中的待測組分中發(fā)生濃度變化，則測量室中的熱導(dǎo)率會隨之變動，從而使測量室鉑絲的溫度發(fā)生變化。將這種溫度變化以電阻值變化的形式提取出來，在恒流供電中，電阻的變化則轉(zhuǎn)化為電壓的變化。檢測出電壓信號的變化就可計算出被煤油蒸汽的濃度。

2.2 測量結(jié)果與蒸汽濃度之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系的建立

根據(jù)電路和熱導(dǎo)元件與氣體濃度的熱體傳導(dǎo)關(guān)系我們可以建立以下的數(shù)學(xué)模型：

式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：I1為通過熱導(dǎo)元件的電流，Rm1為熱導(dǎo)傳感器的敏感元件電阻，Rm2為熱導(dǎo)傳感器的參考元件電阻， △T1敏感元件與環(huán)境溫度差， △T2參考元件與環(huán)境溫度差，C為煤油蒸汽的濃度，H為空氣熱損失系數(shù)。

通過推導(dǎo)得到式（9）和式（10）

這樣我們就得到了測量電壓與煤油蒸汽濃度之間的關(guān)系，建立了數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型。

3 煤油蒸汽濃度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

3.1 測量結(jié)果的誤差分析與處理

蒸汽濃度檢測的多種技術(shù)中，熱導(dǎo)傳感器的檢測方式是測量的精度較高，較易實現(xiàn)的方式，熱導(dǎo)傳感器屬于熱敏感性半導(dǎo)體器件，它有半導(dǎo)體的壽命長、不容易老化的特點，但由于半導(dǎo)體本身的特性限制極易引起的誤差，通過對測量結(jié)果的分析得到可能引起誤差的種類如下：

3.1.1硬件電路誤差 在對煤油蒸汽濃度測量時，運算放大器可能會產(chǎn)生噪聲引起誤差，在電路板上電后元器件工作產(chǎn)生的微小熱量對熱導(dǎo)傳感器的測量也會有相應(yīng)的影響，另外電路走線間的寄生電容對時間參數(shù)的影響也很大，虛焊或者漏焊都將影響整個電路的測量精度。這種誤差需要我們在制作電路板的時候給予注意。

3.1.2環(huán)境變化引起誤差 由于熱導(dǎo)傳感器是熱敏感類半導(dǎo)體元件，檢測儀的輸出會受外界環(huán)境的溫濕度、及大氣壓的影響，會干擾樣點的精度引起測量的偏差，給檢驗的結(jié)果帶來誤差。熱導(dǎo)傳感器極易受環(huán)境的影響產(chǎn)生零點漂移，本設(shè)計中提出了一種串接補償?shù)姆绞絹頊p小溫度引起的漂移。熱導(dǎo)元件的補償過程主要是在環(huán)境溫度為T時，調(diào)節(jié)R3使輸出 △V=0，完成電路在該時刻的標定，測量可得標定后熱導(dǎo)元件兩端的電壓Vm、Vc。當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)門x時，由于溫度對參數(shù)的影響，熱導(dǎo)元件兩端的電壓就會發(fā)生變化，設(shè)變化后的電壓值為Vmx和Vcx，由于兩個熱導(dǎo)元件的電壓系數(shù)不能完全相等，致使熱導(dǎo)元件兩端的電壓變化幅度不同使得輸出△V ≠0，破壞了標定時的平衡狀態(tài)。此時根據(jù)Vm、Vc、Vmx、Vcx之間的關(guān)系可計算出兩個熱導(dǎo)元件的電壓溫度系數(shù)，如果能使得補償后兩電壓變化系數(shù)相等即可達到新的平衡狀態(tài)，根據(jù)兩熱導(dǎo)元件的電壓溫度系數(shù)的關(guān)系，推導(dǎo)出兩種情況下的補償電阻值，將補償環(huán)節(jié)串接在待補償元件上，調(diào)節(jié)R3使此時的電路重新平衡，完成了對溫漂的補償。

3.2 測量結(jié)果的優(yōu)化處理

3.2.1數(shù)字濾波 為了去除測試環(huán)境的電磁干擾、傳感器和放大器自身的影響，本設(shè)計根據(jù)干擾信號的情況采用了防脈沖干擾滑動的平均值濾波，同時采用窄過渡帶大阻帶衰減比階數(shù)很高的低通濾波器設(shè)計消除以工頻干擾為主的低頻干擾和多種高頻干擾。

3.2.2信號線性化處理 為實現(xiàn)氣體濃度的精確測量，根據(jù)傳感器供應(yīng)商也提供了信號線性化處理的指數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型對信號線性化處理以滿足氣體濃度的精確測量的需要。

同時為減小熱導(dǎo)傳感器在環(huán)境溫度變化較大時溫度漂移對測量精度的影響，本設(shè)計通過分析熱導(dǎo)傳感器溫漂的原因，提出了以熱導(dǎo)元件兩端的電壓溫度系數(shù)為依據(jù)、以串接補償電阻的溫漂補償方法，確定了熱導(dǎo)元件電壓溫度系數(shù)與補償電阻值的關(guān)系，建立了熱導(dǎo)傳感器溫漂補償?shù)哪Ｐ?。按此方法進行實測，結(jié)果表明該補償方法有效降低了傳感器溫度漂移對測量精度的影響，為溫度敏感類傳感器溫漂補償提供了新的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，同時這種設(shè)計方法也適用于其他類型熱敏傳感器的溫漂補償。

4 結(jié)語

通過對煤油蒸汽熱傳遞特性和熱導(dǎo)元件的研究，我們得到了測量煤油蒸汽的新方法及其數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，為煤油蒸汽測量方面提供了更可靠、更具實際意義的依據(jù)，這種測量方法具有形式簡單、易于操作、成本低，精度高，響應(yīng)快等優(yōu)點，同時本文的設(shè)計方法也適用于其它類型氣體的測量。

參考文獻

[1]楊世銘,傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社[M].1999:1-36．

[2]EewardM,Zdanhewicz.氣體檢測原理及其應(yīng)用[J].傳感器世界,1998,1:16-26．

[3]黃賢武,鄭筱霞.傳感器實際應(yīng)用電路設(shè)計[M].電子科技大學(xué)出版社,1997.

[4]黃為勇,任子暉,童敏明.影響熱導(dǎo)傳感器氣體檢測性能的原因分析[J].計算機測量與控制,2004,12(10):1005-1007,1010．

[5]孫以材,孫新宇,劉淑花,等.用自平衡電橋法補償壓力傳感器靈敏度溫漂[J].傳感器世界,1999,5(3):36-41.

作者簡介：胡志剛，大慶市城管委，碩士研究生在職，研究方向：市政工程管理；通訊作者：杜博，哈爾濱電工儀表研究所，助理研究員，研究方向：傳感與安全技術(shù)檢測。

endprint