基于微流热导的气体分析仪设计与研究

陈明奇,程明霄,刘 虎,陆春宇，刘宏飞

(1.南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京 211816;2.南京分析仪器厂有限公司,江苏南京 210039)

0 引言

设计的气体分析仪以热导传感器为基础，检测样品气体的组分含量。图1为仪器的组成示意框图。样品气体经过预处理后送入微流传感器中，传感器变化的电压信号经调理电路送入单片机转换为数字信号并进行数据处理，同时单片机控制传感器的外部温控电路，以确保传感器测量时温度恒定。最终将处理好的数据通过界面进行显示，仪器配有键盘，实现人机对话，改变操作参数，适应用户对不同组分和不同组分含量的分析检测要求。分析仪具有灵敏度高，响应快，精度高，长期稳定的特性。由于分析仪体积小，便于携带，适于现场取样和工业在线检测。

图1 分析仪器流程图

1 样品流路的设计

用于工业装置中的流程气体受运行环境影响，往往含有颗粒，水份等杂质。必须经过预处理后才能送入微流传感器。所设计预处理模块的主要包括如下功能：

(1)粗脱水处理。在使用过程中，检测气体中若含有水分，会腐蚀微流传感器的管道，影响使用寿命，存在安全隐患，故使用干燥剂进行气体脱水处理。

(2)除杂质处理。待测气体中通常混有少量的杂质气体，由于热导分析仪以热导系数为基准点，混入杂质气体的热导系数与检测气体的不同，影响测量结果的准确性，故采用脱氧剂、脱氯剂等配以催化剂，进行杂质气体的处理。

(3)细脱水和细除杂处理。再次使用脱水和除杂方法，确保待测气体中不含有杂质气体和水分。

(4)样品流量的恒定与调节。在工业生产中，当送入在线分析仪的待测气体流量不恒定时，往往影响传感器的正常检测。因此在仪器上设计了样品气体的流量调节和稳定环节。同时在检测回路设计上采取措施，以减小分析流量微小变化对于检测精度的影响。

2 检测原理与传感器选择

2.1 检测原理

由多种气体组成的混合气体，且彼此无化学反应，其热导系数约为各个组分热导系数的算术平均值，即

λ=λ1C1+λ2C2+…+λnCn

式中：λ为混合气体的热导系数；λi为各组分的热导系数，Ci为各组分的体积含量。

当混合气体中的某一种气体的含量发生变化时，混合气体的热导系数必然变化。当待测气体为单一组分气体，且背景气体为氮气时，其热导系数分别为λ1，λ2，气体分数为C1,C2，由上式得，该待测气体的热导系数为：

λ=λ1C1+λ2C2

由于C1+C2=1,得待测气体的体积含量C1为：

C1=(λ-λ2)/(λ1-λ2)

因此，通过检测气体的热导系数，即可计算出气体的组分含量[1-2]。

2.2 传感器选择

该分析仪选用的传感器为TCS208F，是一款新型微流传感器。如图2所示，传感器上的4个电阻Rm1，Rm2，Rt1和Rt2分别连接到TO8底座的8个引脚上。由电热隔离材料做成的薄膜中包含了2个带状电阻(Rm1,Rm2)，用于对薄膜加热，使薄膜温度不受气体热导系数影响。热敏电阻(Rt1，Rt2)用于测量和补偿因环境温度的变化而对传感器产生的影响，为避免气体腐蚀，电阻和接线都进行钝化处理[3]。整个薄膜覆盖于上层方形槽中，待测气体通过气室2上方薄膜的开口以扩散方式进入气室1中，与传感器充分接触。传感器将检测信号输出[4-5]。图3为传感器横截面示意图。

图2 TCS208F管脚分配

图3 TCS208F横截面

3 热导传感器及信号调理

3.1 热导传感器模块设计

如图4所示，该传感器模块为4 cm3的不锈钢刚体结构，不锈钢具有防腐蚀功能，保证传感器在相对恶劣的环境中使用，整个刚体能维持传感器模块内部温度恒定，便于温度控制。通气细管通过法兰和密封圈与刚体连接，使模块具有良好的气密性。刚体两侧各安装一个固定支架接口，固定在分析仪内部，防止模块抖动。加热芯片紧贴刚体表面，温度传感器测量刚体表面温度，并实时将温度值传送至单片机处理，单片机采用PID算法，通过PWM调节实现对加热芯片控制，进一步控制模块温度。微流传感器嵌入刚体上方，通过密封圈和螺丝固定，确保模块密闭性。正常工作状态下，气体流入气室，少量气体进入反应气室，由于气体热导系数不同，与传感器接触时带走的热量不同，从而使温度补偿电阻改变，输出的信号发生变化。

图4 热导传感器剖面示意

3.2 信号采集电路

传统热导传感器测量值随温度波动较大，该传感器根据通入气体浓度含量的不同改变工作电流，使温度保持恒定。薄膜加热电阻Rm1，Rm2串联接入两个放大器AD8622之间，选择一个热敏电阻Rt1作为第一级放大电路的负反馈，两个放大器形成一个正反馈回路。电压增益由Rm1+Rm2和Rt1上电流和电压的非线性以及传感器温度和气体热传导系数共同决定。第一级放大电路后的二极管IN4148决定了输出电压的极性[6-7]。采样电路见图5。

图5 采样电路

3.3 信号放大电路

热导分析仪以气体热导系数不同为基础，从而检测气体的组分含量。氮气作为背景气体，根据热导系数差值大小分两种情况：当待测气体的热导系数与背景气体的差值较大时，如氢气，检测值与参考电压构成加法电路输出的值较大，根据单片机的输入电压范围，选择较小的放大倍数；当待测气体的热导系数与背景气体的接近时，如一氧化碳、二氧化碳、氧气等，构成的加法电路输出值较小，需适当增大放大倍数。根据热导系数大小分为2种情况：当待测气体的热导系数大于背景气体时，加法电路输出为正电压，下一级采用电压跟随电路；当待测气体的热导系数小于背景气体时，加法电路输出为负电压，下一级采用电压反向电路。考虑到上述情况，采用如图6所示的电路，使用单片机控制继电器，根据不同的检测气体，通过仪表键盘设定相应的放大倍数和电压跟随方式，使输出的电压值在额定范围内。

图6 放大电路示意图

3.4 温控电路

为使传感器工作在额定温度，需要对传感器进行加热和温度控制。温控电路见图7。加热芯片通过固态继电器与24 V电源相连，紧贴在传感器模块上的温度传感器Tsic306将温度数据实时传送至单片机，单片机控制固态继电器的导通时间来改变加热芯片的功率，从而达到调节温度的目的。该温控电路稳定性能较好，与额定温度的差值小于0.1℃．

图7 温控电路示意图

3.5 嵌入式单片机系统

采用80C196系列单片机，传感器将变化的信号经放大电路处理后通过A/D转换送至单片机，单片机将信号进行存储，并通过RS485方式进行远程传输，使分析仪实现在线测量和远程通信。温度传感器将检测数据送至单片机，使其对加热模块进行控制。时钟信号记录采样值的采样时间，方便对数据分析和设备维护。建立良好的人机界面，可进行温控设定、气体量程设置、实时数据显示和历史数据查询等操作。软件中设置了加密的传输协议，防止信息泄露。

图8 单片机系统示意图

4 仪器调试与实验分析

4.1 温度对分析仪的影响

温度的改变会引起气体热导系数的改变，而热导系数的变化直接决定了分析仪测量值，且连续的温度变化会造成测量精确度的下降。因此，保持分析仪温度恒定是检测的基础。通过实验数据得出结论，温度控制对分析仪影响较大。未进行温度控制时，测量同种单组分气体，测量结果变化范围较大，无法进行数据精确测量；当进行温度控制且测量同种单组分气体时，测量的结果变化范围小，得到测量值较为准确，测量精度明显提高。气体热导系数随温度的变化关系式为：

λt=λ0(1+βt)

式中：λt为t℃时的热导系数；β为热导系数的温度系数;λ0为0 ℃时的温度系数[8]。

不同温控条件下，有不同的温度系数，温度较高时，实验得到的结果更为准确，分析仪测量气体的精度更高。从安全性能考虑，检测温度不宜过高，故选择在50 ℃左右。

4.2 样气流量对分析仪的影响

工业生产过程中，气体在线测量无法保证气体的流量恒定，而波动的流量会对在线分析的准确性产生影响，实验中，调节流量阀门，分别对恒定流量和波动流量进行实验，通过实验数据可得，两种情况下所得数据基本吻合，流量的波动对实验结果影响可忽略，该分析仪适合气体的在线检测。

表1 温度对分析仪的影响 V

表2 流量对分析仪的影响 V

4.3 H2的全量程测量

H2对于工业生产极为重要，而对于H2的在线准确检测关乎工业生产的效率及安全。常规的H2分析仪可对某一量程进行检测，该分析仪可对H2进行全量程的准确检测。测量结果如下，由于H2的热导率与N2相差较大，故测量结果较为明显，在低浓度和较高浓度测量时，测量值与H2标准样气含量值呈现非线性关系，其余情况下两者呈现线性关系。在电阻阻值不同情况下进行多组实验，得到的曲线较为相似，上述结论正确，将非线性关系在单片机中处理，实现H2的全量程检测。以上结果便于厂家的批量生产和加工，对工业生产和在线检测具有一定意义。

表3 H2的全量程测量

4.4 CO2与的测量

CO2与CO在工业中同样应用广泛，该分析仪也可对上述气体进行检测，由于两种气体的热导系数与N2较为接近，故所得测量结果与N2时差值不大，通过实验得到的数据与实际相符。对于CO2的测量，该分析仪可对高浓度含量的气体进行检测并具有良好的准确性，可进一步调整参数值，实现全量程测量；CO的热导率与N2更为接近，两者的测量值基本相同，该分析仪具有较高精度，可检测出两者的差值，可进一步对微量气体的浓度进行检测分析。由于其热导系数大于N2且两者差值微小，需要逐步的进行放大和调理。

表4 CO2与CO的测量

上述实验均采用实验室标准样气，对特定含量的气体进行检测，为得到全量程数据，需对各体积分数的气体进一步测量。该分析仪可对CH4，NH3等进行在线检测。

5 结论

微流量热导分析仪克服了传统分析仪温漂大、补偿困难的缺点，实现了单组分气体浓度的全量程在线检测和远程控制，为多组分气体含量的研究奠定基础。该分析仪在工业生产中具有一定的现实意义和广阔的应用前景。

参考文献：

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