热导传感器在氢气测量中的影响因素研究

凌云峰,杨 楠,文吉延,刘 玺,孙延玉

(1.中国电子科技集团公司第四十九研究所 科研生产保障部,黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

随着化石燃料的日渐枯竭及环境污染问题的凸显，氢气、水、太阳能等可再生能源[1]的使用逐渐成为人们研究和关注的课题。随着科技的发展，氢气作为原料的燃料电池在汽车、核电等领域的应用日益广泛，同时对高纯氢气的需求量也急剧增加。随着氢气的广泛应用，氢气在制备、运输、储存和利用[2]四个环节中构成的潜在威胁也不容忽视。氢气分子小，极易发生泄漏[3]，同时氢气的爆炸限极宽，为4%～75%VOL，极易发生泄漏和爆炸[4]，因此，对氢气泄露的测量成为亟需解决的问题，高性能氢气传感器的研究也备受关注。

目前，市场上推出了一些基于催化燃烧[5]、半导体[6]、电化学[7]等原理的氢气传感器，但各种传感器都是基于化学反应进行氢气浓度检测，导致传感器敏感元件的材料发生物理或化学变化，从而导致传感器使用寿命短、漂移量大、校准周期短等。热导传感器是一种热效应传感器，在测试过程中，不与待测气体发生化学反应，避免了化学反应引起的材料变化，因此它输出稳定，漂移量小。冯洋等对热导传感器的信号调理电路和对甲烷气体浓度的检测进行了研究，发现热导传感器可用于甲烷气体的检测[8]；钱江蓉等研制了一种新型热导式氧传感器并用于待测气氛中氧气的测量[9]；曾庆喜等设计了基于热导原理的氢浓度检测仪，可用于检测气氛中的氢气浓度[10]。热导传感器具有检测精度低，温度漂移大，受环境温度、湿度变化影响大的缺点[11]，目前国内外研究人员并未针对外界环境对测量准确度的影响进行系统研究，因此本文拟通过环境试验对热导传感器的测试影响因素进行探索，并寻找提高传感器测试准确度的方案。

1 工作原理

导热系数(又称“热导率”)是物质的重要物理性质之一，与物质的分子结构有关。不同的气体有不同的分子结构，便有不同的导热系数。

对于彼此之间无化学作用的多组分混合气体来说，导热系数可近似的视作组成混合气体的各种气体导热系数的加权平均值。当混合气体中的某种气体的浓度发生变化时，混合气体的导热系数也随之发生变化。与其他气体相比，氢气具有较高的导热系数(1.75×10-5W/m·K)，几乎是空气的五倍，因此，在含有氢气的混合气体中，氢气浓度发生变化时，会导致混合气体的导热系数发生较大的变化，进而引起混合气体的导热系数发生较大变化[8]。

在其他气体组分相对稳定时，设定待测气体(氢气)的导热系数为λ1，其他气体的导热系数为λ2，则混合气体导热系数公式见公式(1)

λ=λ1×Ф1+λ2×(1-Ф1)=λ2+Ф1(λ1-λ2)

(1)

式中λ1和λ2——待测气体和其他气体的导热系数;

Ф1——混合气体中待测气体的浓度(体积分数)。

由公式可知，混合气体的导热系数与待测气体的浓度间存在线性关系。因此，可以通过热导原理的传感器对混合气体中的某种待测气体的浓度进行实时检测。

TCS208F热导传感器是由德国HLP公司采用硅微加工工艺生产的一款传感器，内部结构如图1所示，内置两个测温电阻(Rm1、Rm2)和两个补偿电阻(Rt1、Rt2)，其中测温电阻位于顶层硅片上，并位于顶层硅片和中层硅片之间的腔室顶部，阻值随测量电阻本身温度的变化而变化；补偿电阻位于中层硅片上，直接暴露在大气环境中，可起到一定程度的环境补偿作用。四个电阻可通过引线按图2的连接方式与外接电阻组成电桥。通过电桥可给测温电阻和补偿电阻施加一定的电压，使测温电阻和补偿电阻产生热量，温度升高，高于周围环境的温度，并通过热扩散的形式向周围环境传热[10]。

图1 热导传感器内部封装结构图

图2 热导传感器电桥电路图

当传感器测量电阻和补偿电阻周围环境的气体恒定时，环境气体的导热系数恒定，传感器会通过自身加热和热扩散达到热平衡状态，当气氛中的某一种气体(如氢气)的组分发生变化时，环境气体的导热系数发生变化，则传感器对外扩散的热量发生变化，便会形成新的热平衡状态。热平衡状态的改变会影响测温电阻的温度，从而影响测温电阻的阻值。即当环境中待测气体浓度发生变化时，Rm1和Rm2的电阻值会发生较大的变化，进而引起桥路电压变化，通过电压的变化可实现对待测气体的测量。

2 实验方案

在环境气体相对稳定的前提下，为获得流量、温度、湿度等环境参数对热导传感器在氢气测量时的影响数据，并实现公式补偿，将配置好测试电路的3只传感器安装在测试管道中，并将测试管道置于恒温箱中，管道进气口端连接流量计和气源，出气口端连接温湿度传感器。设定供电电压为(12±0.2)V，氢气浓度为0%(空气)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%五个浓度点，并进行如下实验。

(1)设定恒温箱为25℃，在0～1 000 ml/min的流量区间内取100 ml/min、300 ml/min、500 ml/min、800 ml/min、1 000 ml/min五个流量点，测定各流量时各浓度点的输出电压。

(2)设定流量为800 ml/min，在5～40℃的温度区间内取5℃、15℃、25℃、33℃和40℃五个温度点，测定各温度点时各浓度点的输出电压。

(3)设定恒温箱为40℃，在(0～52.5)g/m3的湿度区间内取3.2 g/m3、12.6 g/m3、22.8 g/m3、33.2 g/m3、41.6 g/m3、49.4 g/m3六个绝对湿度点，测定各湿度点时各浓度点的输出电压。

3 结果分析

3.1 流量测试数据分析

图3给出了热导传感器在各浓度点的输出电压随流量变化的曲线。

图3 各浓度点的输出电压随流量变化曲线

由图3可知，当流经传感器的气体的流量发生变化时，传感器在各浓度点的输出基本不变，说明流经传感器的气体流量对传感器的输出无影响，可推测热导传感器采用的是扩散型进气方式，气体流量对测量几乎无影响。

3.2 温度测试数据分析

图4和图5分别给出了热导传感器在空气状态下零点输出及灵敏度随温度变化的曲线。

图4 零点输出随温度变化曲线

图5 灵敏度随温度变化曲线

由图4可知，传感器零点输出随温度变化有一定程度的变化，这是因为随着温度变化，气体的导热系数也对应发生变化。由图5可知，随着温度的升高，传感器的灵敏度呈线性递增趋势。这说明温度对热导传感器的影响是可以进行公式补偿的。

3.3 湿度测试数据分析

图6给出了传感器在40℃温度条件下各浓度点输出电压随绝对湿度变化的曲线。

图6 各浓度点的输出电压随绝对湿度变化曲线

由图6可知，热导传感器在各浓度点的输出随绝对湿度的增加线性递增，说明湿度对热导传感器的影响是可以进行公式补偿的。

3.4 多参数补偿公式推导及验证

对实验测试数据进行处理，做浓度对电压的曲线，为一条直线，得常数项a、b，浓度电压公式见公式(2)

C=a×u+b

(2)

做常数项a、b对绝对湿度的曲线，为一条直线，得常数项a1、a2、b1、b2；浓度对电压和湿度的公式见公式(3)

C=(a1×r+a2)×u+(b1×r+b2)

(3)

做常数项a1、a2、b1、b2对温度的曲线，为二次项曲线，得常数项a11、a12、a13、a21、a22、a23……，浓度对电压、湿度和温度的公式见公式(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——气氛的绝对湿度值/g·m-3；

u——传感器输出电压/V；

t——温度/℃。

将各温度值、各绝对湿度值、各电压值分别代入公式(4)，求取传感器的理论浓度值CL，分别与实际标准氢气浓度值C0进行比较，按公式(5)求取传感器的准确度λ(满量程的百分比，%FS)

λ(%)=(CL-C0)×100/2

(5)

通过实验，获得三只传感器在各温度点的各绝对湿度点时的各浓度点的测试数据，将该测试数据分别按公式(2)和公式(4)求取环境气氛中氢气的理论浓度值，并代入公式(5)，分别求取没有多参数补偿和有多参数补偿时各浓度点的准确度。由准确度数据可知，通过多参数补偿的引入，传感器在各环境条件下的准确度由补偿前的不小于10%FS，提高到补偿后的±3%FS之间，极大地提高了传感器的准确度和环境适应性。

4 结论

通过对热导传感器在氢气测量中的影响因素研究得出如下结论：

(1)热导传感器采用的是扩散型进气方式，气体流量对测量几乎无影响。

(2)环境温度变化对传感器灵敏度有影响，灵敏度随环境温度的升高呈线性递增趋势；

(3)各浓度点的输出随绝对湿度的增加线性递增；

(4)通过温度、湿度多参数补偿，使传感器在各温度、各湿度、各浓度点的准确度由10%FS以上减小到±3%FS之间，极大地提高了传感器的准确度和环境适应性。