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用的優(yōu)缺點的研究，本設計提出了采用基于熱導原理的蒸汽濃度檢測的新方法。基于熱導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率不同來設計的，通過研究熱導元件熱傳導系數(shù)與環(huán)境溫度和氣體濃度的關系，建立了熱導傳感器輸出信號與濃度的關系的數(shù)學模型，并對測量結果進行誤差分析與優(yōu)化處理。按此方法進行實測，結果表明該方法滿足對煤油蒸汽濃度檢測的高精度要求。

關鍵詞：煤油蒸汽；熱導原理；熱傳導系數(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可避免危險事故發(fā)生。

熱導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的信息轉換成電信號，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。所以本文采用熱導式氣體傳感器對煤油蒸汽濃度進行檢測。同時針對測量結果存在著靈敏度低、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果進行相關數(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 熱導氣體傳感器熱傳導原理

設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換而來，即由傳熱學理論可知，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導（導熱）、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，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是由傳導損耗的熱量。

■

其中：λ為氣體的導熱系數(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熱導氣體傳感器測量原理

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

如圖所示，在熱導式氣體傳感器的內部有兩個測量元件Vm和Vc：一個參比室和一個測量室，兩個元件的內部分別張緊著細鉑絲，在參比室內密封著參比（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 測量結果與蒸汽濃度之間的數(shù)學模型關系的建立

根據(jù)電路和熱導元件與氣體濃度的熱體傳導關系我們可以建立以下的數(shù)學模型：

式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：I1為通過熱導元件的電流，Rm1為熱導傳感器的敏感元件電阻，Rm2為熱導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系，建立了數(shù)據(jù)處理的數(shù)學模型。

3 煤油蒸汽濃度測量結果的數(shù)據(jù)處理

3.1 測量結果的誤差分析與處理

蒸汽濃度檢測的多種技術中，熱導傳感器的檢測方式是測量的精度較高，較易實現(xiàn)的方式，熱導傳感器屬于熱敏感性半導體器件，它有半導體的壽命長、不容易老化的特點，但由于半導體本身的特性限制極易引起的誤差，通過對測量結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生噪聲引起誤差，在電路板上電后元器件工作產生的微小熱量對熱導傳感器的測量也會有相應的影響，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 由于熱導傳感器是熱敏感類半導體元件，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，給檢驗的結果帶來誤差。熱導傳感器極易受環(huán)境的影響產生零點漂移，本設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。熱導元件的補償過程主要是在環(huán)境溫度為T時，調節(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元件兩端的電壓Vm、Vc。當環(huán)境溫度變?yōu)門x時，由于溫度對參數(shù)的影響，熱導元件兩端的電壓就會發(fā)生變化，設變化后的電壓值為Vmx和Vcx，由于兩個熱導元件的電壓系數(shù)不能完全相等，致使熱導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之間的關系可計算出兩個熱導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)兩熱導元件的電壓溫度系數(shù)的關系，推導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)傳感器供應商也提供了信號線性化處理的指數(shù)關系的數(shù)學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，本設計通過分析熱導傳感器溫漂的原因，提出了以熱導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，確定了熱導元件電壓溫度系數(shù)與補償電阻值的關系，建立了熱導傳感器溫漂補償?shù)哪Ｐ?。按此方法進行實測，結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計思路和實現(xiàn)方法，同時這種設計方法也適用于其他類型熱敏傳感器的溫漂補償。

4 結語

通過對煤油蒸汽熱傳遞特性和熱導元件的研究，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，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，響應快等優(yōu)點，同時本文的設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[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用[J].傳感器世界,1998,1:16-26．

[3]黃賢武,鄭筱霞.傳感器實際應用電路設計[M].電子科技大學出版社,1997.

[4]黃為勇,任子暉,童敏明.影響熱導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用的優(yōu)缺點的研究，本設計提出了采用基于熱導原理的蒸汽濃度檢測的新方法?；跓釋г淼拿河驼羝麧舛葴y量主要是根據(jù)不同濃度氣體的熱導率不同來設計的，通過研究熱導元件熱傳導系數(shù)與環(huán)境溫度和氣體濃度的關系，建立了熱導傳感器輸出信號與濃度的關系的數(shù)學模型，并對測量結果進行誤差分析與優(yōu)化處理。按此方法進行實測，結果表明該方法滿足對煤油蒸汽濃度檢測的高精度要求。

關鍵詞：煤油蒸汽；熱導原理；熱傳導系數(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可避免危險事故發(fā)生。

熱導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的信息轉換成電信號，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。所以本文采用熱導式氣體傳感器對煤油蒸汽濃度進行檢測。同時針對測量結果存在著靈敏度低、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果進行相關數(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 熱導氣體傳感器熱傳導原理

設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換而來，即由傳熱學理論可知，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導（導熱）、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，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是由傳導損耗的熱量。

■

其中：λ為氣體的導熱系數(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熱導氣體傳感器測量原理

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

如圖所示，在熱導式氣體傳感器的內部有兩個測量元件Vm和Vc：一個參比室和一個測量室，兩個元件的內部分別張緊著細鉑絲，在參比室內密封著參比（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 測量結果與蒸汽濃度之間的數(shù)學模型關系的建立

根據(jù)電路和熱導元件與氣體濃度的熱體傳導關系我們可以建立以下的數(shù)學模型：

式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：I1為通過熱導元件的電流，Rm1為熱導傳感器的敏感元件電阻，Rm2為熱導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系，建立了數(shù)據(jù)處理的數(shù)學模型。

3 煤油蒸汽濃度測量結果的數(shù)據(jù)處理

3.1 測量結果的誤差分析與處理

蒸汽濃度檢測的多種技術中，熱導傳感器的檢測方式是測量的精度較高，較易實現(xiàn)的方式，熱導傳感器屬于熱敏感性半導體器件，它有半導體的壽命長、不容易老化的特點，但由于半導體本身的特性限制極易引起的誤差，通過對測量結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生噪聲引起誤差，在電路板上電后元器件工作產生的微小熱量對熱導傳感器的測量也會有相應的影響，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 由于熱導傳感器是熱敏感類半導體元件，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，給檢驗的結果帶來誤差。熱導傳感器極易受環(huán)境的影響產生零點漂移，本設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。熱導元件的補償過程主要是在環(huán)境溫度為T時，調節(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元件兩端的電壓Vm、Vc。當環(huán)境溫度變?yōu)門x時，由于溫度對參數(shù)的影響，熱導元件兩端的電壓就會發(fā)生變化，設變化后的電壓值為Vmx和Vcx，由于兩個熱導元件的電壓系數(shù)不能完全相等，致使熱導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之間的關系可計算出兩個熱導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)兩熱導元件的電壓溫度系數(shù)的關系，推導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)傳感器供應商也提供了信號線性化處理的指數(shù)關系的數(shù)學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，本設計通過分析熱導傳感器溫漂的原因，提出了以熱導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，確定了熱導元件電壓溫度系數(shù)與補償電阻值的關系，建立了熱導傳感器溫漂補償?shù)哪Ｐ汀０创朔椒ㄟM行實測，結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計思路和實現(xiàn)方法，同時這種設計方法也適用于其他類型熱敏傳感器的溫漂補償。

4 結語

通過對煤油蒸汽熱傳遞特性和熱導元件的研究，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，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，響應快等優(yōu)點，同時本文的設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[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用[J].傳感器世界,1998,1:16-26．

[3]黃賢武,鄭筱霞.傳感器實際應用電路設計[M].電子科技大學出版社,1997.

[4]黃為勇,任子暉,童敏明.影響熱導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用的優(yōu)缺點的研究，本設計提出了采用基于熱導原理的蒸汽濃度檢測的新方法?；跓釋г淼拿河驼羝麧舛葴y量主要是根據(jù)不同濃度氣體的熱導率不同來設計的，通過研究熱導元件熱傳導系數(shù)與環(huán)境溫度和氣體濃度的關系，建立了熱導傳感器輸出信號與濃度的關系的數(shù)學模型，并對測量結果進行誤差分析與優(yōu)化處理。按此方法進行實測，結果表明該方法滿足對煤油蒸汽濃度檢測的高精度要求。

關鍵詞：煤油蒸汽；熱導原理；熱傳導系數(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可避免危險事故發(fā)生。

熱導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的信息轉換成電信號，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。所以本文采用熱導式氣體傳感器對煤油蒸汽濃度進行檢測。同時針對測量結果存在著靈敏度低、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果進行相關數(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 熱導氣體傳感器熱傳導原理

設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換而來，即由傳熱學理論可知，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導（導熱）、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，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是由傳導損耗的熱量。

■

其中：λ為氣體的導熱系數(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熱導氣體傳感器測量原理

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

如圖所示，在熱導式氣體傳感器的內部有兩個測量元件Vm和Vc：一個參比室和一個測量室，兩個元件的內部分別張緊著細鉑絲，在參比室內密封著參比（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 測量結果與蒸汽濃度之間的數(shù)學模型關系的建立

根據(jù)電路和熱導元件與氣體濃度的熱體傳導關系我們可以建立以下的數(shù)學模型：

式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：I1為通過熱導元件的電流，Rm1為熱導傳感器的敏感元件電阻，Rm2為熱導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系，建立了數(shù)據(jù)處理的數(shù)學模型。

3 煤油蒸汽濃度測量結果的數(shù)據(jù)處理

3.1 測量結果的誤差分析與處理

蒸汽濃度檢測的多種技術中，熱導傳感器的檢測方式是測量的精度較高，較易實現(xiàn)的方式，熱導傳感器屬于熱敏感性半導體器件，它有半導體的壽命長、不容易老化的特點，但由于半導體本身的特性限制極易引起的誤差，通過對測量結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生噪聲引起誤差，在電路板上電后元器件工作產生的微小熱量對熱導傳感器的測量也會有相應的影響，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 由于熱導傳感器是熱敏感類半導體元件，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，給檢驗的結果帶來誤差。熱導傳感器極易受環(huán)境的影響產生零點漂移，本設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。熱導元件的補償過程主要是在環(huán)境溫度為T時，調節(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元件兩端的電壓Vm、Vc。當環(huán)境溫度變?yōu)門x時，由于溫度對參數(shù)的影響，熱導元件兩端的電壓就會發(fā)生變化，設變化后的電壓值為Vmx和Vcx，由于兩個熱導元件的電壓系數(shù)不能完全相等，致使熱導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之間的關系可計算出兩個熱導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)兩熱導元件的電壓溫度系數(shù)的關系，推導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)傳感器供應商也提供了信號線性化處理的指數(shù)關系的數(shù)學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，本設計通過分析熱導傳感器溫漂的原因，提出了以熱導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，確定了熱導元件電壓溫度系數(shù)與補償電阻值的關系，建立了熱導傳感器溫漂補償?shù)哪Ｐ?。按此方法進行實測，結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計思路和實現(xiàn)方法，同時這種設計方法也適用于其他類型熱敏傳感器的溫漂補償。

4 結語

通過對煤油蒸汽熱傳遞特性和熱導元件的研究，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，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，響應快等優(yōu)點，同時本文的設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[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用[J].傳感器世界,1998,1:16-26．

[3]黃賢武,鄭筱霞.傳感器實際應用電路設計[M].電子科技大學出版社,1997.

[4]黃為勇,任子暉,童敏明.影響熱導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：傳感與安全技術檢測。

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