传感器WD.docx

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传感器WD

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。

探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分

液体压力传感器

PT500-500压力变送器采用高精度高稳定性电阻应变计做为变送器的感压芯片，选进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成4～20mA、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC等标准电信号。

产品结构采用全封焊结构，使之产品的抗冲击能力、过载能力、产品密封性等性能有了较大提高，产品最高压力可达到150MPa。

产品过程连接部分和电气连接部分有多种方式，能够最大限度的满足用户的需求。

1）、过程连接部分：

可扩展为法兰接连、快速接口连接、毛细管连接等

2）、电气连接部分：

可接二次就地显示仪表、防水密封连接等

3）、介质温度特性：

-20～85℃、-20～150℃、-20～200℃、-20～300℃

4）、输出信号特性：

0～20mA、1～5VDC、0～2VDC、电压比例输出、RS485数字信号

应用于液压及气动控制系统；石化、环保、空气压缩；电站运行巡检、机车制动系统；热电机组；轻工、机械冶金；楼宇自动化、恒压供水系统；其它自动化和检测系统；工业过程检测与控制；实验室压力校验等。

主要技术参数：

被测介质：

气体、液体及蒸气

压力类型：

表压

量程：

-100KPa-0.6Mpa～60Mpa～150Mpa间任意可选

输出：

通用：

4～20mA（二线制）、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC（三线制）特殊：

0～20mA、1～5VDC、0～2VDC、电压比例输出、RS485数字信号

综合精度：

±0.1%FS（量程60MPa以上）、±0.25%FS、±0.5%FS

供电：

24VDc（12～36VDC）

绝缘电阻：

≥1000MΩ/100VDC

负载电阻:

电流输出型：

最大800Ω；电压输出型：

大于50KΩ

介质温度：

-20～85℃、-20～150℃、-20～200℃、-20～300℃（可选）

环境温度：

-20～85℃

储存温度：

-40～90℃

相对湿度：

0～95%RH

密封等级：

IP65/IP68

过载能力：

150%FS

响应时间：

≤10mS

稳定性：

≤±0.15%FS/年

振动影响：

≤±0.15%FS/年（机械振动频率20Hz～1000Hz）

电气连接：

不锈钢防水密封端子、四芯航空接插件、赫丝曼接头等

压力连接：

M20×1.5，其它螺纹可依据客户要求设计

采用双传感器补偿的可燃性气体报警器

朱明程　李昆华　罗春桃

摘　要：

介绍一种采用两个同类型气体传感器来实现温度补偿的可燃性气体报警器。

把一气体传感器密封做成温度传感器，对另一气体传感器进行温度修正，以在宽范围内消除环境温度对气体传感器特性的影响。

该报警器采用Motorola的MC68HC05P6A单片机作为核心控制部件，内嵌基于一定算法的用户程序，以达到对于特定气体传感器的特性补偿、软件修正及实时控制。

对可燃性气体传感器温度补偿原理及MCU软件修正和控制方法，进行了分析和讨论。

关键词：

双传感器，温度补偿，静态特性，动态特性，气体报警器

DesignandImplementationonCombustibleGasAlarmMade

upofDoubleGasSensor

Abstract：

Acombustiblegasalarmmadeupofdoublegassensorfortemperaturecompensationisintroduced.Inthegasalarm,theMotorolaMCU-MC68HC05P6Aisusedascorecontrollingunit.Aalgorithmprogramfortemperaturecompensationandsoftwarecorrectandrealtimecontrolareembeded.Theprincipleoftemperaturecompensationofthecombustiblegasalarmisalsodiscussed,andthemethodsaboutMCU'ssoftwarecorrectingandcontrollingareanalyzed.

Keywords：

doublegassensor,temperaturecompensation,staticcharacteristic,dynamiccharacteristic,gasalarm▲

　　气体传感器特性总是会因环境温度、湿度的影响而变化，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。

通常，可燃性气体传感器特性受湿度影响较小，往往可忽略，所以本文主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。

　　传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。

所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿，很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。

软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。

该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。

为了解决这个问题，本文提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器A密封代替温度传感器，对另一气体传感器B进行补偿。

这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿。

1　设计原理

　　气体传感器所测量的值经常会发生变化。

在一段短时间内可能很稳定，而在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰。

气体传感器主要通过两个基本特性——静态特性和动态特性来反映传感器的这种变动性。

　　静态特性通常反映在灵敏度上。

所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，用S表示：

实际上是传感器输出特性曲线上某点的斜率。

非线性传感器各处的灵敏度是不相同的。

可燃性气体传感器和温度传感器对于温度来说，都存在静态变动特性，存在特定的温度响应输出特性曲线。

由于制造材料的不同，导致它们的温度响应输出特性曲线存在很大的差别，也就是说对于一个环境温度T，可燃性气体传感器和温度传感器的灵敏度S1和S2不一样，所以使用温度传感器进行温度补偿具有一定的局限性。

　　动态特性是气体传感器的普遍问题，反映气体传感器对随时间变化的输入响应特性。

动态特性好的气体传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。

动态特性的输入与输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用“传递函数”表征：

　　由此可见，气体传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对气体传感器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。

通常应用时，都忽略气体传感器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。

如通过温度传感器测出环境的温度，对气体传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传感器进行硬件补偿。

　　采用双传感器补偿方式，可实现气体传感器动态特性的有效补偿。

由于两气体传感器制造材料组分和工艺一致，它们的静态特性和动态特性基本一致，可获得较完全的补偿。

　　双传感器补偿的可燃性气体报警器，采用了两个同类型可燃性气体传感器，使用Motorola的MC68HC05P6A微控制芯片进行数据采集、处理、修正和报警控制。

系统原理图如图1所示。

图1　系统原理图

　　系统分别对两个气体传感器进行采样，通过一定算法处理，去除传感器测量值中的温度响应部分，而得到完全的气体响应数据。

　　设传感器测量值VA=A，VB=B，则无温度影响的气体响应VO为：

　　根据VO的值判断是否报警。

系统可根据MCU程序设定，选择使用单点即时或多点延迟报警方式。

报警输出采用声、光报警形式。

在本系统中，由于采用内嵌MCU的算法处理和软件补偿方式，不仅省去了琐碎的硬件电路，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力，也使系统的智能控制性能得以加强。

2　硬件设计

　　报警器主要由传感器、MCU、报警电路组成。

该电路由MC68HC05P6A作为核心控制芯片，它具有4路8位A/D口，气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。

报警器电路如图2所示。

图2　报警器电路图

　　串联在两传感器感应电阻上的分压电阻R1和R2，应为可调电阻。

调试中，在一定温度和无可燃性气体的标准环境下，调整R1和R2，使两个传感器输出电压相等，以进行有效的补偿。

3　控制流程

　　采用双传感器补偿的报警器的MCU控制流程如图3所示。

图3　控制流程图

　　MCU可对传感器进行多次采样，以减少误差；在判断报警时，采用多次判断，在一定时间内连续三次显示气体浓度高于限定值时，才确认状态，进行报警，这样可减低误报率。

二氧化碳传感器

ＴＧＳ４１６０二氧化碳传感器是ＦＩＧＡＲＯ（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。

这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性可广泛用于自动通风换气系统或是ＣＯ２气体的长期监测等应用场合。

但是，由于ＴＧＳ４１６０的预热时间较长（一般为２小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。

此外，为了方便客户使用，ＦＩ-ＧＡＲＯ公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块ＡＭ－４。

该模块采用微处理器进行控制，ＣＯ２气体浓度的输出信号电平为０．０～３．０Ｖ，相当于０～３０００ｐｐｍ的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。

ＴＧＳ４１６０传感器的主要技术参数如下：

●测量范围：

０～５０００ｐｐｍ；

●使用寿命：

２０００天；

●加热器电压：

５．０±０．２ＶＤＣ；

●加热器电流：

２５０ｍＡ；

●加热器功耗：

１．２５Ｗ；

●内部热敏电阻（补偿用）：

１００ｋΩ±５％；

●使用温度：

－１０～＋５０℃

●使用湿度５～９５％ＲＨ；

●产品尺寸：

最大外径Φ２４ｍｍ，高２４ｍｍ，引脚长５.８ｍｍ。

２　内部结构

　　ＴＧＳ４１６０二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式ＣＯ２敏感元件。

该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。

它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。

该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。

元件的内层采用１００目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。

其外层顶盖上又罩上了一层６０目的不锈钢网。

为了达到降低干扰气体影响的目的，ＴＧＳ４１６０在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。

传感器的６个引脚通过０．１ｍｍ的箔导线与内部相连。

其等效的内部结构见图１所示。

图中，阳极与传感器的第３脚Ｓ（＋）相连，阴极与传感器的第４脚Ｓ（－）相连，Ｐｔ加热器与传感器的第１，６脚相连，内部热敏电阻与传感器的第２，５脚相连。

内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。

３　工作原理

　　ＴＧＳ４１６０型ＣＯ２传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在ＣＯ２气体环境中时，就会产生电化学反应。

其反应式如下：

阴极反应方程：

４Ｌｉ＋＋２ＣＯ２＋Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｌｉ２ＣＯ３

阳极反应方程：

４Ｎａ＋＋Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｎａ２Ｏ

总的化学反应方程：

Ｌｉ２ＣＯ３＋２Ｎａ＋＝Ｎａ２Ｏ＋２Ｌｉ＋＋ＣＯ２

作为电化学反应的结果，根据耐斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔ），该过程将产生如下电势（ＥＭＦ）：

ＥＭＦ＝Ｅｃ－（ＲＦ）／（２Ｆ）ｌｎ（ＰＣＯ２）

式中：

ＰＣＯ２为ＣＯ２的分压；Ｅｃ为常数；Ｒ是气体常数；Ｔ为温度值（Ｋ）；Ｆ是法拉第常数。

　　从上式看出，通过监测Ｓ（＋）、Ｓ（－）两个电极之间所产生的电势值ＥＭＦ，就可以测量ＣＯ２的浓度值。

为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在５．０±０．２ＶＤＣ之内。

为了保证ＣＯ２的准确测量，除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外，更主要的是要测量两电极之间变化的电势值ΔＥＭＦ，而不是绝对电势值ＥＭＦ，因为ΔＥＭＦ与ＣＯ２浓度变化之间有一个较好的线性关系。

虽然ＥＭＦ绝对值随环境温度的上升而上升，ΔＥＭＦ却保持常量，而且它在－１０℃～＋５０℃温度范围内，基本不受温度的影响。

ΔＥＭＦ值可由下式求得：

ΔＥＭＦ＝ＥＭＦ１－ＥＭＦ２

其中，ＥＭＦ１为３５０ｐｐｍ的ＣＯ２中的ＥＭＦ值；ＥＭＦ２为所测量的ＣＯ２的ＥＭＦ值。

　　在温度为２０℃±２℃、湿度为６５±５％ＲＨ、加热电压为５．０±０．０５ＶＤＣ、预热时间为７天或大于７天的条件下，测得传感器在浓度为３５０ｐｐｍ中的ＥＭＦ值是２２０～４９０ｍＶ，而ΔＥＭＦ在３５０～３５００ｐｐｍ的ＣＯ２浓度中的值是４４～７２ｍＶ，因此在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（≥１００ＧΩ）、低偏置电流（≤１ｐＡ）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。

处理该信号通常有两种方案可供选择：

一是使用费加罗（ＦＩＧＡＲＯ）公司的ＦＩＣ９８６４６专用处理器模块，二是选用其它型号的单片机并通过自己编程进行信号处理。

４　基本应用

　　利用ＴＧＳ４１６０传感器并通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再作一些简单的运算处理，就可以在ＣＯ２浓度为３００～５０００ｐｐｍ的范围内测得信号，该信号为０～几百毫伏的电压信号，可以供高精度Ａ／Ｄ采样使用。

如果使用费加罗（ＦＩＧＡＲＯ）公司提供的ＡＭ－４ＣＯ２传感器模块，则可直接应用于自动通风换气系统或是ＣＯ２气体监测。

该模块内部带有Ａ／Ｄ转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。

它输出的电压信号与ＣＯ２浓度值呈线性关系，输出的电压信号为０～３．０Ｖ，相当于０～３０００ｐｐｍ的ＣＯ２浓度。

另外，该模块还提供有中继转接控制信号。

当ＣＯ２浓度高于设定值时，输出的转接控制信号为高电平５Ｖ，该信号可以使得红ＬＥＤ点亮；反之，它将转接控制信号为低电平０Ｖ以使绿ＬＥＤ点亮。

但是，该模块的设定值是分档的，而不是连续可调的。

共分为四档（可通过线路板上的跳线来实现），表１和表２分别给出了门限开关信号的浓度值及跳线连接方法。

ＡＭ－４模块的实用电路原理图见图２所示。

表1门限信号浓度

表2跳线连接

　　如果认为使用ＡＭ－４模块不方便或是认为价格太高，也可以自行设计电路，并自行编写程序进行处理。

５　结束语

　　ＴＧＳ４１６０型ＣＯ２传感器特别适合于连续监测ＣＯ２的场所，它不需断电，其稳定性好。

但ＴＧＳ４１６０传感器不适于做便携式或手持式ＣＯ２测量仪器。

因为预热时间太长，不能即时测量，同时传感器的功率也较大。

此外，传感器暴露在某些气体中（如氯气）会降低灵敏度，由于沸石可以对某些干扰气体（如乙醇）加以滤除。

因此，不用时可置于干燥剂中，并用专用袋进行密封。