基于TCS208F的氢含量检测传感器设计

何涛焘 文华北 万乐仪

湖南镭目科技有限公司，湖南长沙 410100

0 引言

钢中氢含量是许多钢材缺陷及钢材报废的原因之一，随着钢中氢含量升高和钢板厚度增加，钢中白点、气泡、针孔等缺陷发生率增高，因此，准确测定氢含量对提高钢材质量具有重要意义[1]。由于氢在钢中的易扩散性，准确测定钢液氢含量一直是化学气体分析中的难题。氢气传感器以气敏器件为核心组成，气体热导检测法是最早应用于气体检测的一种方法。但是，由于传统的热导传感器检测方法是利用传感器的温度随被测气体浓度的改变而发生相应的变化这一特性，实现对不同气体纯度的检测存在检测灵敏度低、检测误差大、温度漂移大、环境温度补偿困难、有交叉敏感现象等诸多问题[2-3]。本文设计了一种精度高、扩展性强、使用方便的在线测氢传感器，对钢水氢含量检测系统的国产化具有重要作用。

1 传感器结构设计

为了使传感器能够稳定工作，检测室的设计尤为重要，如何使检测室恒温是设计的重中之重。本传感器的组成实物图如图1所示。结构示意图如图2所示，包含恒温加热单元、数据采集电路板、主控电路板、进出气接口、测量气室、外部传感器接口和信号输出接口。

恒温加热单元用于对检测室恒温加热；数据采集电路板包含TCS208F热导芯片[4]和温度传感LM35，用于检测氢含量和测量环境温度；主控电路板包含有单片机、信号调理电路和毫安输出部分，单片机通过对温度传感器LM35来检测检测室的温度，通过数字式PID算法调整PWM占空比来实现检测室的温度稳定；检测室底部为被测气体进出口；外部传感器接口用于外接压力传感器，动态检测被测气体压力；两块电路板之间填充了绝缘性密封胶，实现整体密封；信号输出接口用于对外输出标准的4～20 mA信号。

2 传感器硬件电路设计

传感器的硬件电路主要由检测电桥电路、调零放大电路、U/I转换电路和PWM温控电路（含MCU电路）组成。当电源接通后，传感器启动。主控单元控制温控单元工作，测量气室进入加热状态，当传感器气室温度上升至40 ℃时，控制加热单元使气室保持恒定，接着，采集电路进入工作状态，开始采集处理信号。U/I转换电路实时将信号输出。

2.1 传感器检测电桥电路

恒温工作条件下，氢含量检测传感器检测要求气体热导系数变化时，传感器的工作电流或电压也随之改变，通过利用传感器工作电流的变化与被测气体导热系数的关系实现被测气体体积分数的检测。

传感器检测电桥电路如图3所示。两个膜加热和测量电阻器Rm1、Rm2串联连接在两个运放之间。温度测量电阻Rt1通过负反馈连接到第一个运放，两个运行形成正向反馈回路，回路处在稳定状态且有一个总的增益，这个增益由Rm(Rm1+Rm2)和Rt(Rt1)的电流和电压的非线性作用决定。U0的极性由二极管D1决定，U0值由下式决定：

其中，G——传感器几何常数；

α——温度系数；

λ——气体热传导率；

R1、R2——固定电阻，恒定电压条件下，TCS208F金属薄膜恒温，Rm1和Rm2阻值恒定，因此，U0只与气体热传导率λ和环境温度测量电阻Rt1有关。

Rt由环境温度决定，环境温度越高，Rt越小，与气体热传导率成反比，因此：

2.2 信号调零放大电路

传感器适用于检测两种热导率相差大的气体的体积分数，调零电路使传感器信号在单一气体条件下从零点起步。以He和N2体积分数检测为例，传感器在纯氮条件下，U0输出幅值为5.8 V，He体积分数每增加1%，U0增加约14 mV，为得到标准信号，需将U0值先减去5.8 V，再调整放大倍数，使在纯He条件下传感器输出为满量程电压2 V。

传感器信号调零放大电路如图4所示。LM399提供一个6.95 V的标准电压源，通过电位器RW2分压，输入到运发U5的反向输入端，运放U5构建一个减法电路，对输入的U0调零，U6构建一个正向放大器，放大倍数由RW1调节。

2.3 U/I转换电路

为使传感器信号远距离传输，采用AD694构建电压-电流转换器。它将输入电压信号转换成标准4～20 mA电流信号，具有输入缓冲放大器、V/I转换电路、4 mA电流偏置及选通和微调电路、参考电压电路、输入量程选择端、开路和越限报警输出端，功能较强，使用时不接或只接很少的外部元件，可达到0.002%的非线性度，精度高，且抗干扰性强[5]。

在本电路设计中，采用0～2 V输入，4～20 mA输出，因此，2 V FS引脚接地，RW4作为4 mA电流偏置微调电位器，在V_OUT输入0 V时，调节电位器RW4，使C_OUT输出为4 mA，RW3为2 V满刻度微调调整电位器，在V_OUT输入2 V时，调节电位器RW3，使C_OUT输出为20 mA，如图5所示。

2.4 PWM温控电路

氢含量检测传感器需要一个恒定的环境温度，在本电路设计当中，单片机STC12C5A作为恒温加热控制核心，实现PID算法调度，通过改变PWM脉冲占空比，实现对加热线圈功率控制，使环境温度稳定在50 ℃，PWM温控电路如图6所示。单片机P1.0端口功能复用为ADC采集端口，P1.4端口设置为开漏输出，其功能复用为PWM脉冲输出端口，温度传感器LM35用于采集环境温度，输入单片机P1.0端口，P1.4通过NPN三极管控制达林顿晶体管MJD127通断，D4作为加热控制指示灯。

单片机程序流程如图7所示。系统上电之后，先对端口初始化，将P1端口P1.0设置为浮空输入，P1.4设置为开漏输出；初始化定时器，定时器T0设置为16位自动重载定时器，定时时间为10 ms；初始化PCA为PWM输出模式，设置PCA以定时器0溢出作为PWM的时钟源；初始化ADC功能，设置单通道12位采集模式，初始化看门狗，防止单片机死机。单片机初始化完成后进入死循环程序，在循环程序中，通过采集环境温度，调取PID算法，修正PWM脉冲占空比。

3 实验结果

实验测试先采用1组纯N2和1组20% H2、80%N2标准混合气对传感器标定，分别对应调零输出电流4 mA和满量程输出电流20 mA，标定参数和结果如表1所示。

标定之后，测量不同已知体积分数的氮氢混合气的输出电流值，验证传感器的性能。气体组分与实测结果对比如表2所示。通过对表2数据的分析可以看出，传感器的最大误差＜1% FS，具有良好的线性关系，从而依照此曲线关系，根据传感器输出的电流值，可以快速计算得到被测氢气体积分数。传感器测试曲线如图8所示。

表1 传感器标定结果

表2 传感器测试结果

4 结束语

实验测试表明，本传感器采用的内部温控电路和PID算法可以实现测量气室温度稳定，有效抑制温漂对测量精度的影响，最大误差＜1% FS，同时具有低功耗、低噪声、温漂小、量程可自行调节等优点，快速实现对不同热导率的气体体积分数检测，能够解决传统的热导传感器存在检测灵敏度低、检测误差大、温度漂移大、环境温度补偿困难、有交叉敏感现象等问题。