摘要：为了能够稳定和精准的测量煤油蒸汽浓度，通过对传统的气体浓度检测的方法及其各自应用的优缺点的研究，本设计提出了采用基于热导原理的蒸汽浓度检测的新方法。基于热导原理的煤油蒸汽浓度测量主要是根据不同浓度气体的热导率不同来设计的，通过研究热导元件热传导系数与环境温度和气体浓度的关系，建立了热导传感器输出信号与浓度的关系的数学模型，并对测量结果进行误差分析与优化处理。按此方法进行实测，结果表明该方法满足对煤油蒸汽浓度检测的高精度要求。

关键词：煤油蒸汽；热导原理；热传导系数；浓度检测

中图分类号：TH813文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-11-92-2

煤油是生产和生活中常用的液态燃料，煤油不仅易燃，而且在一定条件下当一定浓度的煤油蒸汽与空气混合后会发生爆炸。研究煤油蒸汽发生爆炸浓度条件和控制煤油蒸汽浓度在安全范围内可避免危险事故发生。

热导式气体传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件。它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号，由于其具有检测范围大，最高检测浓度可达100％，工作稳定性好，使用寿命长，不存在触媒老化的问题，具有较高的稳定性和可靠性等特性，这些优良特性是许多气体传感器所不具备的。所以本文采用热导式气体传感器对煤油蒸汽浓度进行检测。同时针对测量结果存在着灵敏度低、检测误差大、温度漂移大等缺点，提出温度补偿算法，针对测量出的浓度结果进行相关数据处理来校对误差从而得到准确的煤油蒸汽浓度值。

1 热导气体传感器热传导原理

设传感器的工作电流为I，电阻为r，传感器的热量仅由工作电流加热功率转换而来，即由传热学理论可知，热传递有三种基本方式：热传导（导热）、热辐射和热对流。在传感器的制作工艺上，为了减少电阻丝的轴向热传导，所用的电阻丝的长度与直径之比一般为2000～3000以上，传感器轴向传导热的影响可以忽略，因此传感器热量的损耗可用下式表示：■

式中，Qout1是由传导损耗的热量。

■

其中：λ为气体的导热系数；T为传感器的温度K；T0为周围环境的温度K；S为传感器的表面积。

Qout2也是由热辐射损耗的热量，可由斯蒂芬-玻尔兹曼修正公式给出：■

其中：A为辐射系数；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为5.668 67×10-12 W／(m2·K4)。

当满足热平衡条件时，有：

■

即：■

2煤油蒸汽浓度测量原理

2.1热导气体传感器测量原理

热导式气体传感器检测技术主要是以热敏感元件为基础的热传导式气体浓度检测方式，热敏感类半导体材料依据不同可燃性气体的导热系数与空气的差异来实现测定气体的浓度，通常利用电路将导热系数的差异转化为电阻的变化。

如图所示，在热导式气体传感器的内部有两个测量元件Vm和Vc：一个参比室和一个测量室，两个元件的内部分别张紧着细铂丝，在参比室内密封着参比（基准）气体，而测量室可以进入待测的煤油蒸汽。

两个铂丝与外部定值电阻组合，形成一个惠斯顿电桥回路，恒定的电流分别流过各个铂丝，使之发热，在不存在可燃气体的时候，这个回路是平衡的，因此产生“零”数值，即为零点，一旦测量室中的待测组分中发生浓度变化，则测量室中的热导率会随之变动，从而使测量室铂丝的温度发生变化。将这种温度变化以电阻值变化的形式提取出来，在恒流供电中，电阻的变化则转化为电压的变化。检测出电压信号的变化就可计算出被煤油蒸汽的浓度。

2.2 测量结果与蒸汽浓度之间的数学模型关系的建立

根据电路和热导元件与气体浓度的热体传导关系我们可以建立以下的数学模型：

式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：I1为通过热导元件的电流，Rm1为热导传感器的敏感元件电阻，Rm2为热导传感器的参考元件电阻， △T1敏感元件与环境温度差， △T2参考元件与环境温度差，C为煤油蒸汽的浓度，H为空气热损失系数。

通过推导得到式（9）和式（10）

这样我们就得到了测量电压与煤油蒸汽浓度之间的关系，建立了数据处理的数学模型。

3 煤油蒸汽浓度测量结果的数据处理

3.1 测量结果的误差分析与处理

蒸汽浓度检测的多种技术中，热导传感器的检测方式是测量的精度较高，较易实现的方式，热导传感器属于热敏感性半导体器件，它有半导体的寿命长、不容易老化的特点，但由于半导体本身的特性限制极易引起的误差，通过对测量结果的分析得到可能引起误差的种类如下：

3.1.1硬件电路误差 在对煤油蒸汽浓度测量时，运算放大器可能会产生噪声引起误差，在电路板上电后元器件工作产生的微小热量对热导传感器的测量也会有相应的影响，另外电路走线间的寄生电容对时间参数的影响也很大，虚焊或者漏焊都将影响整个电路的测量精度。这种误差需要我们在制作电路板的时候给予注意。

3.1.2环境变化引起误差 由于热导传感器是热敏感类半导体元件，检测仪的输出会受外界环境的温湿度、及大气压的影响，会干扰样点的精度引起测量的偏差，给检验的结果带来误差。热导传感器极易受环境的影响产生零点漂移，本设计中提出了一种串接补偿的方式来减小温度引起的漂移。热导元件的补偿过程主要是在环境温度为T时，调节R3使输出 △V=0，完成电路在该时刻的标定，测量可得标定后热导元件两端的电压Vm、Vc。当环境温度变为Tx时，由于温度对参数的影响，热导元件两端的电压就会发生变化，设变化后的电压值为Vmx和Vcx，由于两个热导元件的电压系数不能完全相等，致使热导元件两端的电压变化幅度不同使得输出△V ≠0，破坏了标定时的平衡状态。此时根据Vm、Vc、Vmx、Vcx之间的关系可计算出两个热导元件的电压温度系数，如果能使得补偿后两电压变化系数相等即可达到新的平衡状态，根据两热导元件的电压温度系数的关系，推导出两种情况下的补偿电阻值，将补偿环节串接在待补偿元件上，调节R3使此时的电路重新平衡，完成了对温漂的补偿。

3.2 测量结果的优化处理

3.2.1数字滤波 为了去除测试环境的电磁干扰、传感器和放大器自身的影响，本设计根据干扰信号的情况采用了防脉冲干扰滑动的平均值滤波，同时采用窄过渡带大阻带衰减比阶数很高的低通滤波器设计消除以工频干扰为主的低频干扰和多种高频干扰。

3.2.2信号线性化处理 为实现气体浓度的精确测量，根据传感器供应商也提供了信号线性化处理的指数关系的数学模型对信号线性化处理以满足气体浓度的精确测量的需要。

同时为减小热导传感器在环境温度变化较大时温度漂移对测量精度的影响，本设计通过分析热导传感器温漂的原因，提出了以热导元件两端的电压温度系数为依据、以串接补偿电阻的温漂补偿方法，确定了热导元件电压温度系数与补偿电阻值的关系，建立了热导传感器温漂补偿的模型。按此方法进行实测，结果表明该补偿方法有效降低了传感器温度漂移对测量精度的影响，为温度敏感类传感器温漂补偿提供了新的设计思路和实现方法，同时这种设计方法也适用于其他类型热敏传感器的温漂补偿。

4 结语

通过对煤油蒸汽热传递特性和热导元件的研究，我们得到了测量煤油蒸汽的新方法及其数据的处理技术，为煤油蒸汽测量方面提供了更可靠、更具实际意义的依据，这种测量方法具有形式简单、易于操作、成本低，精度高，响应快等优点，同时本文的设计方法也适用于其它类型气体的测量。

参考文献

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作者简介：胡志刚，大庆市城管委，硕士研究生在职，研究方向：市政工程管理；通讯作者：杜博，哈尔滨电工仪表研究所，助理研究员，研究方向：传感与安全技术检测。