CN104965009A - 一种氢气浓度检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氢气浓度检测仪，是基于发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件的氢气浓度检测仪，包括氢敏电阻传感器和分压电路、降噪滤波电路、A/D转换电路、单片机及控制电路、液晶显示电路、报警电路、温湿度采集电路、时钟电路和串口通信电路；A/D转换电路包括ADS1256模块，温湿度采集电路包括温湿度传感器DHT11模块；串口通信电路用于与上位机通信，将检测结果传输至上位机存档及数据分析。本发明对实测氢气浓度、结合环境温度及湿度因素进行修正，得出真实氢气浓度值。所述氢气浓度检测仪具备工作温度高、寿命长、灵敏度高、响应时间短、稳定性好特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢气浓度检测仪，具体涉及一种基于五氧化二铌纳米线制备氢敏元件的氢气浓度检测仪，属氢气浓度传感与测控仪器技术领域。
背景技术
氢气是一种可再生绿色能源，并且无污染、能量密度大和应用面广等越来越受到人们的青睐，并在化工、航天、军工等行业得到广泛的应用。但氢气属于易燃易爆气体，在使用过程中需要严格控制防止其泄露，所以研究高性能的氢气传感器及其检测装置是十分重要的。
目前，市场应用的氢气传感器还存在诸多技术问题，如半导体型氢气传感器需要在高温条件下加热、功耗大，且只能定性检测，无法实现浓度的精确测量；催化燃烧型氢气传感器也是一种高温工作的热式元件，其缺点是易中毒，功耗大，稳定性不好；电化学型氢气传感器不需加热工作，但工作温度范围较窄，电解液易干涸，寿命短；光学型氢气传感器是氢敏材料涂到光学器件上，这种传感器经多次循环后易出现脱层、起泡现象，因而使用寿命较短。另外，目前实际应用中氢气传感器还存在以下缺点：
①不能在宽的氢气浓度范围内产生与氢敏浓度呈线性关系的响应，灵敏度不够高、响应时间长；
②不能很好地解决温度、湿度、压强等的影响；
③稳定性不好。
针对以上问题，本申请人于2011年1月15日申请发明专利《一种五氧化二铌纳米线的大面积制备方法及其氢敏元件》（申请号：201110026084.2）并获得授权，利用该Nb2O5纳米线作为敏感材料,通过溅射制备Pt电极制作的氢敏元件具有尺寸小、功耗低等特点,在室温下对含氢气氛表现出较快的响应速率和较高的灵敏度,有望降低氢敏传感器的尺寸、功耗和生产成本。
另一方面，受环境温度及湿度影响，氢气浓度在测量时的实际值与真实值存在一定误差，现有的氢气浓度检测仪器均未考虑该方面影响，因此需要对实时测得的氢气浓度进行修正。
发明内容
本发明的目的是克服背景技术提出问题，提供一种氢气浓度检测仪，是基于发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件的氢气浓度检测仪，并结合环境温度及湿度因素，对实时检测的氢气浓度进行修改。所述氢气浓度检测仪具备工作温度高、寿命长、灵敏度高、响应时间短、稳定性好特点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种氢气浓度检测仪，是基于发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件的氢气浓度检测仪，包括氢气传感器和分压电路、降噪滤波电路、A/D转换电路、单片机及控制电路、液晶显示电路、报警电路、温湿度采集电路、时钟电路和串口通信电路；所述氢气传感器是发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件，所述A/D转换电路、液晶显示电路、报警电路、时钟电路和串口通信电路均是公知的模块化数字电路，A/D转换电路包括ADS1256模块，所述温湿度采集电路包括温湿度传感器DHT11模块；所述串口通信电路用于与上位机通信，将检测结果传输至上位机存档及数据分析；其特征在于：
所述分压电路包括氢敏元件和精密电阻，氢敏元件的一端接地、另一端与精密电阻串联后再连接至电源正极，氢敏元件的另一端还与降噪滤波电路输入端连接，降噪滤波电路输出端连接到A/D转换电路之ADS1256模块的信号输入端第7脚，A/D转换电路将模拟电压信号转换成数字信号后输出至单片机及控制电路信号输入端，所述单片机根据输入电压值以及精密电阻阻值计算出氢敏电阻的实时电阻中间值；与此同时，所述温湿度采集电路通过温湿度传感器实时检测被测环境的温度和湿度，再将检测数据传送至单片机及控制电路；
单片机及控制电路根据实时温湿度数据与氢敏电阻实时电阻值对应关系，对所述氢敏电阻的实时电阻中间值进行修正，最后再根据电阻——氢气浓度比例关系，将氢气浓度数据传送至液晶显示电路的显示屏上；当氢气浓度大于限定值时，单片机及控制电路启动声光报警装置发出报警信号。
如上所述一种氢气浓度检测仪，其特征在于：所述降噪滤波电路包括第一电阻和第二电阻、第一电容和第二电容，第一电阻是信号输入端，第一电阻与第二电阻串联，第二电阻是信号输出端，第一电容与第二电容的一端分别跨接在第二电阻的两端、另一端接地。
如上所述一种氢气浓度检测仪，其特征在于：所述单片机及控制电路包括供电电路、型号为STC15F2K60S2单片机、复位电路；所述供电电路包括MAX603、MAX604模块，用于将电池组或外接直流电源稳压为标准直流3.3V和5V电源；所述复位电路包括复位开关S1、电阻R2和R3、电容C4，所述复位开关S1和电容C4的一端与5V电源连接，复位开关S1的另一端与电阻R2串联，电阻R2的另一端与电容C4的另一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R3的一端连接至单片机第13脚；
所述单片机STC15F2K60S2的第3脚接入温湿度传感器DHT11模块输出信号、第18脚和第19脚分别接至串口通信电路的信号输入端RXD和TXD、第36脚接A/D转换电路的信号输出端第22脚。
如上所述一种氢气浓度检测仪，其特征在于：所述分压电路或者是二路相互独立的氢敏元件与精密电阻串联电路以及，与分压电路连接的二个降噪滤波电路，所述二个降噪滤波电路的输出端分别连接至A/D之ADS1256模块的信号输入端第7脚和第8脚，ADS1256模块的信号输出端第22脚和第23脚分别接至单片机信号输入端第36脚本和第37脚，构成单片机的一主一备双路氢敏信号输入端MOSI和MISO。
本发明有益效果是：本发明氢气浓度检测仪是基于本申请人已获授权的发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件、结合环境温度及湿度因素对实时检测的氢气浓度进行修正，所述氢气浓度检测仪具备工作温度高、寿命长、灵敏度高、响应时间短、稳定性好特点。
附图说明
图1是本发明实施例结构原理图；
图2是单个分压电路原理图；
图3是二个独立降噪滤波电路原理图；
图4是A/D转换电路原理图；
图5是单片机电路原理图；
图6是复位电路原理图；
图7是温湿度采集电路原理图；
图8是串口通信电路原理图；
图9是供电电路原理图；
图10是氢敏元件电阻值与氢气浓度的关系曲线图；
图11是氢敏元件电阻值与环境温度的变化关系曲线图；
图12是氢敏元件电阻值与环境湿度的变化关系曲线图。
图中的标记说明：STC15F2K60S2—单片机，ADS1256—A/D转换模块，DHT11—温湿度传感模块，CH340—串口通信模块，MAX603和MAX604—稳压模块，S1—复位按钮。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步说明：
附图1是本发明实施例氢气浓度检测仪的结构原理图，包括氢气浓度传感器、数据采样与处理电路、声光报警、浓度显示和上位机通信接口。其中：数据采样与处理电路包括：A/D转换电路，用于将氢气浓度传感器检测到的氢气浓度的模拟信号转换为数字信号后传送到单片机STC15F2K60S2的信号输入端（36脚），与单片机输入信号相连的，还有温度传感器、湿度传感器，单片机根据输入电压值以及精密电阻阻值计算出氢气传感器实时电阻值，再根据电阻——氢气浓度比例关系，将氢气浓度数据显示在液晶显示屏上，当氢气浓度大于限定值时，单片机控制电路启动声光报警装置发出报警信号。温湿度采集电路是利用温度传感器和湿度传感器实时检测被测环境的温度和湿度，再将检测数据传送至单片机控制电路，所述单片机控制电路根据实时温湿度数据与氢气传感器实时电阻值对应关系，计算出实际氢气浓度值。
本发明氢气浓度检测仪技术方案是基于发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件的氢气浓度检测仪，由图1可知，氢气浓度检测仪包括氢气传感器和分压电路、降噪滤波电路、A/D转换电路、单片机及控制电路、液晶显示电路、报警电路、温湿度采集电路、串口通信电路，还有时钟电路（图1中未画出）。氢气传感器是发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件，A/D转换电路、液晶显示电路、报警电路、时钟电路和串口通信电路均是公知的模块化数字电路，由图4可知，A/D转换电路包括ADS1256模块，由图7可知，温湿度采集电路包括温湿度传感器DHT11模块；所述串口通信电路（图8）用于与上位机通信，将检测结果传输至上位机存档及数据分析。
本发明实施例中，有二个独立且相同的分压电路，以图2所示的第一个分压电路为例，图中氢敏元件R21和精密电阻R17，氢敏元件R21的一端接地、另一端与精密电阻R17串联后再连接至5V电源正极，氢敏元件R21的另一端还与降噪滤波电路（图3所示）输入端电阻R27连接，另一个分压电路的氢敏元件R22的另一端与另一个降噪滤波电路（图3所示）的输入端电阻R33连接，二个降噪滤波电路输出端AIN1和AIN2分别连接到A/D转换电路之ADS1256模块的信号输入端第7脚和第8脚(图4)，A/D转换电路将模拟电压信号转换成数字信号后，通过第22脚和23脚分别输出至单片机及控制电路信号输入端（第36脚和第37脚），单片机根据输入电压值以及精密电阻阻值计算出氢敏电阻的实时电阻中间值；与此同时，温湿度采集电路（图7）通过温湿度传感器实时检测被测环境的温度和湿度，再将检测数据传送至单片机（第3脚）。
单片机及控制电路根据实时温湿度数据与氢敏电阻实时电阻值对应关系，对所述氢敏电阻的实时电阻中间值进行修正，最后再根据电阻——氢气浓度比例关系，将氢气浓度数据传送至液晶显示电路的显示屏上；当氢气浓度大于限定值时，单片机及控制电路启动声光报警装置发出报警信号。
参见图3，以第一个降噪滤波电路为例，第一电阻R27是信号输入端，第一电阻R27与第二电阻R28串联，第二电阻R28是信号输出端，第一电容C26与第二电容C27的一端分别跨接在第二电阻R28的两端，第一电容C26与第二电容C27的另一端接地。
单片机及控制电路包括供电电路（图9）、型号为STC15F2K60S2单片机（图5）、复位电路（6）；所述供电电路包括MAX603、MAX604模块，用于将电池组或外接直流电源稳压为标准直流3.3V和5V电源；所述复位电路包括复位开关S1、电阻R2和R3、电容C4，所述复位开关S1和电容C4的一端与5V电源连接，复位开关S1的另一端与电阻R2串联，电阻R2的另一端与电容C4的另一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R3的一端连接至单片机第13脚。
参见图5和图8，单片机STC15F2K60S2的第18脚和第19脚分别接至串口通信电路的信号输入端RXD和TXD、第36脚接A/D转换电路的信号输出端第22脚。
本发明所引用的氢气传感器是半导体五氧化二铌纳米线氢敏元件，由附图10可以看出，氢气传感器的电阻值与被测空气中氢气的浓度成反比，将该氢敏元件与本发明实施例中的精密电阻串连，氢敏元件两端即可输出一个随着氢气浓度变化而变化的电压信号，这个电压信号，经过A/D转换电路就可以输出一个数字的信号。同时考虑到氢敏元件电阻值受空气的温度和湿度的影响，所以加入了温湿度传感器，用于测量空气中的温度和湿度，由于氢气浓度传感器的电阻值与氢气浓度、空气的温度湿度有固定的关系，这些数据已经提前存在单片机中，不断采集到的信号与标准数据对比就可以判断是否超过安全标准。同时考虑到空气中其它气体的影响，所以要求氢气浓度传感器只对氢气敏感。
图5所示的单片机处理电路采用高性能单片机STC15F2K60S2，片内大容量2048字节的SRAM，大容量片内EEPROM。A/D转换的信号通过单片机的36脚和37脚输入单片机中，单片机的35脚经过电阻和滤波电容后与报警电路连接，一旦氢气浓度超过设定值就会启动报警。
图9是供电模块电路图，使用了MAX603和MAX604两种线性稳压器模块，它有固定输出(5V或3.3V)或是可调输出两种模式，调节out和set两脚间的电阻值就可以调节输出电压的大小，本实施例中用MAX603和MAX604为不同器件供电。
图8是本发明实施例氢气浓度检测仪与上位通信串口电路，用于将氢气浓度检测仪采集到的数据上传到上位机中。
图10是氢敏元件电阻值与氢气浓度的关系曲线图，由图10可以看出，所显示曲线电阻值在超过100ppm时，氢敏元件电阻值与氢气浓度成良好的线性关系。
图11是氢敏元件电阻值与环境温度的变化关系曲线图，由图11可以看出，氢敏元件在不通入氢气的情况下电阻值在室温下有近似的线性关系。
图12是氢敏元件电阻值与环境湿度的变化关系曲线图，由图12可以看也，氢敏元件在不通入氢气情况下，且环境湿度在30%～60%湿度范围内时，氢敏元件电阻值与环境的湿度近似于线性关系。
由于氢气浓度传感器的电阻值与氢气浓度、环境温度、环境湿度是有对应关系，在已知环境的温度和湿度的情况下，通过测量值与标准值的比较就可以知道环境中的氢气浓度。
利用本发明实施例氢气浓度检测仪，实际测量时的精度可以达到±4%FS。
以上仅为发明的实施例，但并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (4)
1.一种氢气浓度检测仪，是基于发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件的氢气浓度检测仪，包括氢气传感器和分压电路、降噪滤波电路、A/D转换电路、单片机及控制电路、液晶显示电路、报警电路、温湿度采集电路、时钟电路和串口通信电路；所述氢气传感器是发明专利CN102180518B所公开的氢敏元件，所述A/D转换电路、液晶显示电路、报警电路、时钟电路和串口通信电路均是公知的模块化数字电路，A/D转换电路包括ADS1256模块，所述温湿度采集电路包括温湿度传感器DHT11模块；所述串口通信电路用于与上位机通信，将检测结果传输至上位机存档及数据分析；其特征在于：
所述分压电路包括氢敏元件和精密电阻，氢敏元件的一端接地、另一端与精密电阻串联后再连接至电源正极，氢敏元件的另一端还与降噪滤波电路输入端连接，降噪滤波电路输出端连接到A/D转换电路之ADS1256模块的信号输入端第7脚，A/D转换电路将模拟电压信号转换成数字信号后输出至单片机及控制电路信号输入端，所述单片机根据输入电压值以及精密电阻阻值计算出氢敏电阻的实时电阻中间值；与此同时，所述温湿度采集电路通过温湿度传感器实时检测被测环境的温度和湿度，再将检测数据传送至单片机及控制电路；
单片机及控制电路根据实时温湿度数据与氢敏电阻实时电阻值对应关系，对所述氢敏电阻的实时电阻中间值进行修正，最后再根据电阻——氢气浓度比例关系，将氢气浓度数据传送至液晶显示电路的显示屏上；当氢气浓度大于限定值时，单片机及控制电路启动声光报警装置发出报警信号。
2.如权利要求1所述一种氢气浓度检测仪，其特征在于：所述降噪滤波电路包括第一电阻和第二电阻、第一电容和第二电容，第一电阻是信号输入端，第一电阻与第二电阻串联，第二电阻是信号输出端，第一电容与第二电容的一端分别跨接在第二电阻的两端、另一端接地。
3.如权利要求1所述一种氢气浓度检测仪，其特征在于：所述单片机及控制电路包括供电电路、型号为STC15F2K60S2单片机、复位电路；所述供电电路包括MAX603、MAX604模块，用于将电池组或外接直流电源稳压为标准直流3.3V和5V电源；所述复位电路包括复位开关S1、电阻R2和R3、电容C4，所述复位开关S1和电容C4的一端与5V电源连接，复位开关S1的另一端与电阻R2串联，电阻R2的另一端与电容C4的另一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R3的一端连接至单片机第13脚；
所述单片机STC15F2K60S2的第3脚接入温湿度传感器DHT11模块输出信号、第18脚和第19脚分别接至串口通信电路的信号输入端RXD和TXD、第36脚接A/D转换电路的信号输出端第22脚。
4.如权利要求1所述一种氢气浓度检测仪，其特征在于：所述分压电路或者是二路相互独立的氢敏元件与精密电阻串联电路以及，与分压电路连接的二个降噪滤波电路，所述二个降噪滤波电路的输出端分别连接至A/D之ADS1256模块的信号输入端第7脚和第8脚，ADS1256模块的信号输出端第22脚和第23脚分别接至单片机信号输入端第36脚本和第37脚，构成单片机的一主一备双路氢敏信号输入端MOSI和MISO。
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