CN107014868A - 消除温度漂移的易燃有害气体探测器 - Google Patents

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何永勃
张文杰
孙晓哲
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Abstract

本发明提供一种消除温度漂移的易燃有害气体探测器，该探测器包括有外壳、温度反馈控制电路、气敏传感器、取样电阻，温度反馈控制电路与气敏传感器加热丝RH相连接，取样电阻与气敏传感器的敏感电阻RS串连。有益效果是通过温度反馈控制电路，使传感器加热电压随环境温度变化自动调节，保证传感器敏感材料工作温度稳定，来抵消温度漂移对传感器精度带来的影响。传统的金属氧化物半导体气敏传感器因为所处的外界环境不同，传感器的温度漂移特性会使探测精度降低。集成了温度反馈控制电路的易燃有害气体探测器可以很好的解决这一问题，其检测结果的可靠性远高于没有进行温度补偿的检测装置，探测误差由原来的﹣40％，+70％降低到±10。

Description

消除温度漂移的易燃有害气体探测器
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，尤其涉及一种消除温度漂移的易燃有害气体探测器。
背景技术
金属氧化物半导体气敏传感器广泛用于易燃、有害气体检测系统中，它的工作原理如图1所示：加热丝等效为加热电阻RH，敏感材料等效为敏感电阻RS，RL为取样电阻。对传感器加热电路施加电压VH，使传感器敏感材料工作在约300℃的稳定状态。当探测气体接触到半导体表面被吸附时，电阻RS阻值发生变化，通过检测RL两端电压即可对气体进行间接检测。
众所周知，这类传感器极易受环境温度影响而产生输出漂移。当温度较低时，气敏传感器的电阻值较大；温度较高时，气敏传感器的电阻值较小。比如FIGARO公司的TGS2611探测器，当环境温度在由-10℃升高到40℃时，敏感电阻阻值增加到2.28倍，从而引起气敏传感器的输出电压较大变化。当环境温度改变时，加热丝的加热温度会受到影响，导致敏感材料工作温度发生偏移，RS的值亦发生变化。因此传感器检测精度下降。
当前气敏传感器的温度补偿可以从软件和硬件两方面补偿。软件方面主要通过建立温度误差数学模型，用相应的软件对数学模型进行分析来消除温度漂移带来的误差。在硬件方面，方法一，通过在取样电阻RL基础上组成一种可开、闭环工作的电路，以此来自动补偿元件参数的温漂。方法二，由于取样电阻RL与敏感电阻RS阻温特性不一致，所以可以选择一个与RS特性一样的气敏元件，将该元件封闭于纯净空气中，用同一电源加热，一致性的阻温特性会使输出电压的温度漂移值为零。方法三，可以通过与敏感电阻RS串联或者并联NTC热敏电阻来进行补偿。
这些补偿方法中，软件补偿可以发挥计算机的智能作用，提高了检测的准确度；硬件补偿方式简单、经济、高效，并且易于实现。上述硬件补偿方式有一个共性，就是当敏感电阻RS受到温度影响发生变化之后，采取适当措施，以图在RS和RL支路进行补偿，其效果有限，急于解决这一技术瓶颈。
发明内容
要解决的问题是消除金属氧化物半导体气敏传感器温度漂移问题，本发明的目的是提供一种消除温度漂移的易燃有害气体探测器，通过一个温度反馈控制电路，在环境温度变化时，相应地改变RH的加热电压，使敏感材料的工作温度保持稳定，从源头解决了RS易受环境温度影响的问题，提高了补偿精度。以利于提高易燃有害气体探测器的探测精度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种消除温度漂移的易燃有害气体探测器，其中：该探测器包括有外壳、温度反馈控制电路、气敏传感器、取样电阻，所述温度反馈控制电路与气敏传感器加热丝RH相连接，取样电阻与气敏传感器的敏感电阻RS串连。
本发明的效果是通过温度反馈控制电路，使传感器加热电压随环境温度变化自动调节，保证传感器敏感材料工作温度稳定，来抵消温度漂移对传感器精度带来的影响。传统的金属氧化物半导体气敏传感器因为所处的外界环境不同，传感器的温度漂移特性会使探测精度降低。集成了温度反馈控制电路的易燃有害气体探测器可以很好的解决这一问题，其检测结果的可靠性远高于没有进行温度补偿的检测方法，比如TGS2610气敏传感器，探测误差可由原来的﹣40％，+70％降低到±10。
附图说明
图1为金属氧化物半导体气敏传感器原理图；
图2为本发明的可以消除温度漂移的易燃有害气体探测器示意图；
图3为本发明的可以消除温度漂移的易燃有害气体探测器的温度反馈电路示意图。
图中：
1、探测器外壳 2、温度反馈控制电路 3、气敏传感器
4、取样电阻 5、工作电压接线端 6、LM2596开关电压调节器
7、调节电阻R2 8、NTC热敏电阻RC
具体实施方式
下面结合附图对本发明的消除温度漂移的易燃有害气体探测器结构加以说明。
如图2和图3所示，本发明的消除温度漂移的易燃有害气体探测器结构包括有外壳1、温度反馈控制电路2、气敏传感器3和取样电阻4。气敏传感器3为金属氧化物半导体气敏传感器，温度反馈控制电路2为基于LM2596的可调式开关稳压电源，电路中的调节电阻R27是NTC热敏电阻RC8与定值电阻R3和R4混连形成的等效电阻，给气敏传感器3提供可调的加热电压，温度反馈控制电路2的输出电压由调节电阻R27调节。温度反馈控制电路2与气敏传感器3加热丝RH相连接，取样电阻RL4与气敏传感器3敏感电阻RS相串连。通过取样电阻RL4两端电压即可对易燃有害气体进行间接测量。所述气敏传感器3为市售的金属氧化物半导体气敏传感器。
本发明的消除温度漂移的易燃有害气体探测器原理如下：
探测器输出电压，即取样电阻RL4两端电压可以由公式确定：
为了保证气敏传感器3探测精度，达到温度补偿目的，即取样电阻RL4两端电压在温度变化时保持不变，需要保证传感器敏感电阻RS在温度变化时保持稳定。
该温度反馈控制电路中，开关电压调节器LM2596是降压型电源管理单片集成电路，直流输出电压VO与调节电阻R1和R2有关，具体关系为：
为了确保输出稳定，一般调节电阻R1选用1KΩ定值电阻，NTC热敏电阻RC与定值电阻R3和取样电阻R4串并混联，用等效电阻R2代替。直流输出电压VO做为气敏传感器加热丝加热电压，需注意要在合适的范围内变化，太大会对传感器造成破坏，太小则会导致传感器性能降低，所以一般直流输出电压VO在4.8V～5.2V内，调节电阻R2的电阻值通过公式计算可得范围为2.90KΩ～3.23KΩ，根据实际情况选择合适的定值电阻与NTC热敏电阻串并联，使调节电阻R2在理论计算得到的范围内变化。在外界温度变化时，热敏电阻阻值发生变化，温度反馈控制电路输出电压VO随之改变，即气敏传感器加热电压改变以保证敏感材料工作温度稳定，取样电阻RL4两端电压的值便不会发生太大变化，提高了探测器的探测精度。
在本实施例中，实验气敏传感器3选用FIGARO公司的TGS2610型传感器，该传感器对甲烷有高选择性和灵敏度。取样电阻RL4为4KΩ定值电阻。选0.15％浓度的标准丙烷气体为被测对象。实验在温度可调的试验箱中进行，试验箱可提供-10～40℃的温度环境。具体方法是把4个气敏传感器3平均分为两组，两组传感器工作电压接线端5连接5V恒压直流电，其中第1组气敏传感器3加热电压为5V恒压直流电，第二组气敏传感器3加热电压由温度反馈控制电路2提供。
在本实施例中，温度反馈控制电路2由LM2596开关电压调节器6和NTC热敏电阻RC8及定值电阻R3和R4串并混联组成，其中直流输入端Vin+与Vin-之间输入15V恒压直流电，Vout+与Vout-为直流输出端，与气敏传感器3加热丝RH相连接。调节电阻R1为1KΩ定值电阻，热敏电阻RC8选择MF52AT型NTC热敏电阻，将其与1.5KΩ定值电阻R3并联后再与1.8KΩ定值电阻R4串联，形成等效电阻R27。当温度从-10℃到40℃变化时，NTC热敏电阻RC8阻值由44.12KΩ变化到5.73KΩ，调节电阻R27的阻值由5.23KΩ变化到4.90KΩ，直流输出端电压由5.23V变化到4.90V。
在温度变化时，记录取样电阻RL4两端电压整理实验数据发现，在第一组实验中，温度从-10℃升到到40℃时，取样电阻RL4两端电压由1.85V变化到3.11V，变化范围为1.26V；在第二组实验中，相应的温度变化，取样电阻RL4两端电压由2.38V变化到2.56V，变化范围为0.18V。很明显，本探测器可以很好的消除温度漂移对传感器带来的影响。
以上所述仅为本发明的实施例但不局限本发明的范围。只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种消除温度漂移的易燃有害气体探测器，其特征是：该探测器包括有外壳(1)、温度反馈控制电路(2)、气敏传感器(3)、取样电阻(4),所述温度反馈控制电路(2)与气敏传感器(3)加热丝RH相连接，取样电阻(4)与气敏传感器(3)的敏感电阻RS串连。
2.根据权利要求1所述的消除温度漂移的易燃有害气体探测器，其特征是：所述温度反馈控制电路(2)为基于LM2596的可调式开关稳压电源，电路中的调节电阻R2(7)是NTC热敏电阻RC(8)与定值电阻R3和R4混连形成的等效电阻，为气敏传感器(3)提供可调的加热电压，温度反馈控制电路(2)的输出电压由调节电阻R2(7)调节。
3.根据权利要求1所述的消除温度漂移的易燃有害气体探测器，其特征是：所述气敏传感器(3)为市售的金属氧化物半导体气敏传感器。
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