（凝聚态物理专业论文）氢气纯度分析仪的设计.pdf

硕士论文氢气纯度分析仪的设计 摘要 随着生活和经济的发展，人类对电力的需求越来越大，其中氢 冷发电机组被广泛采用。在运转过程中，氢冷发电机组的氢气纯度 是一个重要的指标。本论文工作主要设计了一种新型氢气纯度分析 仪，并对该仪器的设计原理、设计思想、电路组成、控制显示和支 持软件做了全面阐述。 设计的新型氢气纯度分析仪，基于不同气体具有不同的热导率和 混合气体热导率随被测成分含量不同而变化这一物理原理进行工作。 根据热传导率原理设计的氢气纯度分析仪由两部分组成:测量传感 装置和控制显示装置。测量传感装置配有两个气体室，分别用于存 储测量样气和参比气。在每一个气室中有一个温度传感器，用以感 应各自 气体的温度。 根据传感装置的特性，每种气体的热导系数以 及每个气室的温度，可以计算出被测气体的浓度，并显示在控制单 元上。 本论文应用温度补偿、自 动定时校零技术设计了新型氢气纯度 分析仪， 并且开发了相应的支持软件。该分析仪的特点是设计简化， 耗能低，实现了在线检测，体积小便于携带，性价比高，极大方便 了用户的使用，具有很好的应用前景。 关键词: 氢冷发电 机， 热传导， 温度补偿，自 动定时校零 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 ab s t r a c t t h e u t i l i t y o f th e h y d r o g e n - c o o l e d g e n e r a t o r i s i n c r e ase d r a p i d ly d u e t o t h e i n c r e m e n t o f t h e e l e c t r i c d e m a n d s u p p l y a lo n g w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f h u ma n li f e a n d c o m m e r c i a l a c t i v i t i e s . t h e p u r i t y o f t h e h y d r o g e n i n t h e g e n e r a t o r i s a k e y i n d e x d u r i n g t h e o p e r a t i o n p r o c e s s . i n t h i s t h e s i s , a n e w e q u i p m e n t f o r t h e a n a l y s i s o f t h e h y d r o g e n p u r it y w a s d e s i g n e d , a n d t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e , m a i n i d e a , s t r u c t u r e o f t h e c i r c u it , d e s i g n o f t h e c o n s o l e d i s p l a y a n d t h e s u p p o rt i n g s o ft w a r e f o r t h e e q u i p m e n t w e re d i s c u s s e d . t h e p r in c i p l e o f w o r k i s b as e d o n t h e p h y s i c a l fu n d a m e n t a l t h a t e a c h g a s h a s i t s o w n t h e r m a l c o n d u c t i v i t y a n d t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f g ase o u s m i x t u r e v a r i e s w i t h t h e c h a n g e o f i t s c o m p o n e n t . t h e e q u i p m e n t c o n t a i n s t e m p e r a t u r e s e n s o r d e v i c e a n d c o n s o l e d i s p l a y d e v i c e . i n t h e t e m p e r a t u r e s e n s o r d e v i c e , t h e r e a r e t w o g a s c e l l s f o r t h e s a m p l e g a s a n d r e f e r e n c e g a s w i t h a t e m p e r a t u r e s e n s o r t o m e asu r e t h e t e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y . t h e c o n c e n t r a t i o n o f h y d r o g e n i n t h e s a m p l e g a s c a n b e c a l c u l a t e d a n d s h o w n o n t h e c o n s o l e d i s p l a y i f t h e n a t u r a l p a r a m e t e r o f t h e s e n s o r , t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y c o n s t a n t o f e v e r y g a s a n d t h e t e m p e r a t u r e s o f t w o g as c e l l s a r e k n o wn . u s i n g t h e t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n a n d a u t o m a t i c t i m i n g z e r o - r e s e t t e c h n i q u e s , t h e n e w k i n d o f e q u i p m e n t f o r t h e a n a l y s i s o f h y d r o g e n p u r i t y w as d e s i g n e d a n d t h e c o r r e s p o n d i n g s u p p o r ti v e s o ft w a r e w a s d e v e l o p e d . t h e c o m m e r c i a l p r o s p e c t o f t h i s e q u i p m e n t i s b r i g h t w i t h s u c h g o o d c h a r a c t e r i s t i c s o f s i m p l e d e s i g n , l o w e n e r g y c o n s u m i n g , o n - l i n e o p e r a t i o n , s m a l l a n d p o rt a b l e , e a s y t o u s e b y t h e c u s t o m e r s . k e y w o r d s : h y d r o g e n - c o o l e d g e n e r a t o r , t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n , a u t o m a t i c t i m i n g z e r o r e s e t . 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 引言 随着社会经济的快速发展和人们生活水平的飞速提高，人们对 电力的需求越来越大。目前，国内很多电厂都采用氢冷式发电机组。 在氢冷式发电机组的运转过程中氢气的纯度是一个重要指标。在氢 冷式发电机正式运行前，机内被空气充满。此时首先用c 0 2 气体， 置换空气，然后再用氢气置换c 0 2 气体。当氢气达到一定纯度时， 方可正常运转发电。在氢冷发电机停机时，要进行逆过程，即用c o ， 气体置换氢气，再用空气置换c 0 2 气体。氢气纯度分析在氢冷式发 电机组的生产效率和安全性两个方面至关重要。一方面氢气浓度过 低将影响生产效率和节能效果。另一方面，当氢气达到了某纯度 的有限条件时，将引起气体爆炸，影响安全生产。因此，在氢冷发 电机组生产过程中精确快速的监测氢气浓度对提高生产效率，保证 生产安全将是一个重要的指标。使氢气的纯度尽可能地接近1 0 0 ， 可最大限度地提高发电效率，氢气纯度每降低一个百分比，发电机 的输出效率就会有很大的损失，所以准确地测量氢气的纯度至关重 要。从图l 就可以看出氢气纯度与发电机损失的关系。 图1 氢气纯度与发电机损失对照图( 假设1 0 每千瓦小时) 硕士论文氢气纯度分析仅的设计 w 为发电机的效率损失量，c 为氢气浓度。 空气中含有多种气体，要获取达到一定浓度的气体必须有相应 的制气设备。在制氢站制备氢气时，为了保证生产安全，也需要对 氢气浓度进行快速精确监测。因此，氢气纯度监测在电力生产中将 涉及多个环节，设计一种快速精确、使用方便、价格适当的分析仪 器成为了必要。 综合分析国内外同类仪器的技术原理和监测方法可知，化学分 析法精度低，速度慢，人为因素大，不易在电厂使用。气象色谱法， 仪器设备造价高，对运行环境要求高，且需取样分析，不易在电厂 中在线使用。基于热导原理的现行仪器由于需要建立温控系统和恒 温环境，使用极不方便，不易推广。因此，鉴于此原因利用热导原 理，采用温度补偿方法，避开建立恒温条件的要求，充分利用不同 气体的物理热导系数不同这一物理特性，可以分析不同气体在组分 中的精确含量。该氢气纯度分析仪就是利用此原理设计的。由于该 仪器在设计上利用了温度补偿，自动定时校零，使间歇的差异引起 的热带系数值的微小波动得到了补偿，使该仪器与被测气体处于一 个相对稳定的环境中。定时校零设计减小了仪器自身零点漂移可能 引起的误差，提高了检钡9 精度。同时该仪器简化了设计，降低了功 耗，提高了检测精度，且该仪器能够便携和在线使用，便于推广使 用，极大提高了电厂的生产效率，保障了安全生产的可能。 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 第一章绪论 1 . 1氢冷式发电 机组对气体分析的需求 发电机组必须有一个高能量的输出，以此为基础才能保持电厂 在高效状态下运行，效率是由发电机产生的，转子中有一个导体， 当它转动时，产生一个旋转的电磁场。在汽缸中的导体或定子，定 子环绕着转子，会产生流动的电荷，然而，定子和转子的铜损会产 生热量，导致发电机的输出效率降低。为了保持发电机最大的输出 效率必须使用冷却剂，以冷却绕组和定子及转子的其它部件。 氢气是一种无色、无味、无嗅的气体，在标准状况下的密度是 0 .0 8 9 8 7 g / l ， 仅是空气的2 / 2 9 ， 是世界上最轻的 物质。 氢气的 分子运 动速率最快，从而有最大的扩散速度及导热性，其导热能力是空气 的七倍。因此，在大型发电机组中普遍采用氢气来制冷，因为它是 一种优异的热传导介质，使用氢气也会增加发电机的输出，因为与 其它冷却剂相比氢气的粘度最低。氢气能降低转子的阻力，从而大 大提高效率。保持氢气的纯度接近 1 0 0 %是对冷却优化的要求，这 会最大限度地提高发电 机的效率。 氢气与空气的混合物超过一定的范围 ( 当氢气浓度在 4 %到 7 4 %之间) 后会发生爆炸。 2 分氢和 1 分氧的混合物爆炸性最强。 氢和 氧混合物的爆炸极限是随压力、温度和水蒸汽含量有关，在大气压 下其体积含量的爆炸范围如下: 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 h 2 4 %- 9 5 % 0 2 5 %- 9 6 % 氢气和空气的混合物也具有爆炸性，其范围是: h z 4 % - 7 4 %空气 2 6 % - 9 6 % 在氢冷机组运行的三个阶段:启动、正常运行和关机，必须防 止潜在危险的发生，随着氢气纯度的降低，发电效率也会降低。这 主要是因为高粘度和低热导。另一个问题是氢气中水汽的冷凝。这 些湿气能通过各种方式进入发电机，引起发电机工作元件的腐蚀， 导致停车。 在氢冷机组的启动阶段， 空的冷却管和发电机内部会含有空气， 在氢气进入之前必须排走空气，防止空气和氢气的比 例达到爆炸范 围。利用一种惰性气体，如二氧化碳来置换发电 机中的氢气。在发 电 机启动时，二氧化碳从发电机底部的管路进入发电机，让空气从 顶部排走。当二氧化碳达到8 6 %时，氢气进入发电机，排走剩余的 二氧化碳气体。 氢气是从发电 机的顶部加入， 二氧化碳从发电 机的 底部排出。 在正常操作时， 氢气通过发电机的中空冷却管在发电机中循环， 当氢气通过发电机时带走热量。然后氢气进入冷却管中冷却，通常 使用水冷或其它的换热器。密封油和循环管线中的泄漏会导致氢气 纯度的下降，因为空气会渗入氢气中以 及氢气会泄漏。由于任何泄 漏都会引起电力输出的降低，所以连续分析氢气纯度以监测氢气的 损失和空气的进入是绝对必要的。 6 硕二 匕 论文氢气纯度分析仪的设计 发电机经常按计划每年检修， 在停机阶段， 发电机中的氢气必须 排出，以防止潜在的燃烧危险。再有，必须注入惰性气体以防止空 气和氢气易燃混合气的存在。二氧化碳可被用于这个过程以驱除发 电机中的氢气，这样发电机才能够停机。为了准备停机，二氧化碳 从底部进入发电机，把氢气从发电机顶部排出。加入大量的二氧化 碳直到氢气的浓度低于5 v。 这时可以打开发电机的外壳并使用风扇 驱散剩余的二氧化碳和氢气。这种驱散方法也可防止氢气和二氧化 碳的窒息效应，此效应会对操作工作人有害。 由于氢气是易燃易爆气体，用户对氢气的纯度有一定的要求， 而且氢气纯度对于电站正常生产有着很关键的作用，必须定时对氢 气进行分析检测，以保证生产的正常迸行。 1 . 2氢气纯度分析的几种方法 国内传统的气体成分分析主要采用气相色谱法，密度测量法， 热传导法等。 气相色谱法是将氦或氢等气体作为载气( 称移动相) ，将混合物 样品注入装有填充剂( 称固定相) 的色谱柱里， 进行分离的一种方法。 分离后的各组分经检测器变为电信号并用记录仪记录下来。气相色 谱法近 2 0 年发展很快，种类很多，通常有五部分组成:( 1 ) 气源包 括载气、 燃烧器、助燃气、 气体的净化和流量控制系统;( 2 ) 进样系 统包括气化室和注射器等;( 3 ) 色谱柱是气相色谱的心脏， 它又分为 装有填充剂的填充柱和非常细的毛细管柱;( 4 ) 检测器;( 5 ) 记录仪 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 或电子计算系统。 由此可知，气相色谱法仪器设备造价高，对运行环境要求高， 且需取样分析，不宜在电厂中在线使用。 密度测量是基于气体密度原理，混合气体有不同的密度，在一 定的流速下会产生不同的压力。在孔板处用鼓风扇产生一个固定的 流速，用经过百分比浓度校准的仪表指示相应的压差。对压差和温 度读数必须是正确的，然后转换成百分浓度。 采用密度法测量样品管线一般比 较长 ( 6 1 米到 9 1 米) ，这将导 致测量滞后。 为了使样气流动，需要一个风扇， 并且管道要比较大， 以 容纳风扇。 校准费时且困难， 精度低， 速度慢， 不适合生产使用。 热传导法是基于不同气体具有不同的热导率以及混合气体热导率 随其被测成分含量变化这一物理特性进行工作的。现行的基于热传导 法的气体分析仪器由于需要建立温控系统和恒温环境，不能在线和便 携使用。该分析仪利用温度补偿的方法避开了建立恒温条件，解决了 现有仪器的不足。 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 第二章设计原理及思想 2 . 1 气体的热传导及其导热系数 热量从物体的一部分传到另一部分或从一个物体传到另一 个与前一个物体相接触的物体，通常称为热传导。 在许多问 题和计 算中都假设物质是均匀的而且各向同性的口 温度梯度的存在是热传播的必须条件。 实验证明，热传导方 式的 热传播是从高温等温面沿着其法线方向向着低温等温面进行。 ( 空间中一切点的瞬间的温度值总和，称为温度场，而场内具有相 同温度的点连接起来，就得到等温面。 )单位时间内传过单位等温 面的热量称为热流密度，其向量表示为 4 = 一 ( d q / d t ) * ( 1 / s ) 式中 d q / d t - 一 热流速度， s - 一 等温面面积，负号表示方向 向着温度减少的方向。 所以， 热传导的基本定律可以定义为:热流密度和温度梯度成 正比。即 4 = 一 x g r a d t 式中x 为热传导系数，g r a d t为温度梯度。 这种情况下，温度 只取决于一个坐标- - 一等温面的法线方向。热量向 量的数值为: q = 一 x d t / d x 大部分气体当其温度和临界温度相差很远且在压力很低时， 常可 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 看作近似的理想气体。由经典的气体分子运动理论可知气体分子具 有移动和转动的动能。由于分子运动的结果在不均衡的加热气体中 温度发生渐渐的平衡， 气体的热传导现象实质就是分子动能的扩散。 实验表明:单位时间内发热体向周围介质散失的热量与散热面积和 温度梯度成正比，其傅立叶公式为: d q = 一 a s d t / d x 式中:s - 一 为发热体向周围散热的面积。d t / d x - - 一为温度梯 度。人 - 一 一为导热体的导热系数，即热导率，它是一个正标量。 各种气体的导热系数各不相同，表 2 - 1 列出了常见气体的相对 导热系数。相对导热系数是将空气的导热系数作为 1 而在不同的温 度下计算出来的，它有时也简称导热系数，即热导率。 表2 - 1 普通气体的相对热传导率 成分热 传 导率成分热导率 ai r1 . 0 0 0 c l z0 . 3 4 2 o z 1 . 0 2 8 s o , 0 . 3 5 0 nh 3 1 . 0 4 0 h z s0 . 5 4 0 c h ,1 . 4 5 0ai0 . 6 6 5 he5 . 5 3 0 c o z0 . 7 0 4 h z 6 . 8 0 3 h z 00 . 7 7 1 n20 . 9 8 9co0 . 9 5 8 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 对于彼此之间不发生化学反应的多组分混合气体，它的平均导 热系数人 m 可以近似地用叠加法来计算，即 a m = c , x ,+c2 x z + c 3 a 3 + + c ; x， 式中 6 m - - 一混合气体的导热系数; 人 、 - 一 第1 种气体的导热系数; c - - 一第种气体的百分含量。 设混合气体中的待测组分 1 = 1 ，其体积百分含量为 c , 。在氢冷 发电机组进行气体纯度测量时，混合气体中除待测组分外的其余气 体的百分含量很低，可认为其导热系数基本相同，即:人 2 、人 3 r 、x ， 又有， c , +c z + +c n = 1 ， 则有 a m = c , a; + a : ( c 2 + c 3 + +c ) =c , x ; + x 3 ( 1 一c ,) 上式表明了待测气体浓度 c ， 与多组分混合气体导热系数x m之 间的函数关系。我们研制的氢气纯度分析仪就是在热传导原理基础 上设计的。它利用了气体体积百分比含量与气体导热系数人有关这 一物理特性。 2 . 2 氢气纯度分析仪的设计思想概述 氢气纯度分析仪的 工作原理具体分析如下。 如图2 - 1 所示， 构造 两个分析室，一个为测量气室，另一个为参考气室。在每个气室的 管道不通端的气孔中各插有一个完全相同的热电阻，热电阻上缠绕 着同样的电阻丝。参考气室密闭， 而测量气室有一个进口和一个出 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 口， 通入气体时， 它会缓慢的扩散到每个孔中。 设分析室半径为r w , 气室 钡叮 世 热 敏 元 m移 考 热 敏元 r a 一 立进 _ ! ! 一 i ! ! i l i 一 ! ! _ 图2 - 1 分析仪气室构造图 壁的温度为t w ， 加热电阻丝半径为r ， 长度为1 ， 电阻温度系数为a , 加热电流为i s ， 待测气体导热系数为x , ， 气体的平均温度近似的等 于1 / 2 ( t + t ,) ， 则 根据热传导的 傅立叶 公 式可 得: d q = 一a x 2 u r d l * ( d t / d r ) 即d t = d q / ( a , 2 二d l ) * ( d r / r ) 1 2 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 式中 d q 一 一 一在单位时间内从小段 ( d l )金属丝上所散失的热量。 d t / d r - 一 金属丝轴线垂直方向上的温度梯度。 在此，我们认为 d l 为常数，将此方程对 r积分，就得到了在 金属丝轴线垂直方向上的温度分布规律: t = 一 ! d q / ( 2 n x , d l ) * ( d r / r ) = - d q 八2 二x x d l ) i n r + c , ( 2 - 1 ) 式中c ， 为积分常数。取边界条件r = r 。 时t = t -，则: c , - t . + d q / ( 2 n a x d l ) * i n r , 将 c ， 代入式 ( 2 - 1 )可得: t = 一 d q / ( 2 二a x d l ) * i n r + t . + d q / ( 2 二x x d l ) * i n r . =t 。 一 d q / ( 2 二x x d l ) * l n ( r / r . ) 当r = r , 时t = t , ，式为 t , =t 。 一 d q / ( 2 二x x d l ) i * i n ( r . / r . ) 由此得到d q 表达式: d q = ( t om t . ) 2 二a , d l / i n ( r * / r . ) 不考虑沿金属丝长度方向所传导的热量，认为整个金属丝上热量均 匀分布。 将此式对长度 1 积分，求得单位时间内，从整个电阻丝上 所散失的热量为: q = ( t n - t . ) 2 二入 . 1 / i n ( r * / r . ) ( 2 - 2 ) 因通电电阻丝单位时间内产生的热量: q = i . z r ( 2 - 3 ) 当气室温度达到平衡时，电阻值为 r = r o ( 1 + a l ) ( 2 - 4 ) 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 a为加热电阻丝电阻温度系数， 将式 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 代入式 ( 2 - 2 ) 得: i s 2 r o ( 1 + a t , ) =仁 ( t om t , ) 2 二x . 1 1 / i n ( r . / r . ) 令k = i n ( r , / r . ) /2 二 1 ( k 称为仪器常数或热导室常数) 用近似算法得; t o ( i s r d a 二 ) *( 1 + a k i s z r o / a x + a t , ) + t , ( 2 - 5 ) 仪器分析时， 将参考气室通入导热系数为入 ， 的空气，热敏电阻的 温度为t , ， 电阻值为r , ， 在测量气室通入导热系数为a 2 的混合气体， 热敏电阻的温度为t 2 ，电阻值为r 2 ，两个气室的电阻值差为 r : a r = r z - r : 二r o a ( t 2 - t , ) 对两个气室通入不同气体时，由于气体导热系数的不同，导致电 阻温度变化的不同，从而阻值存在差别，引起电桥电路电压差的存 在， 对电 桥电路的分析可得: v 二工 : * a r ， 将 ( 2 - 5 )代入 ，可求得 热导式分析仪的表达方程: a v = k a i a r o ( x , - x ，) /a ， a z * l + a k i , r o ( a ， + a ，) / a , a z a 实际仪器中，电阻温度系数远小于1 ，将式简化得: a v = k a i a r o ( a z - a : ) /a , a z ( 2 - 6 ) 再设氢气在混合气体中的体积百分比为c ，导热系数为入 ，则 x ,= l a = ( 1 - c ) + c a ， 将a ， 、a z 代入中， 得到: a v = k a i a r o c ( a 一 1 ) / ( 1 - c ) + c a 因为上式中a = 6 . 8 0 3 ，再令 k a i , r o z = 1 0 ， 则 a v = 5 0 .8 0 3 c / 【 ( 1 - c ) + 6 . 8 0 3 c 或c = o . 1 7 2 11 v / ( 1 0 - t 1 v ) 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 传统的热导式气体分析仪设计中，我们设样气测量室的温度为 t 2 ， 参比气体测量室的温度为t , ， 气室外围温度为t o 。 那么样气与外围 温度差为从= t 2 - t o ， 参比 气体与外围 温度差为a t , = t , - t o 。 那么整个系 统的 温度差a t = a t 2 - a t l = t 2 - t , a 测量单元的桥电 路可测出由 于 t 引起 的电压差 v ，由 v ，我们可求出样气中分析气体的浓度c 。但此 时要保证气室的外围温度恒定，使气室内外不产生热扩散，而使测 量精度得到保证。 这就需要一个温度控制单元来保证外围温度恒定。 通常要使温控单元的电 流为3 -5 a ，电 压为3 0 v ， 功率为 ， 5 0 w, 所以需要 2 2 0 v交流市电来保证。这样使用环境就受到了限制，不 能在线和便携使用。利用温度补偿的方法可以解决该问 题。即我们 设样气测量室温度为t 2 ， 其外围 温度为t o e 。 参比 气测量室温度为t i , 其外围 温度为t o i ， 那么整个系统的温度差a t = a t 2 - o t i = t 2 - t i + t o l - t o 2 设 如- t o 2 = a t o , a t 。 存在下测出的 v与同一样气在气室外围温度恒 定时测出的电 压差之间有一差值 v o o o f 。 和 v o 之间应有相应的函 数关系，即我们可以用a t o 来补偿a v o 0 由 式c = 0 . 1 7 2 a v 1 ( 1 0 - ,a v ) 不 难看出c 与a v 呈明 显的 非线性关 系。其部分对应数据如表2 - 2 所示，曲线关系如图2 - 2 所示。 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 数据进行查找对比，就可以 得到相应的气体浓度含量值，并在显示 器上显示。下图就是该分析仪的结构图。 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 第三章传感测量电路的设计 气体纯度分析仪的传感测量电路原理如图3 - 1 所示。整个电路 护零城铃 召匕卜“1分亡 之y乙的配匕工 + 习豪军智 韶侣扮 比霎派 补筑一-、 。厂 的 】 - - - q |土卜1之 蕊以侣 心州州 吕 卜一 闷 卜 盛 田潺澳任 ot 2戍d明 口yc一 纭杏 甘已已 熟 鑫 琴成 仁行p簇孙 + .叼之.-卜 卜吕三军 0 c 产国区 的召侣 汽11之) 二 a s 曰 澎枷行弓、任 玲扮甚剩l袅 了功co们 例命碌百g w, 例年译导毒“ 图3 - 1 传感测量单元电路 1 8 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 分为三个部分:测量取样单元，检测和毫伏毫安转换单元，控制调 节输出单元。 3 . 1 测量取样单元的设计 测量取样单元结构的原理图参看图2 - 1 ， 注意测量取样气体单元 和参考气体单元，取样气体的气流量可以在 1 0 0 -2 0 0 c c / 分的变化 范围内流过测量气室，在这个范围内可以忽略气流量变化对分析结 果的影响，在多数应用中，参考气室充满了空气而且是封闭的。设 计一个测量开放或者流动参考气体的方案可能需要差分测量或者是 需要空气的压力补偿。 如图2 - 1 ， 测量和参考气体的热敏传感器既热 电阻安装在死端的顶部，因此，气体进入顶部仅仅靠扩散，这样最 大程度地避免了抽样气体气流的变化对测量结果的影响，当然，高 稳定的热敏元件在每个气室的顶部有匹配的一对。 盛留城创展y 盛钾城平舞r 测 t 电 路 m v / m p 转 换 图3 - 2测量取样电路 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 测量电路是一个电桥平衡电路如图3 - 2 ， 它包括一对阻值相同的 热电阻r和 mo( 如前所述，r和 m 分别位于两个分析室中，r为 参考热电阻， m为测量热电阻)阻 值相同的电阻r $ 和r ,。 及六个低 阻值电阻r- - - - - r , 6 。 测量和参考热敏传感器组成了 取样桥电 路的有 源支路。这个桥电路的电流可以被校准，取样单元的温度可以 被精 确地控制。当对电桥通入5 0 m a的恒定电流1 , 后， 如果r和m周围 的介质相同，既它们有相同的热导率系数的气体时，参考和测量热 敏传感器两者一样都是主要的热损耗源，电阻温度变化相同，阻值 下降也相同， 取样桥在这样条件下 应该是平衡的。 使得放大器a : 和 a : 的正向输入电压v , 和v : 相等，二者不存在电压差，整个电路输 出为零。跨接电阻r l l 到r 1 6 用来调整这个单元桥的0 平衡。如果 混合气体的热传导率的分析结果与空气有很大差异， 例如h : 的值占 巧%，这个测量气体的热敏传感器 m，有一个低的传导系数，将比 参考热敏传感器r损耗的热量少，将会导致两个热敏传感器温度上 的差异，从而导致他们电阻的不同，从而导致桥电路的不平衡。从 而导致跨过桥的电势的差异引起一个等价的输入到如图 3 - 2所示的 转换器a 2 , a 3 , a 4 的毫安、 毫伏的 变化。 3 . 2 检测和毫伏毫安转换 如图3 - 2 所示，两个运算放大器a 2 和a 3 连接起来作为差动放 大电路，来检测到以上提到的传感器桥的不平衡。这个运算放大器 组来驱动 a 4 ，通过这个毫伏/ 毫安转换电路来控制通过晶体管 t r 2 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 的发射极电流。这个电流建立在传感器单元的输出信号变化上，因 此，这个转换输出电流流过电阻 r 2 6 将根据电流桥的平衡的变化而 变化，也能因此反映出取样气体的含量。这个电流，不受线性电阻 的变化，组成了传感器单元的输出信号电流。注意桥的无源支路部 分桥电阻r 1 0 ，可以通过选择短路适当的从 r 1 1 到r 1 6 的串联电阻 网络来调整，提供该桥的电流常量是由电路中的t r l 提供的，电路 图 3 - 3左边的电路单元组成了这个桥电流 ( 恒流)的调节电路，这 个电流由 3 0 v直流电压从控制单元供给传感器单元。电感 l 1 , l 2 和电 容c 1 , c 2 组成一个r - f 滤波器，来避免3 0 v电源线上的尖 峰。 3 . 3 控制调节输出单元 从以上提到的传感器单元输出的信号，组成了运算放大器 a l 的一个电流信号输入。二级 ( 信号) 输入， 通过零调整电路中的电 阻r 1 5 ， 在接点e加到信号电 流上。 主信号电流和零偏置电流在e 点相加， 如简化的原理图3 - 4 所示， 通过电阻f 形成一个电动势， ( 考 虑到信号电流流经f 到信号公共地， 信号偏置电流流经f 流到r l 5 ) , 注意， a l 的反相端输入将导致低测量计数的影响，因此， 一个开路 信号线会导致一个低测量计数的读数。可变电阻f 可视为用于低范 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 。， 盛影印劫 盔荃簇赶澳 夕、口 0010足n00一一曰coom+ 图3 - 3 传感测量路总图 2 2 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 控 制 单 元 呱 输 出零点调节 图3 - 4 调节控制电路 围的r 2 和用于高范围的r 3 9 。 为了能用于低范围测量和用来高范围 的r 3 9 ， 为了适应信号范围调节能用于全范围， 调节r 2 和r 3 9 之间 的精确的比率，可在生产时设定，因此， r 2 和r 3 9 调定后要密封， 而且一定不要被破坏，这是在两者间范围的无损耗计算。电阻 f用 来调节在e点形成大约5 v的电压，这个电压输入到a 1 ， 来保证全 范围测量。 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 在e点的0 到5 v信号用于由a l 组成的稳定的反馈放大器和由 q 1 和q 2 连接组成的达林顿结构。 这个附加电路可以 通过调整一些 反 馈的 变 化 产组 成 合 适的 测 量 范围 ， r 6 为 范围 调 节 器， 用 来 实 现 范 围调节。接点g处稳定的电压的变化与接点e处的0 到5 v输入信 号的变化成比例。这些变化反映了单元桥上的差动电压，因此，也 浓缩了测量气体的变化。 g点的电压提供了主输出信号， 如图3 - 4 ， 报警电路由 在g点的 0 到l o v信号来操作，仪表电路连接到g点和信号地之间。根据串 联电阻网络在每个电路中的串联电阻来进行具体分范围的计算， r 1 0 调节器在前面板上被标为“ 仪表范围” ， 如果有电压输出， 在g点和 信号地之间的0 到 l o v信号分别被直接连到端点 1 0 和 1 1 和测试点 t p 2 和t p 1 上。 q 2 的 集电 极电 流， 流经反 馈电阻r 6 ， 在g点 提供 一个电动势来组成电流输出。 当输出电流被确定， 这个输出电流的0 电流调整网络就被加到g点和信号公共端。 为了达到0 -2 0 m a电流 的输出范围， 滑动变阻器r 7 作为信号的普通限制和无电 路影响的网 络组成。为了达到4 -2 0 m a电流的输出范围，负载端需要 4 n a电 流， 因此， 通过r 6 来确定低端测量范围。 同时， g端电压必须为0 , 通过r 7 来达到设定的负电 压，来提供流经r 6 的4 m a负电 流 ( 从 信号地) ， 这就要求q 2 有附加的4 m a集电 极电 流， 这个负载也使反 馈电路使g点电压降到o v o 桥电流调节电路位于传感单元的回路上， 在电路图3 - 3 的右边， 他给热敏传感器提供恒流。这个调节器由图 3 - 3中的电 流感应电阻 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 r 7 和电阻r 5 4 ，积分电路a 1 ，晶体管t r 1 和相关电路单元组成。 电流调节器由 通过检测和控制通过电流传感单元电阻r 7 和 r 5 4的 电流来实现。a 1 ，单块集成积分电路，组成这个调节器的需要控制 和操作的全部单元， 来提供r 7 -r 5 4 的电压，电路a 1 ， 通过r 3 上 的电压信号， 来控制循环回路或晶体管t r 1 的导电时间的长短， t r 1 的集电极电流就是流过r 7 -r 5 4的桥电流。 热敏传感器组成桥的一个支路，( 另一个支路是电阻 r 3 3 , r 3 0 和r 3 4 ) 由a 5 来探测桥的不平衡信号， 形成方波开关电 压来提供给 在 a 5电源中的达林顿晶体管组，开关信号来控制晶体管的开关频 率，晶体管的开关信号根据探测到的桥的不平衡也控制着开时间的 长度，通过这个方法，达林顿的输出电流即组成热源的源电流，可 以精确地得到控制。 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 第四章: 控制显示系统的设计 最后我们要将测量结果直观的表示出来。我们利用夜晶显示板 ( l c d )作为气体分析仪的结果显示。 4 . 1 设计简介 该部分的工作原理如图4 - 2 所示: 图4 - 1 设计原理 工作原理: 本系统采用8 9 c 5 1 与1 2 位a / d转换器及液晶显示模块 e d m1 2 8 1 2 8 作为核心电 路。 先读入量程， 在中 断处理程序里， 8 9 c 5 1 读入m a x 1 9 7 的1 2 位数字 信号，由 不同的 量程， 经过不同的 算法 处理，转化为相应的经过分离的纯度值，放入内存。8 9 c 5 1通过 e d m 1 2 8 1 2 8的读写，由量程信号，在 l c d上显示类型，再结合 n v s r a m中的纯度值，在l c d上显示百分纯度。 4 .2 器件简介 2 6 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 1 液晶模块 现代显示器件的主要发展趋势是平板显示。在各类平板显示器 件中， 液晶 显示器件( l c d ) 以 其微功耗、 低工作电 压， 可以 与c m o s 电路直接匹配、色调柔和、 无闪烁、无软x射线辐射和易于实现大 规模集成化生产等一系列优点而独树一帜，它是显示技术发生了革 命性的转折，并将计算机、办公自 动化设备、电 视、通讯和仪器仪 表产品的开发推上了一个崭新的阶段。液晶显示技术的发展极为迅 速，己从段式显示发展到点阵示字符显示和点阵示图形显示;材料 上，己从t n( 扭曲向列型) 发展到s t n( 超扭曲向列型) : 规模上， 已从小规模点阵象素 ( 1 0 0 列x3 2 行象素点)发展到大规模点阵象 素 ( 1 0 2 4 列x 7 6 8 行象素点) ; 显示颜色己 从单色发展到了8 级灰度 和彩色显示等。 字符型液晶显示模块是一类专门 用于显示字母、数字、符号等 的点阵型液晶显示模块，在显示器件的电极图形设计上，它是由若 干个5 x 7 或5 x1 1 等点阵字符位组成。 每一个点阵字符都可以显示 一个字符。点阵字符位之间有一个点距的间隔起到了字符间距和行 间距的作用。在我国，字符型液晶显示模块的应用以日 本 d mc系 列位主流产品。 这类模块均以日 立公司的h d 4 4 7 8 0 或可替代的其它 集成电路 ( 如k s 0 0 6 2 f 0 0 )为控制器，h d 4 4 1 0 0 或其它可替代的集 成电路 ( 如 s e d 0 0 6 1 d )为驱动器。这类模块的控制驱动电路原理 见下图 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 图4 - 2 e d m1 2 8 1 2 8 原理图 2 . 字符型液晶显示控制及驱动器h d 4 4 7 8 0 h d 4 4 7 8 0 是集驱动器与控制器于一体，专用于字符显示的控制 驱动集成电路。有以下特点: 1 ) .h d 4 4 7 8 0 不仅可以 作为控制器而且还具有4 0 x 1 6 点阵液晶象 素的能力，并且其驱动能力可以通过外接驱动器扩展 3 6 0 列驱动; 2 ) .h d 4 4 7 8 0的显示缓冲区及用户自 定义的字符发生器 c g r o m 全部内置在芯片内; 3 ) .h d 4 4 7 8 0 具有适用于ms c -5 1 系列c p u接口，并且接口 数 据传输可为8 位数据传输或4 位数据传输两种方式; 4 ) .h d 4 4 7 8 0 具 有简单而功能 较强的 指 令集， 可实现字符 移动、 闪烁等显示功能。 h d 4 4 7 8 0 的工作原理如下: h d 4 4 7 8 0 与c p u接口部控制时序适合于mc s -5 1 系列c p u , 其内部寄存器都通过1 / o缓冲器与接口的数据总线相连， 1 / o缓冲器 除了具有一般 1 / o接口的缓冲功能外，还具有将c p u的4 位数据方 2 8 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 式传输来的信息转化成内部的 8位数据传输的能力，从而使 h d 4 4 7 8 0 有较宽的适应能力。 h d 4 4 7 8 0 接口中有两个寄存器直接与1 / 0缓冲器相连。一个是 指令寄存器i r ，它用于存储指令代码，诸如清屏、光标移动和显示 缓冲器等， 指令寄存器只能由c p u送入显示缓冲区单元或字符发生 器c g r o m单元的数据， 也是c p u读取这些单元数据的暂存器。 与 1 / 0缓冲器有联系的还有一位忙标志位“ b f ” 和地址计数器a c的输 出。 c p u只可以直接读取它们的信息。 忙标志位“ b f ” 是h d 4 4 7 8 0 向c p u提供的唯一一位位状态信号，它反映h d 4 4 7 8 0内部运行时 序状态。 b f = 1 表示内部控制电路正在处理指令寄存器的指令代码及 数据寄存器内的数据， 这是h d 4 4 7 8 0内部的电路将将封锁接口 部的 1 / 0缓冲器，不接受c p u发来的任何指令代码或数据。当b f = o 时， h d 4 4 7 8 0向c p u表示以准备好接受状态，可以随时接受c p u发来 的控制信号与数据。 c p u在访问h d 4 4 7 8 0 时必须先读b f 信号， 可 以判断h d 4 4 7 8 0 的工作状态。 接口部的控制线有三条，它们是: e输入使能信号。在读状态时，高电 平有效:在写状态下。下 降沿有效。 r / w输入 读写选择信号。 r s 输入寄存器选择信号。 r s = o 为指令寄存器; r s = 1 为数据 寄存器。 这三条控制线是用于 c p u访问h d 4 4 7 8 0 使用的，全部为输入 2 9 硕士论文氢气纯度分析仪的设计 状态。 c p u与h d 4 4 7 8 0 的接口 工作原理如下: 在8 位数据总线下， c p u可以同时设置r s = 0 / 1 , r / w= 1 ， 然后 向h d 4 4 7 8 0的 e端发送出