高精度氣敏特性動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬宏偉，韓根亮，徐武德，陳小通，祁昌禹，楊旭輝

(甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

近年來(lái)，隨著氣體污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，人們對(duì)氣體傳感器的性能要求不斷提高，氣體傳感器氣敏特性研究顯得越來(lái)越重要。目前，高性能氣體傳感器的研究已取得了很大的進(jìn)展，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，氣體傳感器的精確度、穩(wěn)定性、選擇性、響應(yīng)速度等特性都有了較大的提高，但對(duì)氣體傳感器氣敏特性測(cè)試方法的研究卻進(jìn)展緩慢，大多仍采用傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試方式，測(cè)試方法落后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高性能氣體傳感器的測(cè)試要求。因此,考慮采用動(dòng)態(tài)氣體檢測(cè)的方法,研究設(shè)計(jì)了一種新型檢測(cè)裝置,以滿足目前高性能氣體傳感器的測(cè)試要求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的氣敏特性靜態(tài)測(cè)試方法是在密閉氣室中通入一定量的測(cè)試氣體，將氣體混合均勻，通過(guò)測(cè)量氣體傳感器在接觸測(cè)試氣體前后的電阻變化來(lái)表征傳感器的氣敏性能。這種方法比較簡(jiǎn)單但卻不夠精確，僅僅給出測(cè)試氣體在量上的積累，無(wú)法區(qū)分氣體在傳感器表面吸附和反應(yīng)的過(guò)程[1-2]，測(cè)試能力十分有限。雖然最終結(jié)果都是使氣體傳感器氣敏材料體電阻降低,但是不同氣體的分子結(jié)構(gòu)、吸附熱、反應(yīng)活化能等特性各不相同，其吸附和反應(yīng)的過(guò)程是完全不一樣的[3]。采用動(dòng)態(tài)氣體檢測(cè)方法,可以通過(guò)嚴(yán)格控制測(cè)試氣體各組分動(dòng)態(tài)濃度配置以及提高氣體混合均勻性等方法，在測(cè)試過(guò)程中有效區(qū)分各氣體成分在不同傳感器表面的反應(yīng)、作用過(guò)程，盡可能多地獲取測(cè)試氣體各成分在傳感器敏感材料表面吸附和反應(yīng)的動(dòng)態(tài)信息，以提高測(cè)試裝置對(duì)氣體傳感器選擇性的評(píng)判能力，從而在甄別氣體傳感器選擇性的基礎(chǔ)上，達(dá)到對(duì)其氣敏性能的精確測(cè)試。

目前，由于氣體傳感器種類繁多，不同的氣體傳感器對(duì)測(cè)試氣體環(huán)境的要求也不同。因此，考慮在同一配氣裝置上，通過(guò)對(duì)不同種類氣體的精確控制和合理配比，配制出滿足不同測(cè)試需要的各種測(cè)試氣體。在氣體傳感器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，測(cè)試氣體的精確配置是測(cè)試裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其配氣精度和混氣均勻性對(duì)測(cè)試結(jié)果有著重要的影響。如何精確、靈活地配制不同類型、不同濃度的混合氣體，合理控制氣體流速，保持氣體氣流通暢、混合均勻，杜絕渦流、漩渦等的形成，是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

測(cè)試裝置主要由動(dòng)態(tài)配氣裝置、測(cè)試室和氣敏特性檢測(cè)電路等三部分組成。動(dòng)態(tài)配氣裝置通過(guò)高精度質(zhì)量流量控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體質(zhì)量流量的精確控制。由于是控制氣體的質(zhì)量流量而非體積流量，因而配制的測(cè)試氣體濃度將不受環(huán)境溫度和壓力變化的影響[4]。另外，為了對(duì)氣體傳感器的選擇性和抗干擾能力進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試，動(dòng)態(tài)配氣裝置需要實(shí)現(xiàn)背景氣體與多種測(cè)試氣體的摻混。通過(guò)嚴(yán)格控制動(dòng)態(tài)流量，使混合氣體達(dá)到測(cè)試所需的精確配比。測(cè)試室是專為傳感器和測(cè)試氣體發(fā)生反應(yīng)而設(shè)計(jì)的密閉氣室，給傳感器測(cè)試提供反應(yīng)氣體和反應(yīng)條件。測(cè)試室要求氣體進(jìn)出流暢，溫度梯度穩(wěn)定可靠、混合氣體氣場(chǎng)分布均勻，能有效避免溫度變化、氣流波動(dòng)等因素對(duì)傳感器測(cè)試造成影響。氣敏性能檢測(cè)電路采用匹配電阻分壓法[5]，通過(guò)設(shè)計(jì)匹配電阻自動(dòng)切換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體傳感器氣敏特性數(shù)據(jù)的精確采集[6]。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，提取相關(guān)反應(yīng)氣體種類信息，對(duì)傳感器相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算。

2 動(dòng)態(tài)配氣裝置設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)配氣裝置主要用來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)氣體環(huán)境。該裝置由氣源、氣路、混氣室和測(cè)試室等四部分組成。氣源提供測(cè)試氣體和背景氣體。兩種氣體通過(guò)高精度質(zhì)量流量控制器分別進(jìn)入混氣室的上下腔體，在混氣室中被均勻混合；然后，與測(cè)試室中氣體傳感敏感材料發(fā)生反應(yīng)；最后，形成尾氣，被回收并作分析處理。動(dòng)態(tài)配氣裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)配氣裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of dynamic gas distribution device

2.1 氣源、氣路的設(shè)計(jì)

氣源為傳感器測(cè)試提供背景氣體、測(cè)試氣體和清洗氣體，共設(shè)有四路。其中，兩路為測(cè)試氣體，分別由兩個(gè)高純氣源供氣，使各種氣體摻混；一路為背景氣體，提供測(cè)試氣體背景環(huán)境；一路為氮?dú)猓鳛榍逑礆怏w，用以在測(cè)試前后清洗整個(gè)氣路，保證管道清潔干燥。氣路由氣體質(zhì)量流量控制器、單向閥、針閥和不銹鋼氣管等組成，質(zhì)量流量控制器精度為±1% F·S，選用最大量程分別為5 mL/min、1 L/min、10 L/min的三種規(guī)格，用來(lái)控制三路測(cè)試管道氣體流量。 5 mL/min和1 L/min的質(zhì)量流量控制器控制兩路測(cè)試氣體，分別完成低濃度和中高濃度氣體摻混； 10 L/min的質(zhì)量流量控制器控制背景氣體流量，通過(guò)三種質(zhì)量流量控制器的合理配合，能實(shí)現(xiàn)氣體傳感器所需的、各種高低濃度混合氣體的配置。一般在分辨率為5×10-6的情況下，該設(shè)計(jì)能提供低于1.0×10-4的混合氣體濃度環(huán)境。另外，基于MFCs通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每路流量計(jì)的自動(dòng)控制和流量設(shè)定顯示，提高了裝置的自動(dòng)化程度[7]。每個(gè)質(zhì)量流量控制器的前后各安裝一個(gè)截止閥，起到保護(hù)質(zhì)量流量控制器的作用。

2.2 混氣室的設(shè)計(jì)

在氣敏特性動(dòng)態(tài)測(cè)試中，如何把測(cè)試氣體和背景氣體均勻混合，是混氣室設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。混氣室氣體是否混合均勻，將直接影響到整個(gè)裝置的測(cè)試精度。然而，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，常用的風(fēng)扇攪拌、離心加速等摻混方法都不適用。這些方法不但會(huì)影響氣流的穩(wěn)定性，而且也容易影響質(zhì)量流量控制器對(duì)小流量氣體的精確控制，最終將影響測(cè)試室中穩(wěn)定層流的形成、降低設(shè)備的測(cè)試精度。 考慮到這些因素，本文設(shè)計(jì)了一種平穩(wěn)摻混的混氣室結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 混氣室結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the gas mixing chamber

混氣室[8]主要由上腔體、下腔體、隔板、法蘭、進(jìn)氣管、排氣管和氣體導(dǎo)通管七部分組成。上腔體和下腔體之間靠法蘭連接，中間由隔板分開(kāi)，隔板中間設(shè)有氣體導(dǎo)通管。其一端接近下腔體的底部，另一端接近上腔體的頂部。兩根進(jìn)氣管對(duì)稱設(shè)置在下腔體的中上部，出氣管設(shè)置在上腔體的中下部。導(dǎo)通管導(dǎo)通上下腔體，被測(cè)氣體通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入上腔體。當(dāng)上腔體氣體充滿后，通過(guò)導(dǎo)通管進(jìn)入下腔體，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)混合，最后通過(guò)排氣管導(dǎo)出被均勻混合的氣體。反復(fù)試驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)充分利用各類氣體的物理特性，通過(guò)氣體的對(duì)流、擴(kuò)散等作用，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)氣體的兩級(jí)平穩(wěn)摻混，有效避免了風(fēng)扇攪拌、離心加速等方法導(dǎo)致的氣流激烈波動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的平穩(wěn)摻混，混氣效果均勻、可靠。

2.3 測(cè)試室的設(shè)計(jì)

測(cè)試室為傳感器提供穩(wěn)定的氣體環(huán)境和工作溫度環(huán)境，主要完成氣體傳感器的性能測(cè)試。其結(jié)構(gòu)將直接影響測(cè)試的效果。通常測(cè)試室要求進(jìn)出氣流通暢，能形成均勻的氣體層流和穩(wěn)定的溫度場(chǎng)分布，避免渦流漩渦等現(xiàn)象的產(chǎn)生；測(cè)試室內(nèi)反應(yīng)后的氣體能夠盡快排出，保證測(cè)試室內(nèi)氣體濃度不受測(cè)試過(guò)程影響而發(fā)生變化；測(cè)試室應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便操作。為了實(shí)現(xiàn)以上要求，應(yīng)用有限元分析方法，對(duì)測(cè)試室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反復(fù)設(shè)計(jì)和建模仿真。通過(guò)對(duì)測(cè)試室內(nèi)氣體的流體力學(xué)和熱力學(xué)分析，解決了測(cè)試室內(nèi)進(jìn)出氣流容易發(fā)生堵塞、氣體分布不均勻、測(cè)試室內(nèi)剩余氣體不能完全盡快排出等問(wèn)題，最終完成了性能優(yōu)良的測(cè)試室設(shè)計(jì)。測(cè)試室結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)試室結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the test room

測(cè)試室[9]主要由上蓋、主腔體、下蓋和支架四部分組成。支架上設(shè)有下蓋，下蓋和上蓋之間設(shè)有測(cè)試室主腔體。主腔體的上頂面和下底面分別設(shè)有密封槽，槽中設(shè)有硅膠墊，保證測(cè)試室完全密封。主腔體兩側(cè)壁分別設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，其分別與主腔體相通。測(cè)試氣體通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入，廢氣從出氣口排出。為便于測(cè)試，主腔體和上蓋之間采用手?jǐn)Q螺絲連接，其余各部分之間采用螺栓連結(jié)。測(cè)試室主腔體是整個(gè)測(cè)試室的核心，對(duì)氣體傳感器氣敏特性測(cè)試極為重要。試驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)能避免氣敏特性測(cè)試室內(nèi)易形成渦流、難以排出剩余氣體等問(wèn)題，且在測(cè)試時(shí)操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了裝置對(duì)氣體傳感器的測(cè)試精度。

3 測(cè)試室的流體力學(xué)仿真

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析已經(jīng)成為解決流體問(wèn)題的有效途徑。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化：將測(cè)試室內(nèi)的混合氣體離散化為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，通過(guò)對(duì)各規(guī)則單元體的物理特性分析，得出滿足工程精度的理想處理結(jié)果，進(jìn)而得到對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理特性模擬。這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

3.1 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試室內(nèi)混合氣體的流體分布特征是測(cè)試室性能的主要考量因素。通過(guò)有限元求解，可以準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行仿真模擬。采用Fluent軟件，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維劃分。該軟件提供的無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，能夠?qū)?fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算和模擬，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格。生成的網(wǎng)格包括三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格[10-12]。這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力有利于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)和邊界層流場(chǎng)問(wèn)題。具體的Fluent軟件程序設(shè)計(jì)包括以下幾部分：利用CAD軟件設(shè)計(jì)測(cè)試室三維立體結(jié)構(gòu)模型，將其導(dǎo)入到Gambit，建立并網(wǎng)格化模型，生成邊界網(wǎng)格；使用TGrid網(wǎng)格生成軟件，從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成2D網(wǎng)格、3D四面體網(wǎng)格、六面體及混合網(wǎng)格；采用prePDF軟件對(duì)混合氣體反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行模擬；利用Fluent求解器，對(duì)測(cè)試室內(nèi)氣體流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算仿真。程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 程序結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of program

3.2 參數(shù)設(shè)置和流體仿真

圖5 流體三維矢量分布圖Fig.5 Three-dimensional vector distribution diagram of fluid

由圖5可知，在氣體剛進(jìn)入測(cè)試室入口時(shí)，氣體流速較大、氣流密度較高，整個(gè)氣流沿著測(cè)試室內(nèi)壁呈錐形分布。隨著氣體的進(jìn)入，氣流流速逐漸減小、密度逐漸趨于均勻，在測(cè)試室水平段時(shí)達(dá)到理想的均勻分布，氣室內(nèi)氣體平穩(wěn)流動(dòng)，形成穩(wěn)定的流層，沒(méi)有渦流漩渦等現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此將氣體傳感器設(shè)置在水平段，可以達(dá)到最佳的測(cè)試效果。當(dāng)測(cè)試氣體與傳感器反應(yīng)后，反應(yīng)尾氣能隨著背景氣體向測(cè)試室尾端集結(jié)，并在出口處快速流出，沒(méi)有形成停滯和死角等現(xiàn)象。通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算可以得到，氣體在測(cè)試室內(nèi)部水平段的流速在10.1～10.3 m/s之間，氣流密度均勻，氣體流動(dòng)平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)分析驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試裝置的配氣精度及測(cè)試效果，選取了常見(jiàn)的甲烷、乙醇、苯等三種氣體，以氮?dú)鉃楸尘芭渲昧烁鞣N濃度的測(cè)試氣體，通過(guò)聚四氟乙烯氣袋對(duì)所配氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并選用氣相色譜儀對(duì)氣樣進(jìn)行測(cè)試[15-16]。另外，精選了高精度的甲烷氣體傳感器、乙醇?xì)怏w傳感器、苯氣體傳感器各兩只，對(duì)裝置的測(cè)試效果進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試裝置所配氣體濃度測(cè)試情況如表1所示。

表1 裝置配氣效果測(cè)試表Tab.1 Test table of air distribution effect

從表1中可以看出，測(cè)試裝置能夠準(zhǔn)確地配置出所需濃度的測(cè)試氣體，配氣相對(duì)誤差一般可以控制在1%以內(nèi)(乙醇是易溶物質(zhì),常溫常壓下易液化,造成相對(duì)誤差較大)，配氣精度高，完全能夠滿足高精度氣體傳感器的測(cè)試要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于動(dòng)態(tài)配氣方法設(shè)計(jì)的氣敏特性動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置，增強(qiáng)了對(duì)氣體作用過(guò)程的分辨能力，提高了對(duì)氣體傳感器選擇性的判斷能力。測(cè)試裝置混氣室和測(cè)試室實(shí)現(xiàn)了被測(cè)氣體的兩級(jí)摻混和平穩(wěn)測(cè)試，有效提高了測(cè)試裝置的混氣均勻性和測(cè)試準(zhǔn)確性。通過(guò)有限元分析模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該裝置配氣均勻準(zhǔn)確，測(cè)試穩(wěn)定可靠，能夠滿足不同傳感器在不同氣體、不同濃度條件下的測(cè)試要求，適合高性能氣體傳感器的性能測(cè)試和研究開(kāi)發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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