恒電位驅動型氫氣濃度監測儀研制

褚 力,王宏慶，唐 敏，李 楊,汪清沛

(中國核動力研究設計院，四川 成都 610041)

0 引言

氫氣作為理想的可再生型清潔能源，具有來源廣泛、高效環保、可循環利用等優點，對推進節能減排、能源結構調整和應對全球氣候變化具有重要意義，現已廣泛應用于冶金、石油、化工、食品、電子、航空、航天、能源、國防等眾多領域。然而，氫氣是一種無色無味、極易泄漏的可燃性氣體。當氫氣濃度占比4%～75%時，極易在溫度、壓力、火花、震動、沖擊等條件刺激下發生劇烈燃燒或爆炸。氫氣燃爆能僅為0.02 MJ，燃爆速度高達270 cm/s[1-3]。2011年3月的日本福島核電站事故中，由于安全殼內氫氣濃度超標引發了氫氣爆炸，破壞了安全殼結構完整性，造成了放射性物質嚴重泄漏，導致了周邊環境嚴重污染[4]。因此，研制一套安全可靠、靈敏度高、響應速度快的氫氣濃度監測儀，對于避免氫氣燃爆、排除氫氣安全隱患、推動氫氣廣泛應用具有極其重要的意義。

本文研制了恒電位驅動型氫氣濃度監測儀，針對氫濃度傳感器開展了測控方法研究，優選恒電位法作為氫濃度傳感器測控方法，并以此為基礎設計了氫濃度傳感器調理電路。本文采用現場可編程門陣列(field programmable gate array，FPGA)作為主控制器，結合氫濃度傳感器信號調理、溫度傳感器信號調理、模數轉換器(analog to digital converter，ADC)、數模轉換器(digital to analog converter，DAC)、通信等硬件電路，以及底層驅動、采樣濾波、氫氣濃度算法、邏輯控制流程等核心軟件，研制了氫氣濃度監測儀。本文首先簡要介紹了氫濃度傳感器測控方法以及測量原理；然后，闡述了氫氣濃度監測儀硬件架構與軟件設計；最后，對儀器進行了性能試驗，并對試驗數據進行了分析。

1 傳感器測控方法研究

電化學型氫濃度傳感器測控方法主要包括原電池法和恒電位法[5]。測量原理如圖1所示。

圖1 測量原理圖Fig.1 Measurement principle

1.1 原電池法

原電池法針對兩電極結構的氫濃度傳感器。測氫電極在電解質溶液中與氫氣發生電化學反應，產生與氫氣濃度相關的極化電流信號。原電池法無需對氫濃度傳感器進行控制。高精度電流檢測電路可直接測量流經工作電極和輔助電極回路的極化電流，具有原理簡單、易于實現等特點。本文基于原電池法，對不同標準氫氣濃度分別進行了3組測試。原電池法測試結果如表1所示。

表1 原電池法測試結果

由表1可知，原電池法單次測量具有較高的線性度，但重復測量相對標準偏差較大。3組測試的線性度分別為0.993 3、0.996 9和0.995 9，平均值為0.995 9。

1.2 恒電位法

恒電位法針對三電極結構的氫濃度傳感器。該方法利用恒定電壓源產生恒電位驅動信號對氫濃度傳感器進行驅動，維持參比電極與工作電極之間的電勢差恒定，并測量流經工作電極和輔助電極回路的極化電流。相比于原電池法，恒電位法具有原理復雜、實現難度大、性能穩定等特點。在恒電位驅動信號為350 mV的條件下，本文基于恒電位法對不同標準氫氣濃度分別進行了3組測試。恒電位法測試結果如表2所示。

表2 恒電位法測試結果

由表2可知，恒電位法單次測量具有較高的線性度，重復測量相對標準偏差較小。3組測試的線性度分別為0.995 1、0.994 8和0.995 1，平均值為0.995 0。

1.3 對比分析

原電池法和恒電位法測量結果線性度均大于0.99，表明這2種方法均適用于氫氣濃度定量分析。但是，原電池法測量重復性誤差大于5%，不適用于氫氣濃度重復分析；恒電位法測量重復性誤差小于1%，適用于氫氣濃度重復分析。因此，本文優選恒電位法作為氫濃度傳感器的測控方法。

2 測量原理

根據氫濃度傳感器測控方法研究結果，本文基于三電極體系氫濃度傳感器開展氫氣濃度監測儀研制。氫濃度傳感器包括工作電極、參比電極和輔助電極。

工作電極、輔助電極、極化電源(power,P)和電流表(ammeter,A)構成極化回路，為電化學反應產生的自由電子和導電離子提供導電通路，形成與氫氣濃度分壓成比例的極化電流。工作電極、參比電極和電壓表(Voltmeter,V)構成測量控制回路，維持參比電極和工作電極電勢差恒定，實現對氫濃度傳感器的恒電位驅動[6]。參比電極具有已知且穩定的電極電位，在測量過程中不發生電極極化。因此測量控制回路幾乎沒有電流，不會對工作電極的極化狀態和參比電極的穩定性造成干擾。

氫氣濃度監測原理如圖2所示。

圖2 氫氣濃度監測原理Fig.2 Principle of hydrogen concentration monitoring

被測氣體中的氫氣組分進入氫濃度傳感器，隨即與工作電極發生電化學反應，形成的極化電流與氫氣濃度分壓呈比例關系。氫氣濃度監測儀通過檢測極化電流進而計算出氫氣濃度分壓，并結合總壓力表征被測氣體中的氫氣濃度[7]。氫氣濃度計算如式(1)所示。

(1)

式中：Ppart為氫氣濃度分壓，kPa；N為電化學反應電子數；F為法拉第常數；A為電極正對面積，mm2；Dm為氫氣擴散速率，mm/s；Xm為氫氣透過膜厚度，mm；I為極化電流，μA。

(2)

式中：Ptotal為被測氣體總壓力，kPa；CH為氫氣體積濃度，vol%。

3 儀器設計

3.1 總體設計

氫氣濃度監測儀主要由探頭、二次儀表和電纜連接器組件這3部分組成。探頭包括了氫濃度傳感器和溫度傳感器，布置在安全殼內不同位置，如安全殼穹頂、穩壓器隔間、蒸汽發生器隔間等。二次儀表布置在安全殼外的電氣廠房，可同時連接3組探頭。探頭和二次儀表通過電纜連接器組件連接，兩者之間最大連接距離可達150 m。電纜通過電氣貫穿件貫穿安全殼結構。

3.2 硬件設計

氫氣濃度監測儀硬件采用模塊化電路設計，主要包括信號調理電路、ADC電路、DAC電路、通信電路和主控電路。

3.2.1 信號調理電路

信號調理電路根據氫氣濃度和溫度的測量原理及特性，分別對氫濃度傳感器和溫度傳感器進行驅動，并對其產生的微弱電信號進行濾波、轉換、放大，以匹配ADC電路輸入特性。信號調理電路為模擬電路，包括氫氣濃度調理電路和溫度調理電路。

①氫氣濃度調理電路。

氫氣濃度調理電路如圖3所示。

圖3 氫氣濃度調理電路Fig.3 Hydrogen concentration conditioning circuit

氫氣濃度調理電路接收DAC電路輸出的恒電位驅動信號。該驅動信號與參比電極電位進行比例運算后由運算放大器輸出輔助電極電位，以維持參比電極與工作電極之間的電勢差恒定，實現對氫濃度傳感器的恒電位驅動。氫氣濃度調理電路對電化學反應產生的極化電流進行電流/電壓轉換，并放大成毫伏級電壓輸出。該電壓經濾波后直接輸入至ADC電路進行數據采集。

氫氣濃度調理電路采用低噪聲、低輸入失調電壓，以及低輸入偏置電流的雙極性運算放大器OP-07設計。為防止傳輸線或空間耦合的高頻振蕩信號造成運算放大器U22自激，電阻R54前端串聯了陶瓷電容C52，用于吸收高頻干擾信號。電阻R56為可變電阻。R56的阻值根據氫氣濃度監測儀和氫濃度傳感器之間的傳輸線上的電阻而定。R56的作用是串聯電阻R57并與電阻R58構成運算放大器U24輸入端的平衡電阻。極化電流進入運算放大器U24反向輸入端，由高精度轉換電阻R59將其轉換成電壓信號并放大1 000倍。氫氣濃度監測儀實時采集參比電極電位和工作電極電位，用于判斷氫濃度傳感器的恒電位驅動關系是否失效。

②溫度調理電路。

溫度調理電路如圖4所示。

圖4 溫度調理電路Fig.4 Temperature conditioning circuit

溫度傳感器采用三線制PT100鉑電阻。PT100鉑電阻具有測量精度高、性能穩定、環境適應性強等優點。其測量結果用于氫氣濃度溫度補償。溫度調理電路產生恒定的激勵電流并加載到鉑電阻上，將其兩端電壓放大后輸入至ADC電路進行數據采集，通過軟件算法計算出鉑電阻阻值，并根據PT100鉑電阻分度表得出被測溫度值。溫度調理電路采用低噪聲、高開環增益、低輸入偏置電流的四通道運算放大器AD8608設計。

運算放大器U31B將2.5 V參考電壓UREF進行緩沖，并驅動電阻R33和R38分壓。分壓后的電壓加載到電阻R37兩端，產生約1 mA的鉑電阻恒定激勵電流。運算放大器U31D提供鉑電阻引線電阻R1和R2補償，并串聯引線電阻R3至運算放大器U31D的高輸入阻抗端。由圖4可知，溫度調理電路的傳遞函數為：

(3)

式中：R1和R2為引線電阻，Ω；RX為三線制PT100鉑電阻，Ω；R32、R33、R35、R36、R37、R38、R39為固定電阻，Ω。

(4)

式中：UREF為參考電壓，V；UR為輸出電壓，V。

控制PT100鉑電阻引線一致，使得R1=R2，可將式(3)化簡為：

(5)

式中：A為與引線電阻R1和R2無關的多項式之和。

為消除引線電阻對測量結果的干擾，可使：

2×UR×R39×R36+2×UR×R39×R35-UR×

R32×R36-UR×R39×R35=0

(6)

即：

(7)

設計C31和C32二階低通濾波，濾除電路中耦合的高頻干擾。運算放大器U31C輸出端連接RC濾波器，對輸出電壓UR進一步濾波[8]。

3.2.2 數字電路

①ADC電路。

ADC電路采用串行ADC的AD7794設計實現。AD7794集成6個差分信號輸入通道，可避免回路干擾以及外界因素引起的共模干擾，并內置低噪聲可編程增益放大器和低漂移基準電壓源，從而實現mV級電壓的準確、穩定采集。

AD7794設計為連續轉換模式對工作電極電位、參比電極電位、氫氣濃度電壓、溫度電壓和總壓力電壓進行數據采集，并將轉換后的數字信號經隔離電路傳輸至主控電路進行數據處理。其中，總壓力信號由外部4～20 mA電流輸入，經高精度轉換電阻轉換成電壓后進行數據采集。數字隔離器SI8641可進行信號隔離，防止信號串擾，提高電路的抗干擾能力。

②DAC電路。

DAC電路采用型號為AD5422的DAC設計實現。AD5422支持12/16位數模轉換，內置可編程、單通道電壓輸出，并具有模擬輸出短路和開路保護、輸出故障自檢功能。AD5422設計為16位高精度轉換模式，輸出350 mV恒電位驅動信號。該驅動信號經低通濾波后進入氫氣濃度調理電路，從而實現對氫濃度傳感器的恒電位驅動。

③通信電路。

通信電路采用RS-485隔離收發器ADM2682設計實現。ADM2682內置隔離電路，對RS-485輸入/輸出引腳提供±15 kV靜電防護，具有開路和短路故障保護以及熱關斷保護功能。通信電路采用半雙工通信協議，就控制指令、測量原始數據、運算結果、報警分析等信息與上位機進行數據交換，具有傳輸距離遠、穩定性強、抗干擾性能好等特點。

④主控電路。

主控電路采用Cyclone IV系列FPGA設計實現，型號為EP4CE22F1717N。以FPGA為底層基礎的嵌入式主控電路具有可擴展性強、驅動成熟、應用軟件可重構的特點。串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)和集成電路總線(inter-integrated circuit,I2C)分別對ADC和DAC進行控制，以實現數據采集和驅動輸出。RS-485協議與隔離收發器進行數據交互，以實現遠程控制和數據遠傳。FPGA內置的Nois II軟核處理器和硬件門電路實現邏輯控制、數據計算和結果分析。此外，該設計利用FPGA接口多、可編程的特點，實現了主控電路與存儲器、顯示器之間的連接以及相應的邏輯控制。

3.3 軟件設計

3.3.1 軟件濾波

應用軟件每間隔1 ms采樣1次，并在采樣1 000次后對數據進行濾波。軟件濾波的具體方法是：首先，連續采樣1 000個值；然后，去掉1個最大值和1個最小值，并計算剩余的998個數據的平均值；最后，以1 s為時間基數得到采樣的數據。軟件濾波可防止偶然因素引起的數據波動或硬件電路不穩定造成的誤差。

3.3.2 軟件程序

軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flowchart

軟件程序采用模塊化設計。模塊化設計的作用是確保硬件系統的有機結合并根據制定的策略有序運轉。軟件程序主要包括ADC驅動、DAC驅動、存儲器驅動、顯示器驅動、通信驅動等驅動程序，以及氫氣濃度計算、溫度補償、壓力補償、報警分析等應用程序。軟件代碼使用Verilog硬件描述語言和C語言聯合編寫。

軟件首先進行初始化并讀取配置參數；接著啟動測量程序，控制數模轉換(digital/analoy,D/A)電路輸出恒電位驅動信號，并對氫濃度傳感器響應信號進行采集；然后控制主控電路對采集數據進行軟件濾波、溫度補償、壓力補償、氫氣濃度計算；最后對計算結果進行報警分析、存儲、顯示和遠傳。

4 試驗

氫氣濃度監測儀試驗搭載三電極電化學型氫濃度傳感器進行，主要包括T90響應時間試驗、測量重現性試驗、測量范圍試驗以及測量誤差試驗。

本文在4%和20%標準氫氣濃度下進行T90響應時間試驗和測量重現性試驗。T90響應時間試驗曲線如圖6所示。

圖6 T90響應時間試驗曲線Fig.6 Test of response time at T90

測量重現性試驗結果如表3所示。

表3 測量重現性試驗結果

測量重現性試驗中，每組標準氫氣重復測量8次。在0%、4%、8%、12%、16%、20%標準氫氣濃度下進行測量范圍試驗和測量誤差試驗。測量誤差試驗對每組標準氫氣連續測量3次。每次試驗交替向氫濃度傳感器通入標準氫氣和高純氮氣。標準氫氣通氣時間約為10 min。試驗過程中，標準氫氣由氫氣和氮氣混合配置而成，作為試驗基準。

測量誤差試驗結果如表4所示。

表4 測量誤差試驗結果

試驗結果表明，氫氣濃度監測儀測量范圍可達0～20%，大于15%氫氣濃度；T90響應時間約為70 s，小于150 s；最大測量誤差為-1.95%FS，滿足±3%FS的要求；8次重復測量相對標準偏差為1.23%，小于3%。試驗所得技術指標全面滿足核電廠氫氣濃度測量要求。

5 結論

本文研制了恒電位驅動型氫氣濃度監測儀，采用恒電位法驅動氫濃度傳感器，并對傳感器響應信號進行信號調理、數據采集和計算分析，實現了氫氣濃度在線監測。儀器性能指標全面滿足核電廠安全殼氫氣濃度監測設備性能要求。熱老化、濕熱、振動老化、抗震、輻照老化、電磁兼容、失水事故現況等環境鑒定試驗結果，滿足三代核電廠設計基準事故(K1)+嚴重事故(K1*)的設備鑒定要求。儀器適用于核電廠正常運行工況、事故工況以及事故后安全殼內氫氣濃度在線監測，對于氫氣燃爆預警、氫氣風險控制具有極其重要的意義。