溫度對催化燃燒式氣體傳感器影響研究

牛小民，李世偉，張廣來，高磊，張艷鵬（河南漢威電子股份有限公司，鄭州　450000）

溫度對催化燃燒式氣體傳感器影響研究

牛小民，李世偉，張廣來，高磊，張艷鵬
（河南漢威電子股份有限公司，鄭州450000）

0　引言

氣體傳感器是一種將氣體的成分、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等利用的信息的裝置。氣體傳感器日漸發(fā)展，其應(yīng)用的范圍越來越廣，特別是在環(huán)境質(zhì)量檢測和工業(yè)生產(chǎn)過程安全檢測、保障人民的生命安全等方面越加廣泛。催化燃燒式氣體傳感器由于其自身應(yīng)用面廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的特性，對于可燃性氣體的檢測有顯著的優(yōu)勢。

1　催化燃燒式氣體傳感器

1.3催化燃燒式氣體傳感器的基本工作方式

催化燃燒式氣體傳感器主要是由接觸燃燒催化載體和感溫元件鉑絲螺旋圈制成的。其基本工作方式為：在一定的條件下（溫度），被測可燃性氣體到達(dá)傳感器表面與吸附氧發(fā)生劇烈的無焰燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，導(dǎo)致感溫線圈電阻發(fā)生變化，通過檢測感溫線圈電阻的變化實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測，由于環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起感溫線圈電阻的變化，因此，元件通常配對使用，其中一只為補(bǔ)償元件（白元件）對氣體無反應(yīng)，另一只為檢測元件（黑元件）可與氣體發(fā)生反應(yīng)，白元件用以抵消（補(bǔ)償）環(huán)境因素帶來的影響。當(dāng)傳感器周圍的溫度、濕度、壓力發(fā)生變化時(shí)，檢測元件和補(bǔ)償元件的電阻幾乎會(huì)發(fā)生同步變化，可有效抵消環(huán)境因素帶來的影響。

圖1　催化燃燒式氣體傳感器催化珠結(jié)構(gòu)

1.2催化燃燒式氣體傳感器的基本工作原理

基本工作原理說明：催化燃燒式傳感器一般應(yīng)用于檢測可燃?xì)怏w的儀器。這是一個(gè)惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)，在它的測量橋鉑金絲電橋上涂有催化燃燒物質(zhì)，在整個(gè)的測量過程中是不被消耗的，即使在空氣中氣體和蒸氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LEL時(shí)，它們也會(huì)在這個(gè)橋上發(fā)生催化燃燒反應(yīng)。測量時(shí)，要在參比電橋和測量電橋上施加電壓使之加熱從而發(fā)生催化反應(yīng)，這個(gè)溫度大約是500℃或者更高。正常情況下，電橋是平衡的，V1=V2，輸出為零。如果有可燃?xì)怏w存在，它的氧化過程會(huì)使測量橋被加熱，溫度增加，而此時(shí)參比橋溫度不變。電路會(huì)測出它們之間的電阻變化，V2＞V1，輸出的電壓同待測氣體的濃度成正比。

圖2　催化燃燒式氣體傳感器工作原理圖

2　催化傳感器溫度補(bǔ)償

環(huán)境溫度的變化會(huì)影響傳感器的熱平衡，這就造成在不同溫度條件下的檢測值的誤差，針對這種情況，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，積累了溫度對于催化傳感器輸出信號(hào)影響的數(shù)據(jù)，從而通過軟件算法的設(shè)計(jì)，對溫度所引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。具體算法流程如下圖：

圖3　催化燃燒式氣體傳感器溫度補(bǔ)償算法流程圖

如圖所示，首先需要積累不同溫度下傳感器濃度值變化的特征數(shù)據(jù)，在其他探測器上進(jìn)行使用時(shí)，首先讀取傳感器周圍環(huán)境的溫度，然后根據(jù)溫度值，調(diào)取對應(yīng)的濃度補(bǔ)償值，將溫度補(bǔ)償值與實(shí)際的測量值進(jìn)行相加，從而顯示出準(zhǔn)確的濃度值。

3　實(shí)驗(yàn)分析

為了對催化傳感器受溫度影響進(jìn)行測試，取某型號(hào)測CH4的催化燃燒式氣體傳感器10個(gè)，安裝在某企業(yè)生產(chǎn)的氣體探測器上，分別將其編號(hào)為1到10號(hào)。在20%LEL、60%LEL濃度CH4時(shí)，氣體1到10號(hào)氣體探測器在有無溫度補(bǔ)償算法時(shí)不同溫度下10個(gè)探測器的濃度平均值如下圖所示：

圖4　催化燃燒式氣體傳感器不同濃度下有無溫度補(bǔ)償對比

由上圖可知，在20%LEL和60%LEL時(shí)，有無溫度補(bǔ)償時(shí)，使用催化燃燒式氣體傳感器對氣體進(jìn)行檢測時(shí)，在常溫下沒有太大的差別，但在低溫和高溫時(shí)的差別最高可以達(dá)到50%。

4　結(jié)語

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，催化燃燒式氣體傳感器在使用過程中受溫度的影響比較大，特別是其用于氣體探測器時(shí)表現(xiàn)的非常明顯，對于催化燃燒式氣體傳感器受溫度影響的研究對于探測器的設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義，能夠很大程度上提高氣體探測器的檢測精度。在未來的工作中，將進(jìn)一步對催化燃燒式傳感器的性能進(jìn)行研究，提高使用其他類型傳感器檢測的精度。

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Catalytic Combustion；Gas Sensor；Temperature；Combustible Gas

Research on the Influence of Temperature on the Catalytic Combustion Gas Sensor

NIU Xiao-min，LI Shi-wei，ZHANG Guang-lai，GAO Lei，ZHANG Yan-peng
（Henan Hanwei Electronics Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000）

1007-1423（2015）27-0003-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.001

牛小民（1982-），男，河南濟(jì)源人，大專，研究方向?yàn)闅怏w檢測儀器儀表、傳感器應(yīng)用研究

李世偉（1989-），男，河南魯山人，研究生，助工，從事領(lǐng)域?yàn)殡娮宇惍a(chǎn)品開發(fā)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究以及氣體探測器類產(chǎn)品開發(fā)

張廣來（1982-），男，河南南陽人，本科，助工，電子工程師

高磊（1982-），男，河南鄭州人，本科，助工，電子工程師

張艷鵬（1975-），男，河南鄭州人，本科，助工，電子工程師

2015-09-12

2015-09-22

在使用催化燃燒式氣體傳感器進(jìn)行可燃?xì)怏w探測器設(shè)計(jì)時(shí)需要對傳感器的特性進(jìn)行研究，基于溫度對氣體濃度的影響，對不同溫度條件下傳感器的特性進(jìn)行研究，通過大量的實(shí)驗(yàn)分析，得出不同溫度條件下傳感器的特征數(shù)據(jù)，對特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析，在此基礎(chǔ)上通過軟件對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明，補(bǔ)償后的氣體探測器能夠更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的檢測。

催化燃燒；氣體傳感器；溫度；可燃?xì)怏w

Study the characteristics of the sensor is needed when the gas detector is designed with catalytic combustion type gas sensor.The effect of temperature on the gas concentration based on the characteristics of the sensor at different temperatures are studied by a large number of experimental analysis，come to different characteristic data of the sensor at temperatures of feature data extraction and analysis.On the basis，makes temperature compensation for the gas sensor with software.Experiments show that，the compensated gas detectors can achieve more accurate detection of gas concentrations.