催化燃燒式瓦斯傳感器技術研究進展

摘 要： 首先分析了催化燃燒式瓦斯傳感器的工作原理，然后綜述了催化燃燒式瓦斯傳感器的標定與補償技術現狀，最后指出，綜合考慮催化燃燒式瓦斯傳感器的穩定性和一致性，探索研究在初始不一致和工作過程不穩定的雙重作用下，傳感器數據的變化規律，通過智能信息處理的方法予以動態補償，將是下一步需要研究的主要方向。

關鍵詞：

中圖分類號： ＴＰ３９１ 文獻標識碼： Ａ 文章編號：２０９５－２１６３（２０１１）０３－００７１－０３

Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｎ Ｃａｔａｌｙｚｉｎｇ Ｂｕｒｎｉｎｇ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ

ＬＩＵ Ｈａｉｂｏ， ＳＨＥＮ Ｊｉｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：The principle of catalyzing burning gas sensors is analyzed firstly. Then the state-of-the-art of calibration and compensation technology for catalyzing burning gas sensors is surveyed. Finally， the further research directions are pointed out， i.e. the consistency and invariance of catalyzing burning gas sensors should be consider together. The evolutionary rules of sensor data under both the inconsistent initial conditions and variant characteristic during working should be explored. And the dynamic compensation method based on intelligent information processing approach should be developed.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：

０ 引言

瓦斯傳感器是物聯網系統中的一類重要的前端感知設備，在煤炭、石化等領域有著重要的應用[１，２]，尤其在煤礦領域，已成為安全生產監控的一個重要保障。

目前，煤礦中廣泛應用的瓦斯傳感器主要使用基于載體催化燃燒原理的敏感元件（俗稱“黑白件”）[３，４]，這類傳感器價格低廉，但普遍存在測量精度不高、穩定性不好（零點易漂移）、滿刻度調校不快捷、不一致性（即不同的產品對瓦斯濃度的檢測結果存在著差異）、“中毒”（指瓦檢儀在濃度突然大幅增高時，其濃度指示無法跟蹤濃度的變化，瓦檢儀完全失靈，并且無法恢復）、雙值特性（指當瓦斯濃度超過某一限定值后，其濃度指示曲線與濃度的增長方向相反，這種拋物曲線使得檢測結果具有雙值特征）等問題[５－７]。“中毒”現象及雙值特性是黑白件的固有性質，難以通過生產工藝以外的方式予以克服，但穩定性與一致性問題可以通過數據處理措施予以改進。

除了催化燃燒式瓦斯傳感器外，其他檢測瓦斯濃度的技術還有紅外[８－１１]、聲表面波[１２]、半導體[１３，１４]、光學[１５－１７]等技術。但是這些技術有的尚未成熟，有的尚未在煤礦推廣普及。盡管催化燃燒式瓦斯檢測技術存在著很多弱點，但在目前井下瓦斯檢測中仍占主導地位，在煤礦中使用率超過９９％。所以，研究并克服瓦斯傳感器的現有不足是當前主要的技術趨勢。

１ 催化燃燒式瓦斯傳感器工作原理分析

催化燃燒式瓦斯傳感器的工作原理為：給載體催化元件通以恒定的電流，加熱至５００℃左右，敏感元件對瓦斯的催化作用會使瓦斯在元件表面上發生無焰燃燒并釋放出熱量，元件溫度隨之上升，敏感元件鉑絲的電阻值隨之增加。利用惠斯登電橋測量電路（如圖１所示）可測出敏感元件電阻值的變化量，并可以進一步推算出相應的瓦斯含量。

圖１中的ｒ２為敏感元件，ｒ１為補償元件。ｒ１與ｒ２制作材料相同，ｒ１表面未涂催化劑，不參與催化反應。在無瓦斯的新鮮空氣中，ｒ２≈ｒ１，調整電橋使之平衡，信號輸出端電壓ＵＡＢ＝０。當有瓦斯時，在敏感元件ｒ２表面發生催化燃燒，ｒ２的阻值增加為ｒ２＋△ｒ２，但ｒ１阻值不變，從而導致電橋失去平衡。當采用恒壓電源Ｅ供電時，電橋輸出的不平衡電壓為：

Ｕ＝Ｕ－ （１）

設ｒ２＝ｒ１＝ｒ＞＞△，則有：

Ｕ＝Ｕ≈Ｋ△ （２）

式（２）表明，電橋輸出電壓與瓦斯濃度近似成正比。因此在一定的范圍內，電橋輸出電壓與瓦斯濃度呈線性關系，根據測得的電壓值便可推算出瓦斯濃度值。

２ 催化燃燒式瓦斯傳感器的標定與補償技術

２．１ 傳統的標定技術

國內生產的瓦斯傳感器，很長一段時間都是采用人工標定技術，人工標定方法是給探頭施加標準氣樣后直接觀察讀數窗口，然后通過手動調整顯示值使其與標準氣樣一致，所調整的主要是傳感器電路中的電位器。用這種方法需要將標準氣樣帶到現場進行調校非常麻煩，所以調校人員也經常將瓦斯傳感器帶到實驗室統一調校，但這樣又不能保證調校的及時性，甚至有些傳感器故障在帶離現場后也很難判定，從而使得測量準確性得不到保障。

國外同類產品較早實現自動標定。自動標定時，也需要給探頭施加標準氣樣，但無需通過手動調整電位器，調校標定工作均由傳感器自帶的微處理器自動處理完成。微處理器完成任務實質上就是對傳感器的非線性補償，常用的方法有查表法、曲線擬合法等。自動標定法與人工標定法相比，更加準確快捷，而且還可以克服人工調校造成的誤差[１８]。自動標定所用的微處理器多為８位或１６位單片機，如只是做分段線性補償，運算能力還夠用，但若處理精度更高的復雜曲線擬合或附加其他智能處理功能，則顯得有些力不從心，在響應速度和處理功能方面還有改進的余地[１９]。

２．２ 新型調校技術

文獻[１４]認為，通過開發新的調校技術可以有效提高瓦斯傳感器的可靠性，如動態配對工藝、變流恒溫檢測法和自動調校技術。

催化燃燒式瓦斯傳感器采用載體催化傳感元件和補償電阻配合工作。補償元件可以對催化元件的參數變化及環境因素的影響進行補償，克服零點漂移問題。但兩類元件如僅考慮靜態配對條件下的參數設置，其補償效果往往不盡人意。所以有必要研發催化傳感元件和補償元件的動態配對工藝，以達到更佳的動態補償效果。

催化燃燒式瓦斯傳感器常用的惠斯登電橋測量電路（如圖１所示）為恒壓電路，主要是依靠檢測元件表面催化燃燒時阻值改變引起電橋輸出電壓的變化來檢測瓦斯濃度。但燃燒過程會改變催化元件的屬性，造成靈敏度、穩定性的一些不確定性的變化，影響檢測精度[２０]。而通過變流恒溫檢測方法則不失為另一條可探索的途徑[２１]。

瓦斯傳感器的零點漂移、靈敏度衰減及補償問題則可以通過為傳感器配套電路來解決[２２，２３]。開發配套電路的關鍵是研究自動補償的方法。研究表明[６]，催化燃燒式瓦斯傳感器的輸出可以用式（３）來表示。

Ｕ＝ＳＣ＋Ｕ０ （３）

其中，Ｕ為輸出值，Ｓ為傳感器靈敏度，Ｃ為體積分數（即被測氣體中的瓦斯體積除以總體積），Ｕ０為Ｃ＝０時的輸出。由于催化燃燒式瓦斯傳感器的固有特性，Ｓ和Ｕ０都會隨著時間、溫度和濕度的變化而發生漂移，這種漂移具有一定的規律性。文獻[６]通過理論和實驗研究，建立了這種漂移的數學模型，并通過修正體積分數Ｃ實現了自動補償，如式（４）所示，該方法取得了較好的補償效果。

Ｃ＝

（４）

其中，Ｕ（ｔ，Ｔｔ，Ｈｔ）表示ｔ時刻、環境溫度為Ｔｔ、濕度為Ｈｔ時的傳感器輸出，式（４）中的數值系數都是通過對實測數據用最小二乘法擬合推導出來的。上述僅僅是自動補償方法的一種，通過配套電路實現后，即可實現瓦斯傳感器的自動調校。

２．３ 智能補償技術

近幾年嵌入式系統和計算智能技術發展迅速并被廣泛應用到傳感器領域，智能型瓦斯傳感器也隨之取得了快速的發展[２４]。傳感器的智能化不但能夠提高瓦斯檢測的精確性、可靠性，而且還可以更加方便地實現零點和靈敏度的自動校正和非線性補償，此外，還可以使傳感器具備故障自動診斷的能力[２５－２７]，發展前景非常看好。

傳統的傳感器非線性補償技術缺乏智能處理能力，往往因為數據樣本的不完備性而導致補償精度不夠[２８，２９]。最近研究人員又開發了基于神經網絡[３０，３１]、支持向量機[３２]、遺傳算法[３３]、小波分析[３４]、灰色理論[３５]、分時補償[３６]、數據融合[３７]等新方法的非線性補償技術。但是目前這些補償技術都是建立在隨機優化技術基礎之上的，眾所周知，隨機優化算法達到最優解的收斂條件是非常苛刻的，往往都是以時間上的無窮次迭代為前提的。因此，這又對傳感器配套電路的微處理器提出了更高的要求。

３ 技術發展趨勢展望

原有的補償方法都是孤立地解決零點漂移導致的不穩定性問題，而沒有考慮到產品的不一致性問題。下一步研究中，研究人員應該從催化燃燒式瓦斯傳感器的穩定性和一致性角度綜合考慮問題，這是瓦斯傳感器向智能化方向發展必須首先要研究清楚的兩個密切相關的基礎性問題。

催化燃燒式瓦斯傳感器是通過燃燒元件與未燃燒的元件的電路特性進行比較，從而建立瓦斯濃度與電路特征的關系曲線，由于在瓦斯爆炸的濃度區間，上述曲線近似直線，因此瓦檢儀取直線關系作為測量的依據。由于兩個金屬絲的原始特性很難保持絕對的一致，同時，不同的黑白件配對后會使這種差異性進一步復雜化，因而造成了產品在初始階段的不一致性。盡管國家已對這種初始差異限定了技術指標，但這種不一致性會隨著使用時間及瓦斯濃度變化進一步增大。其漂移特征主要是由于隨時間及濃度及變化，使得其電路特性發生了變化，即脫離了原來理論上的曲線規律，因而造成使用一段時間后，其零點發生了嚴重漂移，即不再歸零。這種變化主要與瓦斯濃度及時間的積分有關，這就導致在使用時不得不進行周期性校正，然而這種校正已不可能保持原先設計的線性關系，而不得不減少使用壽命。這種情況使產品瓦斯檢測的差異性進一步擴大，以致復雜化。

綜合考慮催化燃燒式瓦斯傳感器的穩定性和一致性，探索研究在初始不一致和工作過程不穩定的雙重作用下，傳感器數據的變化規律，通過智能信息處理的方法予以動態補償，將是下一步需要研究的主要方向。

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