采用脈沖供電的催化傳感器的工作性能研究*

丁恩杰, 李 欣， 陳春旭， 譚曉哲， 劉學瑞

(1.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008;2.礦山互聯網應用技術國家地方聯合工程實驗室，江蘇 徐州 221008)

采用脈沖供電的催化傳感器的工作性能研究*

丁恩杰1,2, 李 欣1,2， 陳春旭1，2， 譚曉哲1，2， 劉學瑞1,2

(1.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008;2.礦山互聯網應用技術國家地方聯合工程實驗室，江蘇 徐州 221008)

針對煤礦瓦斯監測系統中催化傳感器功耗高的問題，提出了采用脈沖供電方式對傳統供電方式進行改進的方法。分析了載體催化元件的工作特性和脈沖供電原理；通過實驗研究了不同CH4濃度的標準氣樣下，供電脈沖頻率、脈寬(即占空比)與傳感器靈敏度之間的關系。實驗結果表明：和普通催化傳感器相比，采用脈沖供電的將會很大程度上降低催化傳感器的功耗，延長便攜式設備的生命周期；同時,分析得到采用脈沖供電的可行性和最佳頻率。

瓦斯催化傳感器； 低功耗； 脈沖供電； 脈沖頻率； 脈寬； 傳感器靈敏度

0 引 言

煤礦井下瓦斯集聚給煤炭的安全生產帶來隱患，及時準確地對礦井瓦斯進行檢測可為煤礦瓦斯災害防治提供技術基礎[1]。便攜式瓦斯檢測儀是目前常用的一種檢測瓦斯的儀器，具有結構簡單、方便攜帶等優點[2],但便攜式裝備的能耗問題歷來是人們關注的焦點,在節點的總能耗中，催化傳感器的功耗占有較大比例，約為250～320 mW。

為了降低催化傳感器的功耗，本文引入脈沖供電對傳統的供電方式進行改進，分析得到供電脈沖頻率、脈寬(即占空比)與傳感器靈敏度之間的關系，實驗結果顯示：采用脈沖供電可顯著降低催化傳感器的能耗。

1 載體催化傳感器的功耗機理

載體催化元件檢測瓦斯濃度是利用瓦斯與氧氣在元件表面發生氧化反應釋放的熱效應。整個變化過程的中心變量是元件的溫度增量 ，元件的工作特性是由工作過程中的熱力學關系決定的。因此，應從熱力學基本原理出發得出元件的工作特性方程[3]。

1.1 載體催化傳感器

催化傳感器主要由鉑絲線圈、催化劑和載體組成。

鉑絲線圈的作用是通過工作電流使傳感器的工作溫度加熱至一定溫度，達到瓦斯氧化的起始溫度，鉑絲對溫度比較敏感，當瓦斯氧化反應釋放的熱使溫度升高時，同時其阻值也增大，以此檢測瓦斯的濃度[4]。載體的作用是：承載催化劑，使之形成高度分散的表面，提高催化劑的效用；消除鉑絲升華來保護鉑絲線圈，保證鉑絲線圈的機械穩定性和熱穩定性[5]。

1.2 載體催化傳感器的靜態方程

催化傳感器[6]組成的檢測電橋如圖1所示。

圖1 甲烷測量橋式電路Fig 1 Bridge circut for CH4 measurement

白元件損耗的熱量有四部分：一是周圍空氣與元件接觸，由熱傳導帶走的熱量 ；二是由元件向周圍空間輻射的熱量 ；三是由鉑絲本身熱傳導作用帶走的熱量 ；四是由鉑絲接觸的空氣的熱傳導作用帶走的熱量，由于鉑絲的熱傳導作用，離開元件表面以后鉑絲的溫度迅速降低，第四部分熱消耗很小，可以忽略不計。

鉑絲一端與元件接觸，另一端用錫焊在銅絲引線上，引線的直徑為1.0 mm，比鉑絲直徑大得多，因而,引線的熱容量比鉑絲大得多，工作時引線的溫度與環境的溫度相同。

熱平衡時應有Q1=Q2+Q3+Q4，即

(1)

(2)

黑白元件通過的電流相同，但黑元件由于有瓦斯反應熱Q，溫度比白元件高，電阻也有一個相應增量，設黑元件溫度為T1，對黑元件應有

(3)

設鉑絲的電阻溫度系數為at，黑元件作為絕對黑體處理，絕對黑體的輻射系數A為1。設由于瓦斯反應熱Q引起的溫度升高為ΔT，則ΔR=RatΔT。

式(2)、式(3)就是白元件與黑元件的靜態方程，它表達了熱平衡條件下元件溫度、反應熱與工作電流之間的關系。

1.3 載體催化元件的動態方程

在一定的工作電流條件下，當瓦斯濃度變化時，元件的輸出也跟著變化，此時元件的工作特性應當用動態方程來描述。

圖2是黑元件的輸出曲線。在A點有一個確定的瓦斯濃度C，元件的溫度為T，阻值為R，單位時間內瓦斯在黑元件表面的反應熱為Q，考慮A點附近的一個擾動，瓦斯濃度增量為ΔC，元件溫度為T+ΔT，電阻為R+ΔR，單位時間內的反應熱為Q+ΔQ。設元件的熱容為E。

圖2 輸出曲線Fig 2 Output curve

應有

I2(R+ΔR)+(Q+ΔQ)=aS[(T+ΔT)-T0]+

(4)

I2(R+ΔR)+(Q+ΔQ)=aS[(T+ΔT)-T0]+

(5)

令ΔT=0，得到平衡狀態方程

(6)

式(5)減去式(6)得

(7)

已知ΔR=RatΔT,ΔQ=μΔC,其中，μ為與元件相關的一個常數；ΔC為瓦斯濃度增量,帶入式(7)并整理得

(8)

式(8)就是元件的動態方程，其中,τ為元件的時間常數，Kc為放大倍數。解該一階方程得

(9)

式中M為積分常數，由初始條件求得。初始條件為：t=0,ΔT=0，則可得出M的值，于是

(10)

式(10)給出了瓦斯的濃度變化條件下，任意時刻工作元件的溫度增量，由T+ΔT可計算出此時元件的溫度。

2 脈沖供電原理

脈沖供電的示意如圖3所示，即將傳統的直流電壓供電改用脈沖電壓供電，通過提供脈沖電流對元件進行加熱。

圖3 脈沖供電示意圖Fig 3 Diagram of pulse power supply

脈沖電流的有效值為

(11)

式中T為脈沖電流的周期，T1為脈沖高電平的持續時間。將式(11)代入式(3)中可得黑元件在脈沖電流下的靜態方程

(12)

3 實驗與結果

3.1 脈沖頻率、寬度及靈敏度關系[7]

本節研究的是，在不同甲烷濃度的標準氣樣下，脈沖頻率、寬度(即占空比)與靈敏度的關系，依據圖3的脈沖供電原理，催化傳感器選用MCJ4/2.8J。標準氣樣分別為1.02 %,1.97 %,3.48 %和4 %。脈沖頻率包含5種，分別為：500 Hz,1,2,3 kHz和4 kHz。占空比分別從20 %～85 %不等。圖4為1.02 %標準氣樣下不同脈沖頻率在不同占空比下的靈敏度。圖5為1.97 %標準氣樣下兩種脈沖頻率在不同占空比下的靈敏度。圖6為3.48 %標準氣樣下不同脈沖頻率在不同占空比下的靈敏度。圖7中4 %標準氣樣下不同脈沖頻率在不同占空比下的靈敏度。(注：如不加特殊說明，靈敏度在本文中均指圖3中檢測電橋的輸出值，與正常定義1 %標準氣樣下檢測橋路的輸出有所區別。)

圖4 1.02 %標準氣樣測靈敏度Fig 4 Sensitivity test in 1.02 % standard gas sample

圖5 1.97 %標準氣樣測靈敏度Fig 5 Sensitivity test in 1.97 % standard gas sample

圖6 3.48 %標準氣樣測靈敏度Fig 6 Sensitivity test in 3.48 % standard gas sample

圖7 4 %標準氣樣測靈敏度Fig 7 Sensitivity test in 4 % standard gas sample

由于脈沖電路設計上的缺陷，當脈沖頻率為3 kHz時，占空比大于80 %;當脈沖頻率4 kHz時占空比大于70 %時，脈沖輸出加在橋式電路中，電壓波形呈現一定的畸變，因此，實驗中未測此部分波形，但此不影響相關結論的分析。

通過圖5～圖7的比較可發現：

1)當測試的標準氣樣大于1.97 %時，占空比低于70 %的不同頻率脈沖曲線中，1 kHz脈沖供電情況下的靈敏度最大；脈沖頻率為4 kHz的曲線其靈敏度最小。

2)當脈沖的占空比大于75 %時，2 kHz，500 Hz與1 kHz脈沖下的靈敏度的變化趨勢相近；相反，3 kHz與4 kHz與它們的變化趨勢背離。

3)在不同標準氣樣中，當占空比大于50%時，各種脈沖頻率下的靈敏度，隨著占空比的增大其靈敏度也隨之增大，在低濃度中呈現較好的線性度，濃度增大非線性度明顯。以1 kHz脈沖供電為例，當占空比大于50 %時，在低濃度標準氣樣下，如1.02 %和1.97 %，其靈敏度與占空比具有較好的線性度；但在標準氣樣濃度較高時，如3.48 %和4 %中，靈敏度與占空比呈一定的非線性。

4)在標準氣樣為1.02 %時，占空比為70 %時，500 Hz,1 kHz脈沖頻率下的靈敏度為15.4,13.4 mV。

3.2 實驗結論

1)根據上述的分析，1 kHz的脈沖，在介于50 %～70 %的占空比中和濃度大于1.97 %中具有較高的靈敏度。而在高于75 %的占空比中，500 Hz和2kHz的靈敏度變化趨勢與1 kHz的趨勢非常相近,因此，脈沖供電的頻率存在理論上的最佳頻率。

2)常規供電下，催化傳感器在低濃度瓦斯氣體中具有較好的線性度，而濃度較高時存在一定非線性，需適當補償。脈沖供電也存在此類問題，依據3.1節中(3)的分析，在不同濃度的標準氣樣下，根據脈沖供電的占空比推得占空比為100 %的靈敏度，對于非線性的濃度下可進行相應補償。

4 結束語

本文針對催化傳感器高功耗的特點，引入了脈沖供電。分析了催化傳感器的工作特性，并介紹了脈沖供電原理，根據原理進行了相關實驗，對結果進行分析得出如下結論：1)占空比為70 %的1 kHz,500 Hz脈沖供電時，其靈敏度可符合催化元件的行業標準；2)在對不同頻率的脈沖進行供電實驗時，發現1 kHz的脈沖在占空比介于50 %～70 %間，且標準氣樣大于1.97 %情況下，催化傳感器具有較高的靈敏度。

[1] 陶云奇，郭啟文.煤礦瓦斯災害防治技術探討[J].煤礦安全，2010(10)：96-98.

[2] 葉 林,朱正英,張 洪,等.基于藍牙技術的礦井瓦斯濃度監測系統[J].工礦自動化, 2006(2):18-21.

[3] 王汝琳.礦井環境傳感器技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，1998.

[4] 李 鵬.丙酮混合氣體的檢測與綜合分析方法[D].徐州：中國礦業大學，2003.

[5] 童敏明,楊勝強，田 豐.新型瓦斯傳感器關鍵技術研究[J].中國礦業大學學報，2003(4)：400-402.

[6] 董華霞，葉 生.具本安特性的平面型載體催化甲烷傳感器的研究[J].云南大學學報,1997(19):143-146.

[7] Dinell G.Pulse power electrostatic technologies for the control of flue gas emissions[J].Journal of Electrostatic,1990(25):23-40.

Study on operating characteristic of catalytic sensor using pulse power supply*

DING En-jie1,2， LI Xin1,2， CHEN Chun-xu1,2, TAN Xiao-zhe1,2, LIU Xue-rui1,2

(1.IOT Perception Mine Research Center,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2.National and Local Joint Engineering Laboratory of Internet Application Technology on Mine,Xuzhou 221008,China)

Aiming at problem of high power consumption of catalytic sensor in coalmine gas monitoring system,a way using pulse power supply methods to improve traditional mode of power supply is proposed;operating characteristic of catalytic elements of carrier and principle of pulse power supply are analyzed;through experiment,different concentrations of CH4gas samples under standard,relationship of pulse frequency,pulse width and sensor sensitivity are studied.Experimental results show that compared with ordinary catalytic sensors,using pulse power supply will largely reduce power consumption and prolong life cycle of portable devices;feasibility and optimal frequency using pulsed power supply are obtained.

gas catalytic sensor; low power consumption; pulse power supply; pulse frequency; pulse width; sensor sensitivity

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0031—03

2014—09—04

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAH12B01，2012BAH12B02)

TP 212.6

A

1000—9787(2014)12—0031—03

丁恩杰(1962-)，男，山東青島人，博士，教授，從事信號與信息處理、故障診斷與現場總線的研究。