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、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置。氣體傳感器日漸發展，其應用的范圍越來越廣，特別是在環境質量檢測和工業生產過程安全檢測、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用面廣、體積小、結構簡單、穩定性好的特性，對于可燃性氣體的檢測有顯著的優勢。

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傳感器表面與吸附氧發生劇烈的無焰燃燒反應，放出大量的熱，導致感溫線圈電阻發生變化，通過檢測感溫線圈電阻的變化實現對氣體的檢測，由于環境溫度的變化也會引起感溫線圈電阻的變化，因此，元件通常配對使用，其中一只為補償元件（白元件）對氣體無反應，另一只為檢測元件（黑元件）可與氣體發生反應，白元件用以抵消（補償）環境因素帶來的影響。當傳感器周圍的溫度、濕度、壓力發生變化時，檢測元件和補償元件的電阻幾乎會發生同步變化，可有效抵消環境因素帶來的影響。

圖1　催化燃燒式氣體傳感器催化珠結構

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用于檢測可燃氣體的儀器。這是一個惠斯通電橋的結構，在它的測量橋鉑金絲電橋上涂有催化燃燒物質，在整個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遠低于LEL時，它們也會在這個橋上發生催化燃燒反應。測量時，要在參比電橋和測量電橋上施加電壓使之加熱從而發生催化反應，這個溫度大約是500℃或者更高。正常情況下，電橋是平衡的，V1=V2，輸出為零。如果有可燃氣體存在，它的氧化過程會使測量橋被加熱，溫度增加，而此時參比橋溫度不變。電路會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　催化傳感器溫度補償

環境溫度的變化會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，進行了大量的實驗，積累了溫度對于催化傳感器輸出信號影響的數據，從而通過軟件算法的設計，對溫度所引起的誤差進行補償。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據，在其他探測器上進行使用時，首先讀取傳感器周圍環境的溫度，然后根據溫度值，調取對應的濃度補償值，將溫度補償值與實際的測量值進行相加，從而顯示出準確的濃度值。

3　實驗分析

為了對催化傳感器受溫度影響進行測試，取某型號測CH4的催化燃燒式氣體傳感器10個，安裝在某企業生產的氣體探測器上，分別將其編號為1到10號。在20%LEL、60%LEL濃度CH4時，氣體1到10號氣體探測器在有無溫度補償算法時不同溫度下10個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償對比

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

4　結語

由實驗結果可知，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表現的非常明顯，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計有很好的指導意義，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，將進一步對催化燃燒式傳感器的性能進行研究，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，河南濟源人，大專，研究方向為氣體檢測儀器儀表、傳感器應用研究

李世偉（1989-），男，河南魯山人，研究生，助工，從事領域為電子類產品開發、無線傳感器網絡研究以及氣體探測器類產品開發

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行可燃氣體探測器設計時需要對傳感器的特性進行研究，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行研究，通過大量的實驗分析，得出不同溫度條件下傳感器的特征數據，對特征數據進行提取和分析，在此基礎上通過軟件對傳感器進行溫度補償。實驗表明，補償后的氣體探測器能夠更準確地實現對氣體濃度的檢測。

催化燃燒；氣體傳感器；溫度；可燃氣體

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.