催化燃燒型甲烷傳感器的研究

0 引言

檢測(cè)瓦斯最有效最經(jīng)濟(jì)的方法是催化燃燒方法，即把催化劑氧化鈀黑涂在測(cè)量元件表面，再配以物理性能相同的參比元件組成測(cè)量電橋（黑白元件）。兩只元件用鉑絲加熱到攝氏400度，當(dāng)空氣中含有可燃?xì)怏w時(shí)，測(cè)量元件在催化劑的作用下，在元件表面發(fā)生催化反應(yīng)，使溫度上升，通過測(cè)量?jī)芍辉臏夭罹湍芘袛喑鐾咚沟暮縖1]。由于催化元件在檢測(cè)可燃性氣體方面有著電路簡(jiǎn)單、可靠、廉價(jià)等許多的優(yōu)越性能，在全國(guó)煤礦安全檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。催化燃燒型瓦斯檢測(cè)儀器是當(dāng)前煤礦中使用最廣泛、最普遍的瓦斯檢測(cè)儀器。是煤礦用來監(jiān)視礦井瓦斯動(dòng)態(tài)的有效工具。

但是，載體催化元件有個(gè)致命的缺陷，就是只能測(cè)量4% 濃度以下的甲烷氣體，當(dāng)空氣中的瓦斯?jié)舛戎党^4% 后，元件就會(huì)發(fā)生“激活”現(xiàn)象造成永久損壞，使測(cè)量范圍被局限在很有限的區(qū)間里。如果能夠解決催化元件的“激活”問題，那將為煤礦安全帶來一場(chǎng)重大的變革。

1 傳統(tǒng)的催化燃燒檢測(cè)的問題

傳統(tǒng)的檢測(cè)原理是檢測(cè)催化元件與參比元件的溫差獲得濃度信號(hào)，隨著濃度上升，元件溫度必然上升，“激活”現(xiàn)象不可避免。當(dāng)被測(cè)氣體中甲烷濃度大于4% 時(shí)，切斷橋路的加熱電流，然而實(shí)踐證明，盡管有保護(hù)電路存在，還是不能有效保護(hù)傳感器元件。

根據(jù)文獻(xiàn)，無(wú)論什么配方的催化劑，在表面溫度>600℃后，催化劑氧化鈀黑都無(wú)法抵抗氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，結(jié)果造成檢測(cè)元件的損壞。

當(dāng)催化元件被點(diǎn)燃之后，再切斷電源也無(wú)法撲滅，元件會(huì)一直維持燃燒狀態(tài)，直到將其燒毀為止。而在高濃甲烷環(huán)境下，很小的能量“觸發(fā)”就會(huì)導(dǎo)致催化元件的完全燒毀，而儀表檢測(cè)又必須讓元件在燃燒狀態(tài)工作，這就是我們必須要解決的關(guān)鍵。

我們做了這樣一個(gè)試驗(yàn)，在黑暗的環(huán)境中，往試驗(yàn)杯中通以10% 濃度的甲烷氣樣（9.5％ 濃度的瓦斯氣體具有最強(qiáng)烈的爆炸特性），接通測(cè)量橋路電源，讓元件進(jìn)入催化反應(yīng)狀態(tài)，檢測(cè)元件在瓦斯和氧氣的反應(yīng)下立刻發(fā)出明亮的光輝；這時(shí)立即切斷橋路電源，但是催化反應(yīng)并沒有停止，催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量還會(huì)維持燃燒， 這種燃燒的能量來源于甲烷與氧氣的反應(yīng)，這就是雖然斷電保護(hù)，但仍然不能有效杜絕“激活”的原因。

2 甲烷傳感器催化元件的高濃沖擊問題

催化元件測(cè)量高濃甲烷時(shí)，因甲烷擠占了空氣中的氧氣，使催化反應(yīng)不但沒有加強(qiáng)，反而隨著濃度增加而下降，濃度越高測(cè)量值反而越小。實(shí)際應(yīng)用中這種特性存在著極大危險(xiǎn)，這就是長(zhǎng)期困擾人們的二值性誤測(cè)問題[2,3]。

解決二值性問題的關(guān)鍵是如何確定儀器的取值區(qū)間，不同的區(qū)間會(huì)得出不同的測(cè)量結(jié)果。人們采用催化元件與熱導(dǎo)元件組合方式制造了高低濃組合式甲烷傳感器，但由于熱導(dǎo)元件在量程的高端和低端分辨率低，在兩元件測(cè)量的相交點(diǎn)上無(wú)法吻合，不能準(zhǔn)確切換。又由于兩種元件工作機(jī)理不同，兩參數(shù)的整定、測(cè)量算法無(wú)法統(tǒng)一，再加上雙元件、雙供電、雙零點(diǎn)、雙精度、雙補(bǔ)償，使儀器的使用變得極其復(fù)雜，更無(wú)法接受的是兩種元件切換時(shí)必須經(jīng)過很長(zhǎng)的停電/加熱轉(zhuǎn)換過程，這期間儀器是“休止”狀態(tài)，在時(shí)間上和測(cè)量值上都是不連續(xù)的，這樣就給產(chǎn)品的推廣應(yīng)用帶來極大障礙。黑白元件特性曲線如圖1所示。

解決催化元件的高濃沖擊問題，就是解決催化元件高溫的問題，還是要從橋路平衡上解決。在連續(xù)供電的檢測(cè)橋路上，任何的輔助控制，都會(huì)成功地將失衡的橋路矯正，但是被外電路鉗制成平衡的橋路不等于恒溫的橋路，橋路的平衡條件是對(duì)邊阻抗乘積等于另一邊阻抗乘積，如下式：Z1×Z4=Z2×Z3

如果Z4是測(cè)量元件，Z3為參比元件，在高濃甲烷環(huán)境中Z4溫度上升后對(duì)Z4加以分流控制，必將引起其并聯(lián)阻抗下降，很小的分流控制就能夠?qū)蚵坊謴?fù)到平衡狀態(tài)，分流所產(chǎn)生的降溫效果微不足道，不足以改善高溫對(duì)測(cè)量元件的激活現(xiàn)象，并且閉合的控制環(huán)路需要兩只元件的溫差來維持補(bǔ)償電流，在理論上就注定實(shí)現(xiàn)不了測(cè)量元件的“恒溫”，此時(shí)測(cè)量元件與參比元件溫差并沒有減小多少，僅僅是維持了橋路的平衡，也無(wú)法起到對(duì)元件的保護(hù)作用。

要設(shè)計(jì)出真正的恒溫檢測(cè)橋路，就必須拋開連續(xù)電流供電的傳統(tǒng)方法，以保證測(cè)量元件與參比元件溫度永遠(yuǎn)相等。

我們通過一個(gè)微機(jī)處理芯片構(gòu)成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，強(qiáng)迫檢測(cè)元件與參比元件保持在平衡狀態(tài)，使測(cè)量元件工作在恒溫狀態(tài)下。這樣的檢測(cè)環(huán)路使測(cè)量元件的溫度與參比元件進(jìn)行溫度比較，當(dāng)環(huán)境中的甲烷氣體在測(cè)量元件表面燃燒時(shí)，測(cè)量元件的溫度將很快上升使電橋失去平衡，微處理芯片構(gòu)成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到偏移信號(hào)后，輸出控制脈沖信號(hào)，將已經(jīng)偏移的橋路“矯正”回來，使回路周而復(fù)始的工作在“偏移”/“校正”的振蕩之中，測(cè)量元件的溫度是以微小的鋸齒波形狀的軌跡在恒溫區(qū)波動(dòng)。這個(gè)波動(dòng)的溫差很小，只有零點(diǎn)幾度的差別，基本上可以認(rèn)為參比元件和測(cè)量元件的溫度是相等的。傳統(tǒng)的檢測(cè)橋路與恒溫橋路的濃度溫度特性如圖3[4,5,6]。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/259245.htm 空氣中的甲烷濃度越高，從平衡到失衡的過渡時(shí)間就越短，通過檢測(cè)這個(gè)升溫時(shí)間，就能夠得到與甲烷濃度成正比的測(cè)量參數(shù)。這種方法保證了在任何甲烷濃度下，測(cè)量元件的溫度不變，徹底有效地杜絕了高濃甲烷的燃燒，大大延長(zhǎng)了催化元件的使用壽命，也使儀器的零點(diǎn)穩(wěn)定性、精度穩(wěn)定性得到了的提高。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的脈沖供電檢測(cè)橋路與傳統(tǒng)的測(cè)量機(jī)理截然不同，測(cè)量橋路是恒溫的，無(wú)論檢測(cè)多高濃度的瓦斯，檢測(cè)元件的溫度都不變，所以它能夠抗高濃沖擊，能夠擁有更長(zhǎng)的壽命和極好的穩(wěn)定性。

該方法與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法區(qū)別在于，檢測(cè)元件工作于間歇脈沖供電狀態(tài)，檢測(cè)元件不隨甲烷溫度變化，只有反饋環(huán)路中的脈沖頻率與甲烷濃度呈正比關(guān)系。從微觀的角度上看，單片機(jī)檢測(cè)的是測(cè)量元件上溫度的上升速率，而傳統(tǒng)方法則是檢測(cè)元件上的絕對(duì)溫度。綜合以上，所示效果良好。

參考文獻(xiàn)

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本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

在傳統(tǒng)的催化燃燒型甲烷傳感器檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了催化燃燒原理，并設(shè)計(jì)了基于脈沖式恒溫供電技術(shù)和閉環(huán)反饋系統(tǒng)的恒溫檢測(cè)橋路。使設(shè)計(jì)的檢測(cè)元件工作于間歇脈沖供電狀態(tài)，檢測(cè)元件不隨甲烷溫度變化，只有反饋環(huán)路中的脈沖頻率與甲烷濃度呈正比關(guān)系。從微觀的角度上看，單片機(jī)檢測(cè)的是測(cè)量元件上溫度的上升速率，而傳統(tǒng)方法則是檢測(cè)元件上的絕對(duì)溫度。

丁黎明1，趙景波2 （1．北方民族大學(xué)電子與信息工程系，寧夏 銀川 750021）（2．江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）



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