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热导式气体传感器工作原理及检测方法

时间:2018/08/26来源:未知

  为克服传统热导式气体传感器检测气体方法的诸多缺陷, 大家结合热导式气体传感器的工作原理, 提出了一种使传感器保持在恒温状态的气体浓度检测新方法。分析了该方法的检测原理, 并根据传热学理论证明了该方法的可行性。理论和实践表明, 该方法具有许多传统检测方法所不具备的突出优点, 具有良好的应用前景。

引言:

  热导式气体传感器属电学类气体传感器, 是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件, 它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号, 从而可以进行检测、监控、分析、报警。[1]热导传感器是***早用于气体检测的气体传感器, 具有如下优点:[2]

(1) 检测范围大, ***高检测浓度可达100%。

(2) 工作稳定性好, 使用寿命长, 不存在触媒老化的问题, 具有较高的稳定性和可靠性。

(3) 具有“广谱”性, 可以检测几乎所有的气体, 既可以检测可燃性气体, 也可以检测惰性气体, 而且在被测环境中有氧或无氧的情况下都可以实现气体浓度的检测。

(4) 检测装置结构简单、价格便宜、使用维护方便。

这些优良特性是许多气体传感器所不具备的。但是热导气体传感器在气体检测应用中也存在检测精度差、灵敏度低, 温度漂移大等缺陷, 限制了热导气体传感器的广泛应用。大家对气体浓度的检测在化工、煤炭、军事、环境等诸多领域的研究具有十分重要意义。

1、传统热导式气体传感器检测方式:

  热传导式气敏材料依据不同可燃性气体的导热系数与空气的差异来测定气体的浓度, 通常利用电路将导热系数的差异转化为电阻的变化。传统的检测方法是将待测气体送人气室, 气室中央是热敏元件如热敏电阻、铂丝或钨丝 (如图1所示) , 对热敏元件加热到一定温度, 当待测气体的导热系数较高时, 将使热量更容易从热敏元件上散发, 使其电阻减小, 变化的电阻经过信号调理与转换电路 (能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路) [3], 这里由惠斯登电桥来转换成不平衡电压输出, 输出电压的变化反映了被测气体导热系数的变化, 从而就实现了对气体浓度的检测。

图1 热导气体检测装置示意图

 

  由于传统的热导传感器检测方法是利用传感器的温度随被测气体浓度的改变而发生相应的变化这一特性, 实现对不同气体纯度的检测, 存在检测灵敏度低、检测误差大、温度漂移大、环境温度补偿困难、有交叉敏感现象等诸多问题。[4]这些问题限制了热导传感器的广泛使用。

  传统检测方法的本质特征导致了气体浓度检测的精度差、灵敏度低、温度漂移大等缺陷。这些缺陷是传统检测方法固有的, 在不改进检测方法的情况下, 不可能得到有效克服。要解决热导式气体传感器在应用中存在的问题, 必须改进其检测方法。

2、热导式气体传感器恒温检测工作原理:

  在实验中大家得出解决存在上述问题的一个直接有效办法就是:在气体浓度检测过程中始终保持传感器工作温度不变, 即恒温检测的办法。而要实现热导气体传感器恒温检测, 其关键是在气体浓度变化的情况下, 如何使传感器保持恒定的温度?以及在传感器温度不变的情况下, 如何实现对变化的气体浓度的检测?传统的检测方法中采用恒定的电流源给传感器热丝供电, 就无法保持传感器温度恒定。要保持温度恒定就必须在传感器的温度随气体浓度 (即气体热导系数) 变化时, 改变传感器的工作电流 (采用可变电流源) , 利用电流的热效应确保传感器的温度不变[5] (图2即为热导式气体检测传感器恒温检测原理图) 。只要做到这一点, 热导式气体传感器在气体检测应用中的缺陷可以从根本上得以克服。就可以利用传感器工作电流的变化与被测气体导热系数的关系实现对气体浓度的检测。进一步研究表明, 恒温检测方法也会给后继进行的检测系统非线性补偿、环境温度补偿以及多组分气体的检测创造有利的条件。

图2 热导式气体传感器恒温检测原理

 

  图2中R1、R2、R3、r共同组成电桥, 电桥与可变电流源、伺服电路、调节器A共同组成闭环控制电路。当气体浓度为零时, 调节桥臂电阻使电桥处于平衡状态 (rR1=R2 R3) , 调定传感器的工作电流I0 (I0决定传感器的工作温度) 。检测气体时, 若气体导热系数增加 (减少) , 由于气体的热传导作用, 传感器的温度降低 (上升) , 阻值减少 (增加) , 电桥失去平衡, 输出不平衡电压经放大后送到控制伺服电路, 伺服电路的输出使可变电流源的输出电流增大 (减少) , 增大 (减少) 的电流通过热导传感器, 使温度上升 (下降) , 阻值增大 (减少) , 直到电桥重新恢复平衡为止。电流增大 (减小) 的数值反映的导热系数的大小, 测出U0的变化量从而检测出被测气体浓度。

  电桥***后仍然处于平衡状态, 所以传感器电阻未变, 即传感器所处的温度未变, 处于恒定, 这便是恒温检测的显著特点。

3、导热式传感器恒温检测理论分析:

  前面定性地先容了热导式气体传感器的恒温检测原理, 这里再从理论上证明该方法的可行性, 并为进一步研究提供依据。设传感器的工作电流为I, 电阻为r, 传感器的热量仅由工作电流加热功率转换而来, 即Qin=I 2r。

  依据热传递的三种基本方式:热传递 (导热) 、热辐射和热对流, [6],[7],[8]大家在传感器的制作工艺上, 为减少电阻丝的轴向热传导, 所用电阻丝的长度与直径之比一般在2×103∼3×103以上, 由此, 传感器轴向传导热的影响便可以忽略, 在上述检测方式中也不用考虑热对流的影响, 因此传感器热量损耗可以表示为:

Qout=Qout1+Qout2

Qout1是由传导损耗的热量, 表示为:

计算公式 

 

式中, λ是气体的导热系数;T为传感器温度K;T0为环境温度K;S是传感器表面积。

Qout2是由热辐射损耗的热量, 由斯蒂芬-玻尔兹曼定律给出, 表示为:

计算公式 

 

式中, A是辐射系数;σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数 (Stefan-Boltzmannconstant) , σ=5.6697±0.0297×10-8W·m-2 k-。

当Qin=Qout=Qout1+Qout2时满足热平衡条件, 有:

计算公式 

 

在热导气体传感器恒温检测方法中, 当被测气体气体浓度为零时, 调节桥臂电阻, 使得电桥平衡, 传感器的温度T由下列热平衡方程确定:

计算公式 

 

式中:

I0一传感器初始工作电流

λ0一背景气体的导热系数 (假定背景气体为空气) 。

当被测气体浓度不为零时, 设混合气体的导热系数为λ, 环境温度不变仍为T0, 闭环控制系统保证传感器的温度T不变, 其电阻r也不变, 工作电流由I0变为I, 其热平衡方程可以得出同 (3) 式, 联立 (3) 、 (4) 式得:

计算公式 

 

上式即为热导气体传感器恒温检测方程。

热导气体传感器恒温检测方程中I0, λ0、S、T、T0、r都为常数, 可以看出工作电流的平方与被测气体的导热系数λ成正比。设工作电流I与初始工作电流I0的差为∆I, 即I-I0=∆I, 则有:I=I0+∆I, 代人式 (3) , 当电流变化微小时, 忽略∆I2项后有:
计算公式

 

  由上式可知当∆I较小时, 工作电流I与导热系数λ成线性关系, 把该工作电流通过电阻转变为电压输出, 从而该电压反映了混合气体导热系数的大小。

  由热力学理论知, 若被测气体只与空气混合的情况, 则混合气体的导热系数与待测组分气体的浓度是线性关系, 即C1= (λ-λ0) / (λ1-λ0) , 只要测出混合气体的导热系数λ, 便可知待测气体的气体浓度C1, 从而实现对气体浓度的检测。

4、恒温检测方法的优点:

  该恒温检测方法仍是基于热导气体传感器的导热原理, 保留了热导式气体传感器的全部优点。理论研究与实践证明了该方法还具有传统检测方法所不具备的一些优点:

(1) 在环境温度恒定下, 被测气体的温度分布是一定的, 从而保证了导热系数不受传感器温度变化的影响, 仅是气体浓度的函数, 这样克服了气体导热系数随温度变化对检测精度带来的影响, 检测精度极大地提高了。

(2) 在环境温度不变下, 通过热辐射方式损失的热量也不变, 热量的损失全部是通过热传导方式进行, 从而保证了只根据气体导热系数与气体浓度的关系来实现对气体浓度的检测, 使气体检测更加可靠。

(3) 在传感器温度和环境温度两者同时变化时, 克服环境温度对检测的影响是困难的, 传感器温度保持恒定可以为环境温度的补偿创造有利的条件。

(4) 在检测中避免了因传感器温度变化导致的灵敏度补偿问题, 同时降低了检测系统的非线性, 系统的检测性能大大提高。

(5) 克服了由于热时间常数而导致的过渡时间长的缺陷, 加快了检测速度, 该特点在动态检测时更为重要。

(6) 传统的检测方法不能很好地实现检测混合气体中各组分气体的浓度, 采用恒温检测方法后使多组分气体检测成为可能。

5、结论:

  改进传统热导式气体传感器检测方法为恒温检测方式后, 极大地克服了传统检测方法中传感器温度随被测气体浓度变化所导致的很多缺陷, 提高了整个系统的检测能力和性能, 同时为后续检测系统朝着非线性补偿、环境温度补偿及多组分气体的检测等方向良性发展创造了有利的条件, 具有很好的应用前景。


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