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可燃气体种类有天然气、石油液化气、煤气、甲烷、乙烷、氢气、丙烷、甲醇、乙醇、这些气体不但易燃,也是最容易发生爆炸燃烧的,准确检测这些气体相当重要,其中使用的传感器就是可燃气体探测传感器。

1. 可燃气体传感器的工作原理

可燃气体传感器的主要检测方法有:催化燃烧式、半导体技术、红外技术(光NDIR)三种。

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半导体检测主要由加热回路、负载回路、电源回路三部分组成,利用加热回路把半导体器件加热到稳定后,当可燃气体接触到传感器时,传感器的电导率就会随可燃气体的浓度增大而增大,形成与可燃气体浓度成比例的输出信号。这类传感器的气敏材料为二氧化锡(SnO2),使用寿命可长达10年,缺点就是稳定性不好,老化预热时间长,零点漂移大,一般用于民用可燃气体探测器。

NDIR红外检测传感器针对个别气体,例如甲烷、乙烷、丙烷,多数可燃气体是不能使用红外气体传感器检测的。红外检测传感器运用非色散型的红外光NDIR对空气中可燃气体进行检测,利用近红外光谱吸收与可燃气体浓度的关系来判断气体浓度,具有可识别性强,能在复杂的背景气体中准确识别出目标气体浓度,使用寿命普遍在5年以上。这类传感器响应速度快,重复性高,输出模拟量经A/D转换后形成气体浓度变化数据。

催化燃烧式气体传感器利用催化燃烧的热效应原理,由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥,在一定温度条件下,可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧,载体温度升高,内部铂丝电阻也相应升高,从而使平衡电桥失去平衡,输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。这类传感器信号稳定,零点稳定,重复性好,使用寿命可达3年左右。

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催化燃烧式气体传感器的灵敏度、响应恢复特性

上述三种可燃气体传感器中,催化燃烧可燃气体传感器结构简单,电路设计难度低,价格也较为便宜。同时,催化燃烧式气体传感器不会与其他非可燃气体发生交叉感染,避免了因交叉感染而造成的检测数据有偏差、偏差大等问题,被广泛用于工业及民用领域的可燃气体监测设备中。

2. 催化燃烧式可燃气体传感器的使用

需要注意的是,催化燃烧式气体传感器是基于气体在催化元件上发生化学反应,首先导致的是传感器载体表面和载体内部的温度变化,载体的温度变化经过热传递最终导致铂线圈电阻发生变化,从而完成传感的全过程。由于传感过程较为复杂,这是一大弱项。

其次,为了保持催化燃烧效应,要求待检测环境中必须有足够的氧气,基于检测原理的限制,当被测气体中含有有机硅化合物、硫化氢化合物、卤化物等物质时,容易导致检测元件中毒,影响传感器性能。

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催化燃烧式气体传感器的零点、灵敏度稳定性曲线

另外,当接触到检测范围外(高浓度)的气体或受到机械冲击时,检测元件和补偿元件会发生裂纹和变形,造成内部线圈变形(元件电阻值异常),灵敏度发生异常。因此,正确使用催化燃烧式可燃气体传感器非常重要,以下是一些注意事项。

(1)必须避免的情况

(1)暴露于可挥发性硅化合物蒸气中。如果传感器的表面吸附了可挥发性硅化合物蒸气,传感器的敏感材料会被硅化合物包裹住,抑制传感器的敏感性,并且不可恢复。传感器要避免暴露在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。

(2)高腐蚀性的环境。传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体(如H2S、SOX、Cl2、HCl等)中,不仅会引起传感器引线的腐蚀或破坏,还会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。

(3)碱、碱金属盐、卤素的污染。传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后,若暴露在卤素,如氟利昂中,也会引起性能劣变。

(4)接触到水。溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。

(5)结冰。水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。

(6)施加电压过高。如果给传感器施加的电压高于规定值,即使传感器没有受到物理损坏或破坏,也会造成引线损坏,并引起传感器敏感特性下降。

(2)尽可能避免的情况

(1)凝结水。在室内使用条件下,轻微凝结水会对传感器性能产生轻微影响。但是,如果水凝结在敏感材料表面并保持一段时间,传感器特性则会下降。

(2)处于高浓度气体中。无论传感器是否通电,在高浓度气体中长期放置,都会影响传感器特性。如用打火机气直接喷向传感器,会对传感器造成极大损害。

(3)长期贮存。传感器在不通电情况下长时间贮存,其敏感材料会产生可逆性变化,这种变化与贮存环境有关。传感器应贮存在有清洁空气且不含硅胶的密封袋中。经长期不通电贮存的传感器,在使用前需要更长时间通电以使其达到稳定。如果不通电贮存储存时间超过半年,使用前建议老化一天。

(4)长期暴露在极端环境中。无论传感器是否通电,长时间暴露在极端条件下,如高湿、高温或高污染等极端条件,传感器性能将受到严重影响。

(5)振动。频繁、过度振动会导致传感器引线产生共振而断裂。在运输途中及组装线上使用气动改锥/超声波焊接机会产生这种振动。

(6)冲击。如果传感器受到强烈冲击或跌落会导致其引线断线。

(3) 使用建议

传感器接入电路时,检测元件和补偿元件的各一管脚连接在一起作为信号输出端,检测元件的另一管脚接负极,补偿元件的另一管脚接正极;传感器管座底部标记“D”者为检测元件,管座底部标记“C”者为补偿元件。

PCB组装时,手工焊接是传感器最理想的焊接方式,建议采用恒温烙铁和含氯最少的松香助焊剂,焊接温度不大于350℃,时间不大于5秒。

以上使用条件与一般电子元器件相似,也要考虑传感器的特殊性,否则将使传感器性能下降。

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