传感器与仪器仪表

文章编号：１００８－０５７０（２００７）０１—１—０１７７—吆

催化燃烧型甲烷传感器的研究

ＳＴＵＤＹｏＮＴＨＥＣＡＴＡＬＹＳＴｃｏＭＢＵＳＴＩＯＮｏＦＣＨ４ＳＥＮＳＯＲ

（１．北方民族大学．２舡苏大学）丁黎明１赵景波２

ＤＩＮＧＬＩＭＩＮＧ

ＺＨＡＯＪＩＮＧＢＯ

摘要：在分析传统催化燃烧型甲烷传感器的基础上，实验验证了催化燃烧原理，并设计了基于脉冲式恒温供电技术和闭环反馈系统的恒温检测桥路。通过实验得到了良好的效果。关键词：催化燃烧；甲烷传感器；脉冲中图分类号：１１”１２．５３文献标识码：Ａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｈｅｎｓｔｕａｙｉｎｇｔｈｅｃａｔａｌｙｓｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆＣＨ４ｓｅｎｓｏｒ，ｗｅｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｍｏｆｔｈｅｃａｔａｌｙｓｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂｒｉｄｇｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｃｌｏｓｅ —ｌｏｏｐｃｏｎ ｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ（ｆｅｅｄ－ｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ）．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｉｔ７Ｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｅｍｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄｕｌｔｅｒｉｏｒｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｔａｌｙｓｔ，ＣＨ４ｓｅｎｓｏｒ，ｐｕｌｓｅ

引言

检测瓦斯最有效最经济的方法是催化燃烧方法．即把催化剂氧化钯黑涂在测量元件表面，再配以物理性能相同的参比元件组成测量电桥（黑白元件）。两只元件用铂丝加热到摄氏４００　度，当空气中含有可燃气体时，测量元件在催化剂的作用下，在元件表面发生催化反应，使温度上升。通过测量两只元件的温差就能判断出瓦斯的含量。由于催化元件在检测可燃性气体方

必须让元件在燃烧状态工作，这就是我们必须要解决的关键。

我们做了这样一个试验。在黑暗的环境中，往试验杯中通以１０％浓度的甲烷气样（９．５％浓度的瓦斯气体具有最强烈的爆炸特性），接通测量桥路电源，让元件进入催化反应状态，检测元件在瓦斯和氧气的反应下立刻发出明亮的光辉；这时立即切断桥路电源。但是催化反应并没有停止，催化反应产生的热量还会维持燃烧．这种燃烧的能量来源于甲烷与氧气的反应，这就是虽然断电保护，但仍然不能有效杜绝“激活”的原因。

面有着电路简单、可靠、廉价等许多的优越性能，在全国煤矿安

全检测领域得到了广泛应用。催化燃烧型瓦斯检测仪器是当前煤矿中使用最广泛、最普遍的瓦斯检测仪器。是煤矿用来监视矿井瓦斯动态的有效工具。

但是，载体催化元件有个致命的缺陷，就是只能测量４％浓度以下的甲烷气体，当空气中的瓦斯浓度值超过４％后，元件就会发生“激活”现象造成永久损坏．使测量范围被局限在很有限的区间里。如果能够解决催化元件的“激活”问题，那将为煤矿安全带来一场重大的变革。

２甲烷传感器催化元件的高浓冲击问题

催化元件测量高浓甲烷时，因甲烷挤占了空气中的氧气，使催化反应不但没有加强。反而随着浓度增加而下降，浓度越高测量值反而越小。实际应用中这种特性存在着极大危险，这就是长期困扰人们的二值性误测问题。

解决二值性问题的关键是如何确定仪器的取值区间，不同的区间会得出不同的测量结果。人们采用催化元件与热导元件组合方式制造了高低浓组合式甲烷传感器，但由于热导元件在量程的高端和低端分辨率低，在两元件测量的相交点上无法吻合。不能准确切换。又由于两种元件工作机理不同，两参数的整定、测量算法无法统一．再加上双元件、双供电、双零点、双精度、双补偿。使仪器的使用变得极其复杂，更无法接受的是两种元件切换时必须经过很长的停电肋Ⅱ热转换过程，这期间仪器是“休止”状态。在时间上和测量值上都是不连续的，这样就给产品的推广应用带来极大障碍。黑白元件特性曲线如图１所示。

解决催化元件的高浓冲击问题，就是解决催化元件高温的问题．还是要从桥路平衡上解决。在连续供电的检测桥路上，任何的辅助控制。都会成功地将失衡的桥路矫正，但是被外电路钳制成平衡的桥路不等于恒温的桥路，桥路的平衡条件是对边阻抗乘积等于另一边阻抗乘积，如下式：

Ｚ１×Ｚ４＝Ｉｚ２×Ｚ３

１传统的催化燃烧检测的问题

传统的检测原理是检测催化元件与参比元件的温差获得浓度信号，随着浓度上升，元件温度必然上升，“激活”现象不可避免。当被测气体中甲烷浓度大于４％时，切断桥路的加热电流。然而实践证明，尽管有保护电路存在，还是不能有效保护传感器元件。

根据文献，无论什么配方的催化剂，在表面温度＞６００％后，催化剂氧化钯黑都无法抵抗氧化还原反应的发生，结果造成检测元件的损坏。

当催化元件被点燃之后，再切断电源也无法扑灭，元件会一直维持燃烧状态。直到将其烧毁为止。而在高浓甲烷环境下，很小的能量“触发”就会导致催化元件的完全烧毁。而仪表检测又丁黎明：讲师

江苏省教育厅自然科学基金资助项目（０２ＫＪＤ￥１０００９）

如果ｚ４是测量元件，ｚ３为参比元件，在高浓甲烷环境中Ｚ４温度上升后对ｚ４加以分流控制。必将引起其并联阻抗下

万方数据　

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