甲烷傳感器催化元件的高濃沖擊問題的研究

0 引言

檢測瓦斯最有效最經(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量元件表面，再配以物理性能相同的參比元件組成測量電橋（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，測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，通過測量兩只元件的溫差就能判斷出瓦斯的含量［1］。由于催化元件在檢測可燃性氣體方面有著電路簡單、可靠、廉價等許多的優(yōu)越性能，在全國煤礦安全檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。催化燃燒型瓦斯檢測儀器是當(dāng)前煤礦中使用最廣泛、最普遍的瓦斯檢測儀器。是煤礦用來監(jiān)視礦井瓦斯動態(tài)的有效工具。

但是，載體催化元件有個致命的缺陷，就是只能測量4% 濃度以下的甲烷氣體，當(dāng)空氣中的瓦斯?jié)舛戎党^4% 后，元件就會發(fā)生“激活”現(xiàn)象造成永久損壞，使測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重大的變革。

1 傳統(tǒng)的催化燃燒檢測的問題

傳統(tǒng)的檢測原理是檢測催化元件與參比元件的溫差獲得濃度信號，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)被測氣體中甲烷濃度大于4% 時，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法抵抗氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，結(jié)果造成檢測元件的損壞。

當(dāng)催化元件被點(diǎn)燃之后，再切斷電源也無法撲滅，元件會一直維持燃燒狀態(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)”就會導(dǎo)致催化元件的完全燒毀，而儀表檢測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），接通測量橋路電源，讓元件進(jìn)入催化反應(yīng)狀態(tài)，檢測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

催化元件測量高濃甲烷時，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)，這就是長期困擾人們的二值性誤測問題。

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)間會得出不同的測量結(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，在兩元件測量的相交點(diǎn)上無法吻合，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、測量算法無法統(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，更無法接受的是兩種元件切換時必須經(jīng)過很長的停電/加熱轉(zhuǎn)換過程，這期間儀器是“休止”狀態(tài)，在時間上和測量值上都是不連續(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)供電的檢測橋路上，任何的輔助控制，都會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，不足以改善高溫對測量元件的激活現(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)不了測量元件的“恒溫”，此時測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，也無法起到對元件的保護(hù)作用。

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

我們通過一個微機(jī)處理芯片構(gòu)成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，強(qiáng)迫檢測元件與參比元件保持在平衡狀態(tài)，使測量元件工作在恒溫狀態(tài)下。這樣的檢測環(huán)路使測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量元件表面燃燒時，測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)測到偏移信號后，輸出控制脈沖信號，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。這個波動的溫差很小，只有零點(diǎn)幾度的差別，基本上可以認(rèn)為參比元件和測量元件的溫度是相等的。傳統(tǒng)的檢測橋路與恒溫橋路的濃度溫度特性如圖3［4，5，6］。

空氣中的甲烷濃度越高，從平衡到失衡的過渡時間就越短，通過檢測這個升溫時間，就能夠得到與甲烷濃度成正比的測量參數(shù)。這種方法保證了在任何甲烷濃度下，測量元件的溫度不變，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

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

該方法與傳統(tǒng)的檢測方法區(qū)別在于，檢測元件工作于間歇脈沖供電狀態(tài)，檢測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)檢測的是測量元件上溫度的上升速率，而傳統(tǒng)方法則是檢測元件上的絕對溫度。綜合以上，所示效果良好。