催化燃烧式传感器工作原理2010

催化燃烧式传感器工作原理2010-7-15 来源：哈尔滨东方报警设备开发有限公司>>进入该公司展台文章转自:

催化燃烧式传感器工作原理【传感器知识】

催化燃烧式传感器工作原理

催化燃烧式传感器属于高温传感器，催化元件的检测元件是在铂丝线圈（φ0.025~φ0.05）上包以氧化铝和粘合剂形成球状，经烧结而成，其外表面敷有铂、钯等稀有金属的催化层，其结构如图所示

对铂丝通以电流，使检测元件保持高温（300~400℃），此时若与可燃气体接触如甲烷气体，甲烷就会在催化剂层上燃烧，燃烧的实质是元件表面吸附的甲烷与吸附的氧离子之间的反应，反应完成后生成CO2和H2O 解析，而气相中的氧由被元件吸附并解离，重新补充元件表面上的氧离子。

利用元件测量甲烷式基于在其表面测量甲烷燃烧反应放出的热量的原理，即燃烧使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值就上升。测量铂丝电阻值变化的大小就可以知道可燃气体的浓度。在实际应用中常采用惠斯顿电桥测量电路，如图所示。电桥中黑元件既是检测元件，白元件为补偿元件，白元件与黑元件相比只缺少催化剂层，也就是说白元件遇到可燃气体不能燃烧，。有一些厂家将黑白元件封装在一个防爆网内，也有一些厂家分别封装。当空气中有一

定浓度的可燃气体时，检测元件由于燃烧而电阻值上升，电桥失去平衡，由电压输出，起到检测作用。

可燃物在催化剂作用下燃烧。与直接燃烧相比，催化燃烧温度较低，燃烧比较完全。催化燃烧所用的催化剂为具有大比表面的贵金属和金属氧化物多组分物质。例如家用负载Pd 或稀土化合物的催化燃气灶，可减少尾气中CO含量，提高热效率。负载0.2%pt的氧化铝催化剂，在500℃下，可将大多数有机化合物燃烧，脱臭净化到化学位移σ=1以下。催化燃烧为无焰燃烧，因此适用于安全性要求高的场合，如以H2和O2为原料的燃料电池、用汽油或酒精为原料的怀炉（催化剂为浸Pt石棉）等。如消除化工厂NOx的烟雾，可加燃料到烟雾中，通过负载型铂和钯催化剂，催化燃烧使NOx转化为N2气。采用适当的催化剂，使用有害气体中的可燃物质在较低的温度下分解、氧化的燃烧方法。气体探测器的传感器采用催化燃烧的方式检测气体，称为催化燃烧式传感器。检测可燃气体的探测器一般使用催化燃烧式传感器，它可以看成是一个小型化的热量计，它的检测原理在几十年内没有大的变化。这是一个惠斯通电桥的结构。在它的测量桥上涂有催化物质，它在整个的测量过程中是不被消耗的。即使在空气中气体和蒸气浓度远远低于LEL时，它们也会在这个桥上发生催化燃烧反应，测量时，要在参比和测量电桥上施加电压使之加热从而发生催化反应，这个温度大约是500℃或者更高。正常情况下，电桥是平衡的，V1 = V2，输出为零。如

果有可燃气体存在，它的氧化过程会使测量桥被加热，温度增加，而此时参比桥温度不变。电路会测出它们之间的电阻变化，V2 > V1 ，输出的电压同待测气体的浓度成正比。测量易燃易爆气体时氧气浓度是一个必须注意的问题。催化式传感器要求至少8-10%的氧气才能进行准确测量。而在100%可燃气浓度下，这种仪器的读数将是0%LEL！因此在测量规程中，要求在测量易燃易爆气体的%LEL之前必须首先测量氧气浓度。这也是为什么要求在密闭空间测量中必须同时测量氧气和LEL的原因。如果在完全无氧的情况下测量LEL值很容易得到错误的结果。催化燃烧传感器可以对大部分的可燃气体产生响应。特定气体在测量桥上燃烧产生的热量就反映了它的燃烧热，而后者会随各类物质性质改变。所以，不同物质即使在相同浓度下也会产生不同的仪器读数。要记住，仪器测量的是电阻的变化而不是浓度的变化！不同的气体在测量桥上的行为会有很大的不同。通常，较大的分子会产生更多的燃烧热。另一方面，较小的分子更容易进入测量头的烧结结构进行反应。催化燃烧式传感器，尤其是测量%LEL的传感器不适合于检测“较重的”或者长链的烷烃，特别是高闪点的物质。正如前面所提到的那样，此时使用光离子化检测器可能是一个好的办

文章链接：工控网（百站）/tech_news/Detail/36538.html

气体检测－催化燃烧传感器

发布时间：2009-11-6 8:44:44 分类：行业资讯

催化燃烧传感器主要用于检测可燃气体。它们的使用已有50年以上的历史。最初，这类传感器用于监控采矿厂中的气体，在此之前采矿厂都是使用金丝雀来监测可燃气体。这种传感器本身设计很简单并易于制造，其最简单的形式是采用一根铂丝，正如其最初设计所使用的。全球有大量制造商在生产催化燃烧传感器，但不同制造商之间催化燃烧传感器的性能与可靠性也参差不齐。

工作原理

如果没有达到引燃温度，可燃气体混合物不会燃烧。然而，如果出现某种化学介质，这种气体可以在较低温度下燃烧或引燃，这种现象称为催化燃烧。多数金属氧化物及其化合物均有这种催化属性。例如火山岩，它包含各种金属氧化物，它们经常置入燃气炉具中。这不仅是为了装饰，而且能够促进燃烧过程，使炉具中的燃烧更为纯净和有效。铂、钯及钍土化合物也是良好的燃烧催化剂。这解释了为什么汽车排气系统要用铂化合物来处理并称为催化转换器。这种气体传感器根据催化原理制造，因此称为催化气体传感器。

气体分子在传感器催化表面氧化，其氧化温度远远低于正常引燃温度。所有导电材料的传导性均随着温度变化而变化，这称为温度电阻系数（Ct），采用每度温度变化的百分比来表示。与其它金属相比，铂具有较大的温度传导系数。而且，其温度传导系数在500°C 至1000°C之间呈线性，这也是传感器的工作温度范围。它可以改进传感器精度并简化电子电路。同时，铂还具有良好的机械属性，它具有较高物理强度，可以制成细金属丝，并将金属细丝加工成小型传感器金属珠。

而且，铂具有良好的化学属性，它耐腐蚀，并能长时间在升温条件下工作而不改变其物理属性。它能够长期产生稳定的可靠信号。

用于测量催化传感器输出的电路称为威斯登电桥，这个名字用于纪念英国物理学家和发明家查尔斯·威斯登（Charles Wheatstone，1802-75）。威斯登电桥常用于多种电气测量电路中。。

威斯登电桥——通过与已知电阻相比来测量未知电阻的电路。

当气体在工作传感器表面燃烧时，燃烧热量导致温度上升，温度上升反过来又会改变传感器的电阻。由于电桥不均衡，补偿电压被作为信号而测量。参考传感器或参考珠在暴露于可燃气体期间必须保持恒定电阻，否则所测得的信号会不精确。

传感器特性

传感器输出直接与氧化速度成正比。输出信号约在理想混合气体1时达到最大，或者根据理论燃烧反应化学式来计算。以甲烷为例：

CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H2O + 8N2

假设空气中有1份氧气和4份氮气，则1摩尔甲烷完成反应需要10摩尔空气。

因此，要发生理论上燃烧，1份甲烷需要10份空气来完成燃烧，或者从理论上来说，空气混合物中必须存在9.09%的甲烷。

适用于给定反应所需的比例正确的物质。

对于检测甲烷的传感器，其信号输出将按甲烷浓度的0-5%（100%LEL）呈线性反应，随着浓度接近理想值9%，信号迅速增强并在约10%时达到顶点。随着气体浓度达到20%，信号开始减弱，超过20%后，信号水平直线下降，反映气体浓度达到100%时无信号输出。

催化传感器的工作受到若干因素的影响。

1. 催化剂中毒：有些化学物质会消除传感器的活性，导致传感器丧失敏感性并最终对目标气体完全无反应。导致催化传感器中毒最常见的化学物质往往含有硅，例如含有硅化合物的普通的油和润滑剂，它们用作机械添加剂。硫化合物（经常与气体一起释放）、氯气及重金属也可以导致传感器中毒。

这种中毒的原因很难查清。有些化学物质，即使浓度极低，也会完全摧毁传感器。曾有这样的例子，擦手洗剂中含有的硅导致催化传感器发生故障。