|
隨著化石燃料的日漸枯竭及環境污染問題的凸顯，氫氣、水、太陽能等可再生能源的使用逐漸成為人們研究和關注的問題。隨著科技的發展，氫氣作為原料的燃料電池在汽車、核電等領域的應用日益廣泛，同時對高純氫氣的需求量也急劇增加。隨著氫氣的廣泛應用，氫氣在制備、運輸、儲存和利用四個環節中構成的潛在威脅也不容忽視。氫氣分子小，極易發生泄漏，同時氫氣的爆炸限極寬，為 4%～75% VOL，極易發生泄漏和爆炸，因此，對氫氣泄露的測量成為亟需解決的問題，高性能氫氣傳感器的研究也備受關注。 目前，市場上有一些基于催化燃燒、半導體、電化學等原理的氫氣傳感器，但各種傳感器都是基于化學反應進行氫氣濃度檢測，導致傳感器敏感元件的材料發生物理或化學變化，從而導致傳感器使用壽命短、漂移量大、校準周期短等。熱導式氣體傳感器是一種熱效應傳感器，在測試過程中，不與待測氣體發生化學反應，避免了化學反應引起的材料變化，因此它輸出穩定，漂移量小。同時熱導式氣體傳感器具有檢測精度低，溫度漂移大，受環境溫度、濕度變化影響大的缺點，因此本文對熱導式氣體傳感器的測試影響因素進行了探索，提高傳感器測試準確度。 導熱系數( 又稱“熱導率”) 是物質的重要物理性質之一，與物質的分子結構有關。不同的氣體有不同的分子結構，便有不同的導熱系數。對于彼此之間無化學作用的多組分混合氣體來說，導熱系數可近似的視作組成混合氣體的各種氣體導熱系數的加權平均值。當混合氣體中的某種氣體的濃度發生變化時，混合氣體的導熱系數也隨之發生變化。與其他氣體相比，氫氣具有較高的導熱系數( 1．75 × 10－5W/m·K) ，幾乎是空氣的五倍，因此，在含有氫氣的混合氣體中，氫氣濃度發生變化時，會導致混合氣體的導熱系數發生較大的變化，進 而引起混合氣體的導熱系數發生較大變化。在其他氣體組分相對穩定時，設定待測氣體(氫氣)的導熱系數為 λ1，其他氣體的導熱系數為λ2，則混合氣體導熱系數公式為： λ = λ1 × Ф1 + λ2 × ( 1 － Ф1 ) = λ2 + Ф1 ( λ1 － λ2 ) 由公式可知，混合氣體的導熱系數與待測氣體的濃度間存在線性關系。因此，可以通過熱導原理的傳感器對混合氣體中的某種待測氣體的濃度進行實時檢測。 熱導式氣體傳感器MTCS2601是工采網推出的由瑞士Neroxis公司采用硅微加工工藝生產的一款傳感器，內置兩個測溫電阻( Ｒm1、Ｒm2 ) 和兩個補償電阻(Ｒt1、Ｒt2 ) ，其中測溫電阻位于頂層硅片上，并位于頂層硅片和中層硅片之間的腔室頂部，阻值隨測量電阻本身溫度的變化而變化; 補償電阻位于中層硅片上，直接暴露在大氣環境中，可起到一定程度的環境補償作用。四個電阻可通過引線連接方式與外接電阻組成電橋。通過電橋可給測溫電阻和補償電阻施加一定的電壓，使測溫電阻和補償電阻產生熱量，溫度升高，高于周圍環境的溫度，并通過熱擴散的形式向周圍環境傳熱。 當傳感器測量電阻和補償電阻周圍環境的氣體恒定時，環境氣體的導熱系數恒定，傳感器會通過自身加熱和熱擴散達到熱平衡狀態，當氣氛中的某一種氣體( 如氫氣) 的組分發生變化時，環境氣體的導熱系數發生變化，則傳感器對外擴散的熱量發生變化，便會形成新的熱平衡狀態。熱平衡狀態的改變會影響測溫電阻的溫度，從而影響測溫電阻的阻值。即當環境中待測氣體濃度發生變化時，Ｒm1和 Ｒm2的電阻值會發生較大的變化，進而引起橋路電壓變化，通過電壓的變化可實現對待測氣體的測量。 工采網還代理了瑞士Neroxis 品牌的其他兩種系列傳感器，熱導式氣體傳感器 - MTCS2200系列、微型皮拉尼真空計 壓力計 - MTCS2300系列。 熱導式氣體傳感器在氫氣測量中的影響因素: ( 1) 熱導式氣體傳感器采用的是擴散型進氣方式，氣體流量對測量幾乎無影響。 ( 2) 環境溫度變化對傳感器靈敏度有影響，靈敏度隨環境溫度的升高呈線性遞增趨勢; ( 3) 各濃度點的輸出隨絕對濕度的增加線性遞增; ( 4) 通過溫度、濕度多參數補償，能極大地提高傳感器的準確度和環境適應性。 |
