熱導(dǎo)式氣體傳感器在氫氣測量中的影響因素

鳳凰火

隨著化石燃料的日漸枯竭及環(huán)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(guān)注的問題。隨著科技的發(fā)展，氫氣作為原料的燃料電池在汽車、核電等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)對高純氫氣的需求量也急劇增加。隨著氫氣的廣泛應(yīng)用，氫氣在制備、運(yùn)輸、儲存和利用四個(gè)環(huán)節(jié)中構(gòu)成的潛在威脅也不容忽視。氫氣分子小，極易發(fā)生泄漏，同時(shí)氫氣的爆炸限極寬，為 4%～75% VOL，極易發(fā)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(guān)注。
目前，市場上有一些基于催化燃燒、半導(dǎo)體、電化學(xué)等原理的氫氣傳感器，但各種傳感器都是基于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行氫氣濃度檢測，導(dǎo)致傳感器敏感元件的材料發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而導(dǎo)致傳感器使用壽命短、漂移量大、校準(zhǔn)周期短等。熱導(dǎo)式氣體傳感器是一種熱效應(yīng)傳感器，在測試過程中，不與待測氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免了化學(xué)反應(yīng)引起的材料變化，因此它輸出穩(wěn)定，漂移量小。同時(shí)熱導(dǎo)式氣體傳感器具有檢測精度低，溫度漂移大，受環(huán)境溫度、濕度變化影響大的缺點(diǎn)，因此本文對熱導(dǎo)式氣體傳感器的測試影響因素進(jìn)行了探索，提高傳感器測試準(zhǔn)確度。
導(dǎo)熱系數(shù)( 又稱“熱導(dǎo)率”) 是物質(zhì)的重要物理性質(zhì)之一，與物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。不同的氣體有不同的分子結(jié)構(gòu)，便有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。對于彼此之間無化學(xué)作用的多組分混合氣體來說，導(dǎo)熱系數(shù)可近似的視作組成混合氣體的各種氣體導(dǎo)熱系數(shù)的加權(quán)平均值。當(dāng)混合氣體中的某種氣體的濃度發(fā)生變化時(shí)，混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之發(fā)生變化。與其他氣體相比，氫氣具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)( 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(fā)生變化時(shí)，會導(dǎo)致混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生較大的變化，進(jìn)
而引起混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生較大變化。在其他氣體組分相對穩(wěn)定時(shí)，設(shè)定待測氣體(氫氣)的導(dǎo)熱系數(shù)為 λ1，其他氣體的導(dǎo)熱系數(shù)為λ2，則混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)公式為：
λ = λ1 × Ф1 + λ2 × ( 1 － Ф1 ) = λ2 + Ф1 ( λ1 － λ2 )
由公式可知，混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與待測氣體的濃度間存在線性關(guān)系。因此，可以通過熱導(dǎo)原理的傳感器對混合氣體中的某種待測氣體的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。
熱導(dǎo)式氣體傳感器MTCS2601是由瑞士Neroxis公司采用硅微加工工藝生產(chǎn)的一款傳感器，內(nèi)置兩個(gè)測溫電阻( Ｒm1、Ｒm2 ) 和兩個(gè)補(bǔ)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(bǔ)償電阻位于中層硅片上，直接暴露在大氣環(huán)境中，可起到一定程度的環(huán)境補(bǔ)償作用。四個(gè)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(bǔ)償電阻施加一定的電壓，使測溫電阻和補(bǔ)償電阻產(chǎn)生熱量，溫度升高，高于周圍環(huán)境的溫度，并通過熱擴(kuò)散的形式向周圍環(huán)境傳熱。
當(dāng)傳感器測量電阻和補(bǔ)償電阻周圍環(huán)境的氣體恒定時(shí)，環(huán)境氣體的導(dǎo)熱系數(shù)恒定，傳感器會通過自身加熱和熱擴(kuò)散達(dá)到熱平衡狀態(tài)，當(dāng)氣氛中的某一種氣體( 如氫氣) 的組分發(fā)生變化時(shí)，環(huán)境氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，則傳感器對外擴(kuò)散的熱量發(fā)生變化，便會形成新的熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)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(dāng)環(huán)境中待測氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，Ｒm1和 Ｒm2的電阻值會發(fā)生較大的變化，進(jìn)而引起橋路電壓變化，通過電壓的變化可實(shí)現(xiàn)對待測氣體的測量。

熱導(dǎo)式氣體傳感器在氫氣測量中的影響因素:
( 1) 熱導(dǎo)式氣體傳感器采用的是擴(kuò)散型進(jìn)氣方式，氣體流量對測量幾乎無影響。
( 2) 環(huán)境溫度變化對傳感器靈敏度有影響，靈敏度隨環(huán)境溫度的升高呈線性遞增趨勢;
( 3) 各濃度點(diǎn)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(shù)補(bǔ)償，能極大地提高傳感器的準(zhǔn)確度和環(huán)境適應(yīng)性。