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    催化燃烧式传感器工作原理

    2011-11-01 10:56:15

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    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法。


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