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催化燃燒式傳感器工作原理
 

催化燃燒式傳感器工作原理
催化燃燒式傳感器屬於高溫傳感器,催化元件的檢測元件是在鉑絲線圈(φ0.025~φ0.05)上包以氧化鋁和粘合劑形成球狀,經燒結而成,其外表面敷有鉑、鈀等稀有金屬的催化層,其結構如圖所示

 
對鉑絲通以電流,使檢測元件保持高溫(300~400℃),此時若與可燃氣體接觸如甲烷氣體,甲烷就會在催化劑層上燃燒,燃燒的實質是元件表面吸附的甲烷與吸附的氧離子之間的反應,反應完成後生成CO2和H2O解析,而氣相中的氧由被元件吸附並解離,重新補充元件表面上的氧離子。
利用元件測量甲烷式基於在其表面測量甲烷燃燒反應放出的熱量的原理,即燃燒使鉑絲線圈的溫度升高,線圈的電阻值就上升。測量鉑絲電阻值變化的大小就可以知道可燃氣體的濃度。
在實際應用中常采用惠斯頓電橋測量電路,如圖所示。電橋中黑元件既是檢測元 件,白元件為補償元件,白元件與黑元件相比只缺少催化劑層,也就是說白元件遇到可燃氣體不能燃燒,。有一些廠家將黑白元件封裝在一個防爆網內,也有 一些廠家分別封裝。當空氣中有一定濃度的可燃氣體時,檢測元件由於燃燒而電阻值上升,電橋失去平衡,由電壓輸出,起到檢測作用。

可燃物在催化劑作用下燃燒。與直接燃燒相比,催化燃燒溫度較低,燃燒比較完全。催化燃燒所用的催化劑為具有大比表面的貴金屬和金屬氧化物多組分物質。例如家用負載Pd或稀土化合物的催化燃氣竈,可減少尾氣中CO含量,提高熱效率。負載0.2%pt的氧化鋁催化劑,在500℃下,可將大多數有機化合物燃燒,脫臭凈化到化學位移σ=1以下。催化燃燒為無焰燃燒,因此適用於安全性要求高的場合,如以H2和O2為原料的燃料電池、用汽油或酒精為原料的懷爐(催化劑為浸Pt石棉)等。如消除化工廠NOx的煙霧,可加燃料到煙霧中,通過負載型鉑和鈀催化劑,催化燃燒使NOx轉化為N2氣。 采用適當的催化劑,使用有害氣體中的可燃物質在較低的溫度下分解、氧化的燃燒方法。
氣體探測器的傳感器采用催化燃燒的方式檢測氣體,稱為催化燃燒式傳感器。
檢測可燃氣體的探測器一般使用催化燃燒式傳感器,它可以看成是一個小型化的熱量計,它的檢測原理在幾十年內沒有大的變化。這是一個惠斯通電橋的結構。在它的測量橋上塗有催化物質,它在整個的測量過程中是不被消耗的。即使在空氣中氣體和蒸氣濃度遠遠低於LEL時,它們也會在這個橋上發生催化燃燒反應,測量時,要在參比和測量電橋上施加電壓使之加熱從而發生催化反應,這個溫度大約是500℃或者更高。正常情況下,電橋是平衡的,V1 = V2,輸出為零。 如果有可燃氣體存在,它的氧化過程會使測量橋被加熱,溫度增加,而此時參比橋溫度不變。電路會測出它們之間的電阻變化, V2 > V1 ,輸出的電壓同待測氣體的濃度成正比。
測量易燃易爆氣體時氧氣濃度是一個必須註意的問題。催化式傳感器要求至少8-10%的氧氣才能進行準確測量。而在100%可燃氣濃度下,這種儀器的讀數將是0%LEL!因此在測量規程中,要求在測量易燃易爆氣體的%LEL之前必須首先測量氧氣濃度。這也是為什麽要求在密閉空間測量中必須同時測量氧氣和LEL的原因。如果在完全無氧的情況下測量LEL值很容易得到錯誤的結果。
催化燃燒傳感器可以對大部分的可燃氣體產生響應。特定氣體在測量橋上燃燒產生的熱量就反映了它的燃燒熱,而後者會隨各類物質性質改變。所以,不同物質即使在相同濃度下也會產生不同的儀器讀數。 要記住,儀器測量的是電阻的變化而不是濃度的變化!不同的氣體在測量橋上的行為會有很大的不同。通常,較大的分子會產生更多的燃燒熱。另一方面,較小的分子更容易進入測量頭的燒結結構進行反應。催化燃燒式傳感器,尤其是測量%LEL的傳感器不適合於檢測“較重的”或者長鏈的烷烴,特別是高閃點的物質。正如前面所提到的那樣,此時使用光離子化檢測器可能是一個好的辦法。

 
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