熱導式氣體傳感器在氫氣測量中的影響因素

隨著(zhù)化石燃料的日漸枯竭及環(huán)境污染問(wèn)題的凸顯，氫氣、水、太陽(yáng)能等可再生能源的使用逐漸成為人們研究和關(guān)注的問(wèn)題。隨著(zhù)科技的發(fā)展，氫氣作為原料的燃料電池在汽車(chē)、核電等領(lǐng)域的應用日益廣泛，同時(shí)對高純氫氣的需求量也急劇增加。隨著(zhù)氫氣的廣泛應用，氫氣在制備、運輸、儲存和利用四個(gè)環(huán)節中構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(wèn)題，高性能氫氣傳感器的研究也備受關(guān)注。

目前，市場(chǎng)上有一些基于催化燃燒、半導體、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)反應進(jìn)行氫氣濃度檢測，導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(guò)程中，不與待測氣體發(fā)生化學(xué)反應，避免了化學(xué)反應引起的材料變化，因此它輸出穩定，漂移量小。同時(shí)熱導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，提高傳感器測試準確度。

導熱系數( 又稱(chēng)“熱導率”) 是物質(zhì)的重要物理性質(zhì)之一，與物質(zhì)的分子結構有關(guān)。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(wú)化學(xué)作用的多組分混合氣體來(lái)說(shuō)，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(fā)生變化時(shí)，混合氣體的導熱系數也隨之發(fā)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(fā)生變化時(shí)，會(huì )導致混合氣體的導熱系數發(fā)生較大的變化，進(jìn)

而引起混合氣體的導熱系數發(fā)生較大變化。在其他氣體組分相對穩定時(shí)，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(xiàn)性關(guān)系。因此，可以通過(guò)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(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

熱導式氣體傳感器MTCS2601是工采網(wǎng)推出的由瑞士Neroxis公司采用硅微加工工藝生產(chǎn)的一款傳感器，內置兩個(gè)測溫電阻( Ｒm1、Ｒm2 ) 和兩個(gè)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(huán)境中，可起到一定程度的環(huán)境補償作用。四個(gè)電阻可通過(guò)引線(xiàn)連接方式與外接電阻組成電橋。通過(guò)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(chǎn)生熱量，溫度升高，高于周?chē)h(huán)境的溫度，并通過(guò)熱擴散的形式向周?chē)h(huán)境傳熱。

當傳感器測量電阻和補償電阻周?chē)h(huán)境的氣體恒定時(shí)，環(huán)境氣體的導熱系數恒定，傳感器會(huì )通過(guò)自身加熱和熱擴散達到熱平衡狀態(tài)，當氣氛中的某一種氣體( 如氫氣) 的組分發(fā)生變化時(shí)，環(huán)境氣體的導熱系數發(fā)生變化，則傳感器對外擴散的熱量發(fā)生變化，便會(huì )形成新的熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)的改變會(huì )影響測溫電阻的溫度，從而影響測溫電阻的阻值。即當環(huán)境中待測氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，Ｒm1和 Ｒm2的電阻值會(huì )發(fā)生較大的變化，進(jìn)而引起橋路電壓變化，通過(guò)電壓的變化可實(shí)現對待測氣體的測量。

工采網(wǎng)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(jìn)氣方式，氣體流量對測量幾乎無(wú)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(xiàn)性遞增趨勢;

( 3) 各濃度點(diǎn)的輸出隨絕對濕度的增加線(xiàn)性遞增;

( 4) 通過(guò)溫度、濕度多參數補償，能極大地提高傳感器的準確度和環(huán)境適應性。