CN102590289A - 催化燃烧型气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种催化燃烧型气体传感器，包括：检测元件和补偿元件；还包括：相同的两个三极管；检测元件和补偿元件的一端与第二三极管的发射极共接，补偿元件的另一端接地；第二三极管的基极与第一三极管的基极相连；第二三极管的集电极与第二三极管的基极相连，第二三极管的集电极连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端接地；检测元件的另一端分别通过第一电阻与第一三极管的发射极相连以及通过可调电压源模块与电压负反馈电路相连；第一三极管的集电极分别与第三电阻的一端以及第二电阻的一端相连；第三电阻的另一端接地；第二电阻的另一端与电压负反馈电路模块相连；第二电阻的另一端同时和信号调理模块相连。

Description

催化燃烧型气体传感器
技术领域
本发明涉及一种催化燃烧型气体传感器，尤其涉及该催化燃烧型气体传感器的电路。
背景技术
催化燃烧传感器由检测元件和补偿元件构成。检测元件是由铂丝绕制成线圈，在线圈外涂由氧化铝-氧化硅组成的膏状涂覆层，一定温度下烧结成球状多孔体，将烧结后的小球浸渍贵金属铂、钯等的盐溶液，再高温处理，使在氧化物载体上形成贵金属催化层，最后封装成元件，而补偿元件和检测元件的区别是没有催化层。
当可燃气体(如甲烷等)在检测元件表面无焰催化燃烧，燃烧热使检测元件的铂丝温度升高，电阻值相应增大。在低于10％(体积分数)情况下，空气中的可燃气体可以完全燃烧，其发热量与可燃气体的浓度成正比。空气中可燃气体的浓度越大，燃烧产生的燃烧热越多，铂丝的温度增高越大，其电阻值增加的越多。只要测定检测元件铂丝的电阻变化值，就可检测空气中可燃气体的浓度。
现有技术的催化燃烧型气体传感器工作原理如图1所示：检测元件和补偿元件串联，和外围电路构成惠斯通电桥。
外围电路给电桥提供恒压，初始状态A、B间平衡，没有压差。当检测元件与可燃气体接触时，燃烧热使检测元件温度上升(补偿元件上无燃烧，其铂丝阻值不变)，铂丝阻值增大，A的电位增高而B的电位不变，利用A、B间产生的电位差与可燃气体浓度成正比，测试可燃气体浓度。其中补偿元件的作用是补偿可燃气体催化燃烧以外的，由环境温度、电源电压和气体流速等因素所引起的偏差。例如，清洁空气的流速突然增大，元件高温小球(450℃左右)通过对流方式损失的热量会增加，小球温度会降低，但由于补偿元件和检测元件小球相似，热量损失也接近，两者热电阻会同等幅度的降低，A的电压不变，在惠斯通电桥上不会有信号输出，也就避免了由于清洁空气流速加大，导致误报情况的发生。该原理由于可燃气体在检测元件上催化燃烧热，其小球工作温度随可燃气体浓度的增大而升高。
发明内容
本发明提供了一种催化燃烧型气体传感器，通过可调电压源和电压负反馈，控制检测元件上工作电流，旨在使检测元件小球始终在恒定温度下工作。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：检测元件和补偿元件；还包括：第一三极管和第二三极管；所述的第一三极管和第二三极管相同；检测元件和补偿元件的一端与第二三极管的发射极共接，补偿元件的另一端接地；第二三极管的基极与第一三极管的基极相连；第二三极管的集电极与第二三极管的基极相连，第二三极管的集电极连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端接地；检测元件的另一端分别通过第一电阻与第一三极管的发射极相连以及通过可调电压源模块与电压负反馈电路相连；第一三极管的集电极分别与第三电阻的一端以及第二电阻的一端相连；第三电阻的另一端接地；第二电阻的另一端与电压负反馈电路模块相连；第二电阻的另一端同时和信号调理模块相连，调理后的信号向外电路输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：能明显降低检测元件灵敏度衰减和信号漂移，降低耗电量，延长传感器寿命。
附图说明
图1是现有技术中催化燃烧型气体传感器的电路模块图。
图2是本发明的电路模块图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明包括：检测元件和补偿元件；还包括：第一三极管T1和第二三极管T2；所述的第一三极管T1和第二三极管T2相同；检测元件和补偿元件的一端与第二三极管T 2的发射极共接，补偿元件的另一端接地；第二三极管T2的基极与第一三极管T1的基极相连；第二三极管T2的集电极与第二三极管T2的基极相连，第二三极管T2的集电极连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端接地；检测元件的另一端分别通过第一电阻R1与第一三极管T1的发射极相连以及通过可调电压源模块与电压负反馈电路相连；第一三极管T1的集电极分别与第三电阻R3的一端以及第二电阻R2的一端相连；第三电阻R3的另一端接地；第二电阻R2的另一端与电压负反馈电路模块相连；第二电阻R2的另一端同时和信号调理模块相连，调理后的信号向外电路输出。
所述的第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3和检测、补偿元件工作时的热电阻接近；第四电阻R4的阻值大于第一电阻R1 1000倍以上。
本发明中的电压负反馈电路模块，是采用现有技术常用的电压串联或并联负反馈电路。信号调理模块，也是采用现有技术常用信号调理电路，旨在扩大信号动态范围，与后续的A/D采用电路的输入范围匹配。可调电压源也是采用现有技术常用的模块。
本发明和以前的工作原理有所不同，检测元件采用恒温工作模式，即在检测可燃气体的时候，通过恒温控制电路，自动调节检测元件的加热电流，使之处于恒温状态。输出信号取自催化传感元件工作电流的变化量。
本发明应用了一个镜像电流源设计，采用完全对称的晶体管T1和T2，参数完全相同，其中R4的阻值大于检测和补偿元件的热电阻(两者热电阻值接近)1000倍以上，电路中其它电阻与检测和补偿元件的热电阻接近。设流过晶体管T1基射极电压为VBE1，发射极电流IC1，基极电流Ib1；流过晶体管T2基射极电压为VBE2，发射极电流IC2，基极电流Ib2。由于两个晶体管基极电位相同，则有I1*R检测元件+VBE2＝IC1*R1+VBE1。由于两个晶体管参数完全相同，VBE2＝VBE1，则有I1*R检测元件＝IC1*R1，即通过R1的电流IC1是检测元件工作电流I1的镜像，有
Figure BDA0000138694680000041
IC1通过R3转换为电压采样信号，通过负反馈调节检测元件工作电流I1。具体工作过程是：首先通过负反馈电路调整检测元件工作电流I1，使流经检测元件的电流等于其额定工作电流，检测元件处于初始工作状态，工作温度为450℃左右。当检测可燃气体时，可燃气体在检测元件表面发生催化燃烧反应，使检测元件催化多孔小球表面温度升高，迅速传递给内部的铂丝，使铂丝温度升高阻值增大，即R检测元件增大。检测元件工作电流I1的降低通过其镜像，流过R1的电流IC1得到体现，IC1通过R3转换为电压采样信号，通过负反馈电路，更大幅度的降低检测元件工作电流I1，使R检测 元件恢复到初始值，保证检测元件恒温工作。同时，通过电压采样信号，可以获得和检测元件工作电流减小幅值一一对应的电压信号，事先采用标准浓度可燃气体确定出两者线性关系，由此信号可以反算出实际可燃气体浓度。
在传统的惠斯通电桥工作状态下，由于检测和补偿元件串联电路上加的是恒压，检测元件热电阻增大，其工作电流也会降低，对催化多孔小球表面温度的影响是负向的，即降低小球表面温度。但可燃气体催化燃烧产生的热量，对小球表面温度升高的效应远远大于前者，其叠加的效果仍是检测元件催化小球表面温度升高，铂丝阻值增大。而本发明为了保持检测元件催化小球、内部铂丝的温度恒定，为达到这点，电路中通过反馈对检测元件工作电流的降低幅度要大的多。
另外，由于R4的阻值很大，使IC2远小I2，对I1的分流作用可以忽略不计，则有I1≈I2，及通过检测元件和补偿元件的电流基本相同。补偿元件在惠斯通电桥中的补偿作用同样得到保留。例如，当有小幅度的环境温度升高，工作元件和补偿元件的温度同时升高，由于两元件的工作小球结构接近，其升温比例接近，则两元件间的电位保持不变，即I1*R检测元件保持不变。由于I1*R检测元件＝IC1*R1，其镜像电流IC1也保持不变，则反馈电路不会作用，电压源恒压保持不变，就不会有误报产生。
本发明为提高检测元件灵敏度，制作中元件氧化铝载体采用多孔结构，并尽量提高催化剂层的比表面积。由于检测元件工作在450℃左右，长时间高温烧结，多孔的氧化铝会逐渐变成低活性且致密的α相结构，使载体表面积降低；贵金属催化剂粒子会烧结变大，催化剂层的比表面积会下降，催化活性降低；当高浓度的可燃气体在检测元件上燃烧，瞬间高温还会使贵金属活性粒子升华为气态，使处于同一气室的补偿元件载体上吸附微量催化剂，使可燃气体能够在补偿元件上催化燃烧，这些均会使电桥输出灵敏度下降。采用检测元件恒温工作模式，能显著延缓多孔氧化铝烧结致密，和向低活性的刚玉相转变，抑制贵金属催化剂粒子的烧结变大，同时避免出现瞬间高温使贵金属活性粒子升华的情况，明显降低检测元件灵敏度衰减和信号漂移，延长传感器寿命。
由于催化燃烧传感器需要在测量过程中持续加热，因此耗电量比较大，一般可达80-150mA(2.5-4.5V直流供电)，所以在便携式仪表中常常需要采用大容量的充电电池给整个仪器的供电。当检测环境长时间出现报警点浓度以下的可燃气体时，这种恒温工作模式的节电效应就会很明显。
当接触高浓度可燃气体环境(例如超过10％体积百分比的甲烷)，检测元件的阻值变化不再随可燃气体浓度呈线性关系，这将无法准确测量可燃气体浓度。通过恒温检测方法能够克服这个问题，这实际上扩大的传感器的测量范围。
同时瞬间接触高浓度可燃气体，催化燃烧传感器会出现“激活”现象，即由于元件表面瞬间剧烈燃烧，产生的急剧升温，会使前述降低灵敏度的作用被迅速放大，传感器灵敏度迅速下降，为避免损伤传感器，目前采取的方法是超过检测范围后就断电关机。如果检测环境频繁出现高、低浓度变化，检测仪器将无法正常工作，采用本发明的恒温检测模式，给检测元件的供电是一个逐渐降低，直至完全断电的过程，在避免检测元件损伤的同时，能够很大程度缓解这个现象。

Claims (2)

1.一种催化燃烧型气体传感器，包括：检测元件和补偿元件；其特征在于还包括：第一三极管和第二三极管；所述的第一三极管和第二三极管相同；检测元件和补偿元件的一端与第二三极管的发射极共接，补偿元件的另一端接地；第二三极管的基极与第一三极管的基极相连；第二三极管的集电极与第二三极管的基极相连，第二三极管的集电极连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端接地；检测元件的另一端分别通过第一电阻与第一三极管的发射极相连以及通过可调电压源模块与电压负反馈电路相连；第一三极管的集电极分别与第三电阻的一端以及第二电阻的一端相连；第三电阻的另一端接地；第二电阻的另一端与电压负反馈电路模块相连；第二电阻的另一端同时和信号调理模块相连，调理后的信号向外电路输出。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于：所述的第一电阻、第二电阻以及第三电阻和检测、补偿元件工作时的热电阻接近；第四电阻的阻值大于第一电阻1000倍以上。
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