CN108918751A - 改进型催化燃烧气体传感器及其气体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进型催化燃烧气体传感器及其气体检测方法，该催化燃烧气体传感器，包括第一电阻、第二电阻和黑元件，第一电阻首端连接供电电压，第一电阻末端连接第二电阻首端，第二电阻末端连接黑元件的一端且第二电阻末端接地，其特征在于，还包括采样元件，采样元件的首端连接供电电压，采样元件的末端连接黑元件的另一端；采样元件的阻值为黑元件热电阻阻值的1/N倍；N>1。通过获取初步的待检测气体浓度值、气体传感器的零点漂移系数和灵敏度漂移系数，得到补偿后的气体浓度值，再结合所得气体传感器的温度校准系数及湿度校准系数，得到待检测气体经补偿处理后的实际浓度值，降低周围环境中温度和湿度因素对气体传感器所检测结果的不利影响。

Description

改进型催化燃烧气体传感器及其气体检测方法

技术领域

本发明涉及气体检测领域，尤其涉及一种改进型催化燃烧气体传感器及其气体检测方法。

背景技术

催化燃烧式气体传感器是目前使用最广泛的检测可燃气体的检测器件。传统的催化燃烧式气体传感器是由两个传感器敏感元件和两支固定电阻组成的惠斯通电桥，两个传感器敏感元件包括黑元件和白元件。当含有可燃气体及氧气的混合气体扩散到黑元件上时，迅速进行无焰燃烧并产生反应热，使铂丝电阻阻值增大，电桥输出一个变化的电压信号，这个电压信号与可燃气体的浓度成正比，白元件与黑元件配对使用，具有相同的电阻阻值及性能，用于抵消温度、湿度等因素对传感器信号的影响，因为黑白元件使用的都为贵金属铂丝，因此成本也较高。

催化燃烧式气体传感器只用于可燃气体的检测，具有稳定性好、信号输出接近线性以及响应速度快的优点。当然，现有的催化燃烧式气体传感器也存在一些缺点，比如说其工作电流一般可以高达100mA甚至300mA，这样会造成可燃气体探测器的整体功耗较大，不利于现有催化燃烧式气体传感器的大量分布设置。另外，该类催化燃烧式气体传感器所输出的信号由于受到外部周围环境中温度和湿度因素的不利影响，导致这些催化燃烧式气体传感器所检测到的气体浓度数据不够准确。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种改进型催化燃烧气体传感器。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种改进型催化燃烧气体传感器的气体检测方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：改进型催化燃烧气体传感器，包括第一电阻、第二电阻和黑元件，第一电阻的首端连接供电电压，第一电阻的末端连接第二电阻的首端，第二电阻的末端连接黑元件的一端且第二电阻的末端接地，其特征在于，还包括采样元件，所述采样元件的首端连接所述供电电压，采样元件的末端连接黑元件的另一端；所述采样元件的阻值为所述黑元件热电阻阻值的倍；其中，所述N>1。

改进地，在所述改进型催化燃烧气体传感器中，所述黑元件的工作电压在该催化燃烧气体传感器处于正常工作状态下保持不变。

优选地，在所述改进型催化燃烧气体传感器中，所述采样元件为采用非铂金材料制成的电阻。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：改进型催化燃烧气体传感器的气体检测方法，利用所述的改进型催化燃烧气体传感器，其特征在于，包括如下步骤1至步骤6：

步骤1，获取所述改进型催化燃烧气体传感器的输出电压值并对获取的所述输出电压值做放大处理，得到放大处理后的输出电压值；其中，获取的所述改进型催化燃烧气体传感器的输出电压值标记为v_cc，所述放大处理后的输出电压值标记为V_cc；

步骤2，根据放大处理后的输出电压值，计算得到待检测气体的原始浓度值；其中，所述待检测气体的原始浓度值标记为C₀；C₀＝k₀·V_cc，k₀为针对所述改进型催化燃烧气体传感器的常量；

步骤3，根据所述改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移特性曲线和灵敏度特征曲线，计算得到所述改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移系数以及灵敏度漂移系数，并得到补偿后的气体浓度值；其中，所述改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移系数标记为K_Z，所述改进型催化燃烧气体传感器的灵敏度漂移系数标记为K_S，K_Z和K_S都是以时间t为变量的指数函数，所述补偿后的气体浓度值标记为C_S：C_S＝K_S·C₀+K_Z；

步骤4，针对所述改进型催化燃烧气体传感器所处的周围环境进行温度数据采集，并根据该改进型催化燃烧气体传感器的校正曲线计算温度校准系数；其中，所述温度校准系数标记为K_T，K_T＝A_T·T²+B_T·T+C_T；A_T、B_T和C_T分别对应地表示温度校准系数随温度变化的二次项系数、一次项系数和常数项系数；

步骤5，针对所述改进型催化燃烧气体传感器所处的周围环境进行湿度数据采集，并根据该改进型催化燃烧气体传感器的校正曲线计算湿度校准系数；其中，所述湿度校准系数标记为K_H：K_H＝A_H·H²+B_H·H+C_H；A_H、B_H和C_H分别对应地表示湿度校准系数随湿度变化的二次项系数、一次项系数和常数项系数；

步骤6，根据所得补偿后的气体浓度值、温度校准系数和湿度校准系数，得到所述待检测气体经补偿处理后的实际浓度值；其中，所述实际浓度值标记为C，C＝C_S·K_T·K_H。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

首先，在本发明中的改进型催化燃烧气体传感器中，通过利用采样元件来替代传统催化燃烧气体传感器中的白元件，并使得设置采样元件的电阻值为黑元件热电阻阻值的倍，从而可以在保证黑元件的正常工作电压保持不变的情况下，使得改进型催化燃烧气体传感器中采样元件和黑元件的整体功耗小于传统催化燃烧气体传感器中白元件和黑元件的整体功耗，以此达到降低气体传感器功耗的技术效果；

其次，本发明中催化燃烧气体传感器的采样元件采用非铂金材料制成的电阻，通过利用具有较低成本的非铂金材料代替高成本的铂金材料，达到了降低气体传感器制造成本的目的；

最后，针对本发明中的气体检测方法，通过采用该改进型催化燃烧气体传感器来获取初步的待检测气体浓度值，并且分别通过计算该气体传感器的零点漂移系数和灵敏度漂移系数，得到补偿后的气体浓度值，再通过结合所得补偿后气体浓度值、针对该气体传感器的温度校准系数以及湿度校准系数，准确地得到待检测气体经补偿处理后的实际浓度值，从而降低周围环境中温度和湿度因素对该催化燃烧气体传感器所检测结果的不利影响。

附图说明

图1为本发明实施例中改进型催化燃烧气体传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中改进型催化燃烧气体传感器的气体检测电路示意图；

图3为本发明实施例中改进型催化燃烧气体传感器的气体检测方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，在本实施例中的改进型催化燃烧气体传感器，包括第一电阻R₁、第二电阻R₂和黑元件R₃，第一电阻R₁的首端连接供电电压V₁，第一电阻R₁的末端连接第二电阻R₂的首端，第二电阻R₂的末端连接黑元件R₃的一端且第二电阻R₂的末端接地，作为改进之处，本实施例中的改进型催化燃烧气体传感器还包括采样元件R₄，采样元件R₄的首端连接供电电压V₁，采样元件R₄的末端连接黑元件R₃的另一端；采样元件R₄的阻值为黑元件R₃热电阻阻值的倍；其中，这里的N>1。本实施例中的采样元件R₄为采用非铂金材料制成的电阻，即利用具有较低成本的非铂金材料代替高成本的铂金材料，有效降低该催化燃烧气体传感器的制造成本。

其中，本实施例中黑元件R₃的工作电压在该催化燃烧气体传感器处于正常工作状态下保持不变，由此可以确保在保证总工作电压不变的情况下，使得该催化燃烧气体传感器中采样元件R₄和黑元件R₃的整体功耗小于传统催化燃烧气体传感器中白元件和黑元件的整体功耗，以此达到降低气体传感器功耗的技术效果。具体说明如下：

在传统催化燃烧气体传感器中，在催化燃烧气体传感器正常工作时，设定黑元件的电阻值为R，黑元件的电压为U，黑元件的功耗为白元件的电阻值为R，白元件上的电压为U，白元件的功耗为则传统催化燃烧气体传感器中黑元件和白元件的整体功耗值为

在本实施例的催化燃烧气体传感器中，在催化燃烧气体传感器正常工作时，设定黑元件R₃的工作电压也为U，黑元件R₃的电阻值为R，黑元件的功耗为由于采样元件R₄的热电阻阻值为那么采样元件R₄上的电压为采样元件R₄的功耗为那么该催化燃烧气体传感器中采样元件R₄和黑元件R₃的整体功耗值W为：其中，N>1。

比较可知，该催化燃烧气体传感器中采样元件和黑元件的整体功耗值小于传统催化燃烧气体传感器中黑元件和白元件的整体功耗值。当然，随着N值的增大，本实施例中采样元件和黑元件的整体功耗值越来越明显地小于传统催化燃烧气体传感器中元件和白元件的整体功耗值。

参见图2所示，改进型催化燃烧气体传感器的气体检测电路包括本实施例中的改进型催化燃烧气体传感器、温度采集模块、湿度采集模块和信号采集放大模块；其中，第二电阻R₂的首端以及采样元件R₄的末端分别连接信号采集放大模块；温度采集模块、湿度采集模块以及信号采集放大模块分别连接处理器。温度采集模块，用来采集该改进型催化燃烧气体传感器所处周围环境的温度数据；湿度采集模块，用来采集该改进型催化燃烧气体传感器所处周围环境的湿度数据；信号采集放大模块，负责对改进型催化燃烧气体传感器的输出电压值做放大处理，并将放大处理后的输出电压值发送给处理器。

参见图3所示，本实施例中改进型催化燃烧气体传感器的气体检测方法，利用该实施例的改进型催化燃烧气体传感器，该气体检测方法包括如下步骤1至步骤6：

步骤1，获取改进型催化燃烧气体传感器的输出电压值并对获取的输出电压值做放大处理，得到放大处理后的输出电压值；其中，获取的改进型催化燃烧气体传感器的输出电压值标记为v_cc，放大处理后的输出电压值标记为V_cc；

步骤2，根据放大处理后的输出电压值，计算得到待检测气体的原始浓度值；其中，待检测气体的原始浓度值标记为C₀；C₀＝k₀·V_cc，k₀为针对改进型催化燃烧气体传感器的常量；

步骤3，根据本实施例中改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移特性曲线和灵敏度特征曲线，计算得到该改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移系数以及灵敏度漂移系数，并得到补偿后的气体浓度值；

其中，改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移系数标记为K_Z，改进型催化燃烧气体传感器的灵敏度漂移系数标记为K_S；K_Z和K_S都是以时间t为变量的指数函数，例如，在本实施例中，K_Z＝a_Z ^-t，K_S＝a_S ^-t，a_Z和a_S均为常数；补偿后的气体浓度值标记为C_S：C_S＝K_S·C₀+K_Z；

步骤4，针对改进型催化燃烧气体传感器所处的周围环境进行温度数据采集，并根据该改进型催化燃烧气体传感器的校正曲线计算温度校准系数；

其中，该改进型催化燃烧气体传感器的校正曲线为K_S＝A_S·S²+B_S·S+C_S；A_S、B_S和C_S分别对应地表示环境变量的校准系数K_S随环境参数S变化的二次项系数、一次项系数和常数项系数；

对应地，改进型催化燃烧气体传感器的温度校准系数标记为K_T，K_T＝A_T·T²+B_T·T+C_T；A_T、B_T和C_T分别对应地表示温度校准系数随温度变化的二次项系数、一次项系数和常数项系数；

步骤5，针对改进型催化燃烧气体传感器所处的周围环境进行湿度数据采集，并根据该改进型催化燃烧气体传感器的校正曲线计算湿度校准系数；

其中，该改进型催化燃烧气体传感器的湿度校准系数标记为K_H：K_H＝A_H·H²+B_H·H+C_H；A_H、B_H和C_H分别对应地表示湿度校准系数随湿度变化的二次项系数、一次项系数和常数项系数；

步骤6，根据所得补偿后的气体浓度值、温度校准系数和湿度校准系数，得到待检测气体经补偿处理后的实际浓度值；其中，实际浓度值标记为C，C＝C_S·K_T·K_H。

通过采用该改进型催化燃烧气体传感器来获取初步的待检测气体浓度值，并且分别通过计算该气体传感器的零点漂移系数和灵敏度漂移系数，再通过结合所得补偿后气体浓度值、针对该气体传感器的温度校准系数以及湿度校准系数，准确地得到待检测气体经补偿处理后的实际浓度值，从而消除周围环境中温度和湿度因素对该催化燃烧气体传感器所检测结果的不利影响。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.改进型催化燃烧气体传感器，包括第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)和黑元件(R₃)，第一电阻(R₁)的首端连接供电电压(V₁)，第一电阻(R₁)的末端连接第二电阻(R₂)的首端，第二电阻(R₂)的末端连接黑元件(R₃)的一端且第二电阻(R₂)的末端接地，其特征在于，还包括采样元件(R₄)，所述采样元件(R₄)的首端连接所述供电电压(V₁)，采样元件(R₄)的末端连接黑元件(R₃)的另一端；所述采样元件(R₄)的阻值为所述黑元件(R₃)热电阻阻值的倍；其中，所述N>1。

2.根据权利要求1所述的改进型催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述黑元件(R₃)与的工作电压在该催化燃烧气体传感器处于正常工作状态下保持不变。

3.根据权利要求1所述的改进型催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述采样元件(R₄)为采用非铂金材料制成的电阻。

4.改进型催化燃烧气体传感器的气体检测方法，利用权利要求1～3任一项所述的改进型催化燃烧气体传感器，其特征在于，包括如下步骤1至步骤6：

步骤1，获取所述改进型催化燃烧气体传感器的输出电压值并对获取的所述输出电压值做放大处理，得到放大处理后的输出电压值；其中，获取的所述改进型催化燃烧气体传感器的输出电压值标记为v_cc，所述放大处理后的输出电压值标记为V_cc；

步骤2，根据放大处理后的输出电压值，计算得到待检测气体的原始浓度值；其中，所述待检测气体的原始浓度值标记为C₀；C₀＝k₀·V_cc，k₀为针对所述改进型催化燃烧气体传感器的常量；

步骤3，根据所述改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移特性曲线和灵敏度特征曲线，计算得到所述改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移系数以及灵敏度漂移系数，并得到补偿后的气体浓度值；其中，所述改进型催化燃烧气体传感器的零点漂移系数标记为K_Z，所述改进型催化燃烧气体传感器的灵敏度漂移系数标记为K_S，K_Z和K_S都是以时间t为变量的指数函数，所述补偿后的气体浓度值标记为C_S：C_S＝K_S·C₀+K_Z；

步骤4，针对所述改进型催化燃烧气体传感器所处的周围环境进行温度数据采集，并根据该改进型催化燃烧气体传感器的校正曲线计算温度校准系数；其中，所述温度校准系数标记为K_T，K_T＝A_T·T²+B_T·T+C_T；A_T、B_T和C_T分别对应地表示温度校准系数随温度变化的二次项系数、一次项系数和常数项系数；

步骤5，针对所述改进型催化燃烧气体传感器所处的周围环境进行湿度数据采集，并根据该改进型催化燃烧气体传感器的校正曲线计算湿度校准系数；其中，所述湿度校准系数标记为K_H：K_H＝A_H·H²+B_H·H+C_H；A_H、B_H和C_H分别对应地表示湿度校准系数随湿度变化的二次项系数、一次项系数和常数项系数；

步骤6，根据所得补偿后的气体浓度值、温度校准系数和湿度校准系数，得到所述待检测气体经补偿处理后的实际浓度值；其中，所述实际浓度值标记为C，C＝C_S·K_T·K_H。