CN110715960A - 一种催化燃烧传感器及其动态平衡测量方法 - Google Patents

一种催化燃烧传感器及其动态平衡测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种催化燃烧传感器及其动态平衡测量方法，涉及催化燃烧传感器技术领域。本发明的传感器包括防爆不锈钢外壳，防爆不锈钢外壳内安装有催化燃烧补偿元件和催化燃烧检测元件，电路板上设置有惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出端连接有放大器经信号放大后连接MCU并由设置于MCU内的ADCInput进行ADC转换后进行数据采集；由MCU控制一个可控开关连接至固定输入电压端，MCU周期性和延时性控制电路上电时间。本发明可以间断工作，不需要连续供电，有效降低传感器功耗，延长传感器使用寿命，燃烧器测量结果精准。

Description

一种催化燃烧传感器及其动态平衡测量方法
技术领域
本发明属于催化燃烧传感器技术领域，特别是涉及一种催化燃烧传感器以及一种催化燃烧传感器的动态平衡测量方法。
背景技术
催化燃烧式传感器是最早应用的气体传感器之一，其基本工作原理是：可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度升高，内部电阻值也相应变大，电阻值变化与可燃气体浓度成正比。通过测量电阻值变化量，或者阻值变化引起的电流电压的变化量，可以计算可燃性气体的浓度。催化燃烧式传感器主要用于可燃性气体的检测，具有输出信号线性好，性能稳定，价格便宜，不受非可燃性气体影响。催化燃烧式传感器为了维持燃烧所需要的高温，需要消耗较大的功耗，通常为200mW以上，增加了整机功耗。特别对于便携式仪器使用时间，造成很大的限制。
目前有一些低功耗的替代方案，例如非色散红外、半导体式及MEMS原理的可燃气传感器。但是其各自存在局限性，例如非色散红外传感器仅对特定红外吸收波长的可燃气有响应；半导体气体传感器极易受环境温湿度影响；MEMS原理传感元件的催化剂量有限，使用寿命及抗中毒性能低下。所以催化燃烧式传感器仍然是使用最广泛的可燃气传感器。因此针对以上问题，提供一种一种催化燃烧传感器及其动态平衡测量方法具有重要意义。
发明内容
本发明的一种催化燃烧传感器及其动态平衡测量方法，可以间断工作，不需要连续供电，有效降低传感器功耗，延长传感器使用寿命，燃烧器测量结果精准。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种催化燃烧传感器，包括防爆不锈钢外壳，所述防爆不锈钢外壳内安装有催化燃烧补偿元件和催化燃烧检测元件，所述防爆不锈钢外壳的外顶面设置有表面均布开设有孔隙的金属烧结片，所述防爆不锈钢外壳的底部安装有若干信号脚；
所述防爆不锈钢外壳内底面安装有电路板，所述电路板上设置有惠斯通电桥，所述催化燃烧补偿元件和催化燃烧检测元件安装于惠斯通电桥的右侧，所述惠斯通电桥的左侧安装有第一定值固定电阻和第二定值固定电阻，所述惠斯通电桥的输出端连接有放大器经信号放大后连接MCU并由设置于MCU内的ADCInput进行ADC转换后进行数据采集；由所述MCU控制一个可控开关连接至固定输入电压端，所述MCU周期性和延时性控制电路上电时间。
进一步地，所述固定输入电压端采用输入电压为2-5V的定值电压电源。
进一步地，所述可控开关采用包括三极管、场效应管、继电器中的任意一种。
一种催化燃烧传感器的动态平衡测量方法，包括如下步骤：
S01、打开可控开关，通过固定输入电压端对催化燃烧传感器上电；
S02、每次上电等待预热时间t1进行延时；
S03、在t1时刻记录并输出此时电压信号V1M作为初值；
S04、随着信号增大，上升速率逐渐变慢，等到输出信号速率上升速率减小至一个接近零的阈值；
S05、记录上述步骤中于输出信号速率上升速率减小至一个接近零的阈值时刻的电压信号V1P和此时时间差值时间Δt1以及此时时间值(t1+Δt1)；
S06、MCU控制控制开关关闭；
S07、MCU计算信号变化速率ΔV/Δt，即Δt1时间内的变化速率为ΔV1/Δt1，即(V1P-V1M)/Δt1；
S08、由MCU计算t1+Δt1时刻的气体浓度Reading＝F*(ΔV1/Δt1),其中F为一个传感器校准所得系数，与传感器自身特性相关；
S09、等待下一个检测周期T，于t2时刻返回至S01步骤重复运行，计算另一t2+Δt2时刻的气体浓度Reading＝F*(ΔV2/Δt2)。
进一步地，所述t1的数值范围为0-1000ms。
进一步地，所述检测周期T的数值范围为5000-8000ms。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过检测传感器信号的变化速率，来计算气体的浓度，采用的新型的动态平衡方法来测量可燃气体浓度，周期性地对检测元件供电，通过惠斯通电桥平衡电路来输出信号，不同于通常的检测电桥的输出电平，根据其与零点时的输出电位差，计算被测可燃气体浓度，催化燃烧传感器采集催化燃烧元件上电后变化速率，来确定被测可燃气体浓度，检测的是动态的变化量，而非稳态电平信号，本发明的燃烧传感器可以间断工作，不需要连续供电，有效降低传感器功耗，延长传感器使用寿命，并得到准确的测量结果。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种催化燃烧传感器的结构示意图；
图2为本发明的一种催化燃烧传感器的电路结构示意图；
图3为本发明一种催化燃烧传感器的动态平衡测量方法的步骤图；
图4为本发明的传感器在工作时电压和时间数据显示的波形图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-催化燃烧补偿元，2-催化燃烧检测元件，3-信号脚，4-防爆不锈钢外壳，5-金属烧结片，6-惠斯通电桥，7-可控开关，8-第二定值固定电阻，9-第一定值固定电阻，10-固定输入电压端，11-放大器，12-MCU。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外顶面”、“表面”、“均布”、“底部”、“内底面”、“右侧”、“左侧”、“上表面”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
请参阅图1-2所示，本发明的一种催化燃烧传感器，包括防爆不锈钢外壳4，防爆不锈钢外壳4内安装有催化燃烧补偿元件1和催化燃烧检测元件2，防爆不锈钢外壳4的外顶面设置有表面均布开设有孔隙的金属烧结片5，防爆不锈钢外壳4的底部安装有三个信号脚3，气体透过顶部的金属烧结片5的孔隙进入传感器内，在检测元件上发生反应，在信号脚3的信号脚输出；
防爆不锈钢外壳4内底面安装有电路板，电路板上设置有惠斯通电桥6，催化燃烧补偿元件1和催化燃烧检测元件2安装于惠斯通电桥6的右侧，惠斯通电桥6的左侧安装有第一定值固定电阻9和第二定值固定电阻8，惠斯通电桥6的输出端连接有放大器11经信号放大后连接MCU12并由设置于MCU12内的ADCInput进行ADC转换后进行数据采集；由MCU12控制一个可控开关7连接至固定输入电压端10，MCU12周期性和延时性控制电路上电时间。
其中，固定输入电压端10采用输入电压为2V的定值电压电源。
其中，可控开关7采用三极管。
如图3-4所示，一种催化燃烧传感器的动态平衡测量方法，包括如下步骤：
S01、打开可控开关7，通过固定输入电压端10对催化燃烧传感器上电；
S02、每次上电等待预热时间t1进行延时；
S03、在t1时刻记录并输出此时电压信号V1M作为初值；
S04、随着信号增大，上升速率逐渐变慢，等到输出信号速率上升速率减小至一个接近零的阈值；
S05、记录上述步骤中于输出信号速率上升速率减小至一个接近零的阈值时刻的电压信号V1P和此时时间差值时间Δt1以及此时时间值(t1+Δt1)；
S06、MCU12控制控制开关7关闭；
S07、MCU计算信号变化速率ΔV/Δt，即Δt1时间内的变化速率为ΔV1/Δt1，即(V1P-V1M)/Δt1；
S08、由MCU计算t1+Δt1时刻的气体浓度Reading＝F*(ΔV1/Δt1),其中F为一个传感器校准所得系数，与传感器自身特性相关；
S09、等待下一个检测周期T，于t2时刻返回至S01步骤重复运行，计算另一t2+Δt2时刻的气体浓度Reading＝F*(ΔV2/Δt2)。
其中，t1的数值采用600ms。
其中，检测周期T的数值采用6000ms。
实施例2：
其主要结构与实施例1一致；
其中，固定输入电压端10采用输入电压为5V的定值电压电源。
其中，可控开关7采用继电器。
如图3-4所示，一种催化燃烧传感器的动态平衡测量方法，其步骤与实施例1一致。
其中，t1的数值采用800ms。
其中，检测周期T的数值采用8000ms。
本发明的优点：本发明通过检测传感器信号的变化速率，来计算气体的浓度，采用的新型的动态平衡方法来测量可燃气体浓度，周期性地对检测元件供电，通过惠斯通电桥平衡电路来输出信号，不同于通常的检测电桥的输出电平，根据其与零点时的输出电位差，计算被测可燃气体浓度，催化燃烧传感器采集催化燃烧元件上电后变化速率，来确定被测可燃气体浓度，检测的是动态的变化量，而非稳态电平信号，本发明的燃烧传感器可以间断工作，不需要连续供电，有效降低传感器功耗，延长传感器使用寿命，并得到准确的测量结果。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种催化燃烧传感器，包括防爆不锈钢外壳(4)，其特征在于：
所述防爆不锈钢外壳(4)内安装有催化燃烧补偿元件(1)和催化燃烧检测元件(2)，所述防爆不锈钢外壳(4)的外顶面设置有表面均布开设有孔隙的金属烧结片(5)，所述防爆不锈钢外壳(4)的底部安装有若干信号脚(3)；
所述防爆不锈钢外壳(4)内底面安装有电路板，所述电路板上设置有惠斯通电桥(6)，所述催化燃烧补偿元件(1)和催化燃烧检测元件(2)安装于惠斯通电桥(6)的右侧，所述惠斯通电桥(6)的左侧安装有第一定值固定电阻(9)和第二定值固定电阻(8)，所述惠斯通电桥(6)的输出端连接有放大器(11)经信号放大后连接MCU(12)并由设置于MCU(12)内的ADCInput进行ADC转换后进行数据采集；由所述MCU(12)控制一个可控开关(7)连接至固定输入电压端(10)，所述MCU(12)周期性和延时性控制电路上电时间。
2.根据权利要求1所述的一种催化燃烧传感器，其特征在于，所述固定输入电压端(10)采用输入电压为2-5V的定值电压电源。
3.根据权利要求1所述的一种催化燃烧传感器，其特征在于，所述可控开关(7)采用包括三极管、场效应管、继电器中的任意一种。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种催化燃烧传感器的动态平衡测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01、打开可控开关(7)，通过固定输入电压端(10)对催化燃烧传感器上电；
S02、每次上电等待预热时间t1进行延时；
S03、在t1时刻记录并输出此时电压信号V1M作为初值；
S04、随着信号增大，上升速率逐渐变慢，等到输出信号速率上升速率减小至一个接近零的阈值；
S05、记录上述步骤中于输出信号速率上升速率减小至一个接近零的阈值时刻的电压信号V1P和此时时间差值时间Δt1以及此时时间值(t1+Δt1)；
S06、MCU(12)控制控制开关(7)关闭；
S07、MCU计算信号变化速率ΔV/Δt，即Δt1时间内的变化速率为ΔV1/Δt1，即(V1P-V1M)/Δt1；
S08、由MCU计算t1+Δt1时刻的气体浓度Reading＝F*(ΔV1/Δt1),其中F为一个传感器校准所得系数，与传感器自身特性相关；
S09、等待下一个检测周期T，于t2时刻返回至S01步骤重复运行，计算另一t2+Δt2时刻的气体浓度Reading＝F*(ΔV2/Δt2)。
5.根据权利要求4所述的一种催化燃烧传感器的动态平衡测量方法，其特征在于，所述t1的数值范围为0-1000ms。
6.根据权利要求4所述的一种催化燃烧传感器的动态平衡测量方法，其特征在于，所述检测周期T的数值范围为5000-8000ms。
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