催化燃烧传感器 开讲了｜Part4分解：气体传感器系列之催化燃烧式气体传感器详解

开讲了｜Part4分解：气体传感器系列之催化燃烧式气体传感器详解

>> 气体传感器门类众多，本公众号每日一篇详细介绍多种常见的不同工作原理的气体传感器相关知识。

分解

催化燃烧式气体传感器知识

04

催化燃烧式气体传感器

定义 ：催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，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，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。

通过测量铂丝的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。主要用于可燃性气体的检测，具有输出信号线性好，指数可靠，价格实惠，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染。

原理： 一般由线径15um或20um或30um的高纯度铂线圈并在其外包裹载体催化剂形式球体，在一定的温度条件下，当可燃性气体与上述球体接触时会与其表面的吸附氧发生剧烈的无焰燃烧反应，反应释放的热量导致铂线圈温度变化，温度变化又导致铂线圈电阻发生变化，测量电阻变化就可以测到气体浓度，因此与其说催化元件是气体传感器不如说其是个温度传感器，为克服环境温度变化带来的干扰，催化元件会成对构成一支完整的元件，这一对中一个对气体有反应，另一个对气体无反应，而只对环境温度有反应，这样两支元件相互对冲就可以消除环境温度变化带来的干扰。

从温度传感器去理解催化元件会在开发、应用时引导，我们不仅仅关注传感过程中化学反应本身，也会吸引我们去更多的关注传感过程与温度有关的温度场的分布与变化、温度场与传感器球体的位移关系、热传导与热幅射及传质与热传导等。

实际上，决定催化元件性能的因素中，促使化学反应发生只是众多传感要素中不太重要的要素，和热传递相关的因素才是最核心的。

催化燃烧式传感器原理图

和半导体元件不同，催化元件传感过程较为复杂，前者是气体与传感器接触后发生的化学反应直接导致传感器电阻即电信号的变化，后者则是气体在催化元件上发生的化学反应，首先导致的结果是传感器载体表面及载体内部的温度变化，载体的温度变化经过热传递最终导致铂线圈电阻的变化，完成传感的全过程。

传感过程复杂，导致问题产生的几率就大一些，比如：

1、积碳问题

长分子链的有机物以及不饱和烃，对半导体来说，不完全反应导致的积碳只会对反应过程产生影响，而不会对电子传输产生大的影响。而对催化来讲，碳的存在不仅影响反应过程，更会对热传递产生剧烈影响，结果是反应产生的热量向传感器内部传递效率变低了，热量大都散失掉了，最终是同样的气体浓度，释放同样的热，由于炭的存在，导致传感器:温度只有很小的变化，即灵敏度变得很低。

2、中毒问题

因为需要热传递，为了保证热效率，反应必须在瞬间完成，即要求有极高的反应效率，就需要有大量的纳米级的催化剂以及纳米级的孔，这样的特征有利于传感也有利于中毒。

3、线性问题

催化元件的线性是由两个因素决定：

a、温度传感材料pt线圈的电阻~温度特性是线性的。b、爆炸下限以内反应放热和气体浓度是线性的。

因此，两个因素任一发生变化，就会导致传感器线性变化。实际上，铂线圈会持续升华变细即导阻变大，反应释放的热量与浓度的线性关系只在气体浓度为爆炸下限以内时才成立。

炜盛 MC105B催化燃烧式气体传感器

小结：

催化元件不会被淘汰，催化元件的未来主要取决于工艺技术的进步：

1、结构改进，解决的问题是震动引起的漂移；

2、过滤层改进，解决的问题是中毒；

3、开发新材料改善积碳；

4、制造过程对设计实现的保障如避免形变；

5、MEMS化(需要说明的是，器件结构、封装、制造工艺的改进不仅会改善元件的综合性能，也会引发新的应用。和半导体相比，催化元件MEMS化的困境在于如何在小的表面积下有更高的催化效率、热效率)；

6、应用定位需更精准更专一。

红外传感器与催化燃烧传感器有何不同

在监测可燃气体和易燃蒸气时，传感器起着关键作用，包括催化传感器和红外（IR）传感器等。而环境、响应时间和温度范围只是决定使用哪种技术最佳时要考虑的因素。

那么，催化传感器和红外（IR）传感器之间有什么差异呢？这两种技术为何各有利弊，以及如何知道哪种方法最适合不同的环境呢？

红外传感器

红外传感器技术基于以下原理：特定波长的红外（IR）光将被目标气体吸收。通常传感器内有两个发射器，它们产生红外光束：具有将被目标气体吸收的波长的测量光束和不会被吸收的参考光束。每个光束具有相同的强度，并通过传感器内部的反射镜偏转到光接收器上。在存在目标气体的情况下，参考光束和测量光束之间的强度差将用于测量存在的气体浓度。

在许多情况下，红外（IR）传感器技术比催化燃烧技术具有许多优势，或者在可能损害催化燃烧传感器性能的方面（包括低氧气和惰性环境）中更加可靠。只是红外光束与周围的气体分子相互作用，使传感器具有不面临中毒或抑制威胁的优点。红外技术提供故障安全测试。这意味着，如果红外光束出现故障，则会向用户通知此故障。

红外传感器非常适合于石油和天然气行业，可在易爆的低氧环境中检测甲烷，戊烷或丙烷，而这些环境中的催化燃烧传感器可能会遇到困难。

但是，IR传感器并非是完美的，因为它们只能线性输出目标气体。如果红外传感器对其他易燃气体响应，则目标气体将是非线性的。就像催化燃烧传感器容易中毒一样，IR传感器也容易受到严重的机械和高温冲击，并且也受压力变化的强烈影响。

另外，红外传感器不能用于检测氢气，因此，我们建议在这种情况下使用催化燃烧或半导体传感器。安全的首要目标是选择合适的检测技术，以最大程度地减少工作场所的危害。我们希望通过清楚地识别这两个传感器之间的差异，可以提高人们对各种工业和危险环境如何保持安全性的认识。

红外传感器与催化燃烧传感器两者的比较

催化燃烧传感器

催化燃烧气体传感器是一种用于检测进入爆炸范围内的可燃气体或易燃蒸汽以警告气体浓度水平上升的设备。

该传感器的工作原理是一圈铂金丝，内部装有催化剂，形成一个小的活性珠，可降低气体在其周围点燃的温度。当存在可燃气体时，珠子的温度和电阻相对于惰性参考珠子的电阻会增加。测量电阻差，从而可以测量存在的气体浓度。由于存在催化剂和珠子，所以将催化燃烧传感器也称为催化或催化珠子传感器。

催化传感器最初由英国科学家和发明家艾伦·贝克（Alan Baker）于1960年代创建，而催化燃烧传感器最初是为长期使用的火焰安全灯和卡纳里技术设计的。如今该设备用于工业和地下应用，例如矿山或隧道、炼油厂和石油钻机。

与IR传感器相比，由于技术水平的差异，催化燃烧传感器的成本相对较低，但是可能需要更频繁地更换它们。在线性输出对应于气体浓度的情况下，可以使用校正因子来计算催化对其他易燃气体的近似响应，当存在多种易燃气体时，可以使催化成为不错的选择。

内置催化传感器的固定式检测体探头输出mV电桥信号，非常适合安装于难以到达的区域；可通过控制器面板进行调试和校准。另一方面，由于在工作过程中，催化燃烧工作需要氧气，所以在氧气含量低或很少的环境中，催化燃烧难以应付。出于这个原因，包含催化燃烧式可燃气报警器的密闭空间仪器通常还需包括用于测量氧气的检测器。在化合物包含硅、铅、硫和磷酸盐的环境中，传感器容易中毒（不可逆转的灵敏度降低）或被抑制（可逆的灵敏度降低），这可能会对工作场所的人们造成危害。如果暴露于高浓度气体中，则可能会损坏催化燃烧传感器。在这种情况下，催化燃烧不会“失效保护”，这意味着在检测到气体，仪器故障时不会发出通知。任何故障只能在每次使用之前通过bump测试来确定，以确保性能不会下降。

相关问答

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