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影響氣體傳感器的讀數因素四:環境濕度
發布時間:2021-03-11 17:23 by sangbay2021瀏覽次數:1394

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前期給大家介紹了影響氣體傳感器讀數的因素:氣體濃度、平衡氣(背景氣)和環境溫度,今天為大家介紹第四個因素——環境濕度,詳情如下:

環境濕度:大多數氣體傳感器對環境濕度是敏感的。濕度歸根結締就是氣態水,水如果參與了化學變化或物理過程,那么傳感器就有讀數了;如果水在整個化學變化或物理過程中所起的作用很小,那么它所帶來的影響就比較小了。不受濕度影響的氣體傳感器是不存在的。

一、不同傳感器的使用濕度范圍是怎樣的?

催化燃燒傳感器(LEL):
LEL的使用濕度范圍很寬,從0-100%RH都可以使用。在濕度高的情況下,電壓輸出會有些變化,一般不超過3%LEL。

電化學傳感器(EC):

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電化學傳感器濕度范圍也比較寬,一般能夠長期使用的范圍是15%RH-85%RH。對EC傳感器比較有利的濕度是20℃時候的60%RH,此時的傳感器內部電極表面如上圖,黑色的催化劑一半在電解液里,一半在電解液外,可以和氣體接觸。

非色散紅外傳感器(NDIR):
NDIR傳感器的濕度范圍在0%RH-90%RH。NDIR傳感器喜歡干,不喜歡濕,特別不能接觸冷凝水。

光離子化傳感器(PID):
PID傳感器的濕度范圍在0%RH-90%RH。PID不怕干,但怕濕,這是絕大多數物理傳感器的共性。和NDIR不同的是,在濕度高的時候,PID的讀數會偏小,而不是偏大。

金屬氧化物半導體傳感器(MOS):
MOS傳感器的濕度性能可以說是相當糟糕的,在0%RH-90%RH范圍之內,可能會有10%以上的偏移。


二、環境濕度是如何影響氣體濃度測量結果的?

催化燃燒傳感器(LEL):
濕度高的空氣會改變催化珠表面的溫度,從而導致傳感器輸出的電壓會有少量的改變,改變量一般不到1mV。

電化學傳感器(EC):

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如上圖,當濕度小于15%RH的時候,如果長期使用,傳感器內電解液逐漸失水,催化劑慢慢變干,氣體催化的效率和離子轉移的效率會變低。所表現出來的現象就是:靈敏度變低,響應時間變長,回零時間變長,整個測量過程變得不可控。這時,傳感器就失效了,需要更換。

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如上圖,當濕度大于85%RH的時候,如果長期使用,傳感器內部電解液會逐漸吸水,催化劑慢慢被電解液漫過,催化劑很難接觸到氣體,氣體催化的效率會變低。所表現出來的現象就是:靈敏度變低,響應時間變長,嚴重的,電解液吸水過多會漫出傳感器。這時,傳感器就失效了,需要更換。

非色散紅外傳感器(NDIR):

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NDIR傳感器可以長期在0%RH環境里工作,但不能長期在85%RH濕度以上工作。其主要原因是NDIR傳感器內部都是電子元件,如果濕度高,電子元器件容易短路而損壞。
另外一方面,氣態水的紅外吸收峰很寬,很多氣體如果用紅外傳感器測量,很容易受到干擾,而使讀數偏高。上圖中的甲烷氣體的測量就容易受到干擾,而CO2測量就不容易受到干擾。因此,NDIR原理的CO2傳感器的濕度性能比CH4傳感器好很多。

光離子化傳感器(PID):

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PID的濕度漂移是因為水蒸氣吸收了一部分紫外光子,使得被電離的被測分子變少了,因此流過電路的電子就變少了,繼而測得的電流也就少了,所得到的讀數就變小了。濕度的問題是PID原理本身無法克服的,如果要很好的濕度性能,還需要做濕度補償。

金屬氧化物半導體傳感器(MOS):
MOS傳感器的濕漂,其根本原因是催化劑的性能和硅片上的PN結的電阻會隨著濕度變化而變化。這也是MOS傳感器一直用在民用領域,而不能進入工業領域的原因之一。


三、如何消除環境溫度帶來的影響?

催化燃燒傳感器(LEL):
一般不需要濕度補償,濕度對讀數的影響一般在3%LEL之內。

非色散紅外傳感器(NDIR):
如果是測CH4,讀數正偏差可能在3%LEL-5%LEL之間,有濕度補償較好,沒有也可以通過消防認證。如果測CO2或其它毒氣,就不需要濕度補償了。
如果所測量的氣體濃度非常低,例如PPM級別,那么就不是僅僅需要濕度補償的問題了,而是需要降濕度。

光離子化傳感器(PID):
如果所測氣體濃度是PPM級濃度的,不用濕度補償問題不大,濕度所造成的偏差遠遠小于PID本身的長期穩定性所帶來的偏差。
如果所測氣體濃度是PPB級濃度的,還是用濕度補償。

金屬氧化物半導體傳感器(MOS):
需要做濕度補償,但從實際應用上,沒有人會為MOS傳感器的讀數做濕度補償,因為濕度傳感器的價格比MOS傳感器本身貴。如果濕度性能不合適,用戶一般會用其它技術類型的氣體傳感器替代MOS傳感器。


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