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影響氣體傳感器的讀數因素三:環境溫度
發布時間:2021-03-11 17:27 by sangbay2021瀏覽次數:1350

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?前期給大家介紹了影響氣體傳感器讀數的因素:氣體濃度和平衡氣(背景氣),今天為大家介紹第三個因素——環境溫度,詳情如下:

環境溫度:? 絕大多數氣體傳感器對環境溫度是敏感的。其原因是無論化學反應、電子元器件,還是無機和有機材料,性能參數都會隨溫度而變化。造成傳感器輸出的電流和電壓的變化。

一、不同傳感器的使用溫度范圍是怎樣的?

催化燃燒傳感器(LEL):

LEL的使用溫度范圍很寬,從-40℃到70℃都可以使用。中國的消防所要求的溫度范圍就是從-40℃到70℃。

電化學傳感器(EC):
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電化學傳感器溫度范圍稍微窄一點,一般是-20℃到55℃。型號比較新的EC傳感器可以做到在-40℃工作。但是,EC傳感器無法長時間在高溫環境工作,主要是因為EC傳感器內部有酸性或堿性的液體,在高溫的環境中水分會蒸發或迅速增加,從而造成電解液損失或漏液。現象就是響應時間T90變長,回零時間變長,靈敏度變低,甚至無響應。對EC傳感器來說,惡劣的情況是高溫低濕(HTLH)和高溫高濕(HTHH)。

非色散紅外傳感器(NDIR):

NDIR傳感器的溫度范圍很寬,可以達到軍工級-55℃到100℃以上。在外太空探測氣體就靠它。

光離子化傳感器(PID):

PID傳感器的溫度范圍比較窄,做不到像NDIR一樣。一般能夠接受的就是-25℃到55℃。

金屬氧化物半導體傳感器(MOS):

MOS傳感器的溫度范圍可以很寬,但是溫漂相當嚴重。它的靈敏度的數量級和溫度系數的數量級之間是可以比擬的,因此MOS并不適合用在高溫和低溫環境,只使用于普通的室溫環境中。

二、環境溫度是如何影響氣體濃度測量結果的?

催化燃燒傳感器(LEL):

先回顧一下LEL傳感器的原理:催化珠是鉑金絲纏繞而成的,鉑金絲的電阻是隨溫度變化而變化的,溫度越高,電阻越大。當鉑金絲的溫度在四百多度的時候,催化珠表面的催化劑活性開始顯著。這時,當催化劑接觸甲烷的時候,甲烷開始燃燒,將熱量傳導給鉑金絲,鉑金絲電阻變大。

了解了原理,此問題就好解答了:當環境溫度升高或降低的時候,催化珠中鉑金絲的溫度也會有變化。雖然催化珠是配對使用,消除掉了一些溫度變化帶來的影響,那也僅僅對于傳感器零點有效,靈敏度還是會隨溫度變化而變化的。

電化學傳感器(EC):

EC傳感器內部是發生的氧化還原反應。凡是化學反應,反應速度都會隨溫度變化而變化。普遍的規律是,溫度越低,傳感器靈敏度越低,溫度越高,傳感器靈敏度越高。

在所有的電化學傳感器中,原電池型的
氧氣傳感器(氧電池)的溫漂是較小的。從+20℃降溫到-20℃,其靈敏度僅下降約10%。氫氣傳感器的溫漂是較大的,從+20℃降溫到-20℃,其靈敏度下降約80%。

非色散紅外傳感器(NDIR):

NDIR傳感器信號隨環境溫度變化的因素比較多,包括:光源的光譜、探測器、濾光片溫度系數、運放溫度系數、電阻和電容溫度系數等諸多因素。當這些因素綜合作用的時候,使得NDIR的溫度補償變得非常復雜。這也是NDIR傳感器價格高的原因之一。

光離子化傳感器(PID):

PID的溫度漂移主要由電子元器件的溫度漂移帶來。氣體物質的電離能幾乎不受溫度變化的影響。這些電子元器件包括運放、電阻、電容、變壓器線圈。
需要注意的是,當溫度低到一定程度,紫外燈(UVLamp)就會點不亮。更致命的是,紫外燈的兩個部件——燈管和透光片會因為熱膨脹系數不同而發生裂縫。這樣紫外燈就因為漏氣而報廢了。

金屬氧化物半導體傳感器(MOS):

MOS傳感器的溫漂是相當大的,這也是MOS傳感器不適合工業,而只適用于民用環境的主要原因之一。您可能會說,溫漂大,做溫度補償不就可以了嗎?做過工程師的朋友們都會清楚,讓一只溫漂超過±30%的傳感器在高低溫下做到±3%的精度,幾乎是一件不可能的事情。
在民用環境,溫度變化不大,如10℃-40℃,而且要求精度不高,僅僅要求報警的情況下,MOS的確是不錯的低成本選擇。

三、如何消除環境溫度帶來的影響?

催化燃燒傳感器(LEL):

一般不需要溫度補償。LEL傳感器在研發的過程中,就已經考慮到了溫漂。從-20℃到50℃,零點和量程點有1%-3%LEL的溫漂,用戶也是可以接受的。

電化學傳感器(EC):

需要做溫度補償,一般用一元二次方程或一元三次方程就能解決。自變量是溫度,單位是℃,因變量是歸一化后的溫度系數,單位是%。

非色散紅外傳感器(NDIR):

NDIR消除溫度的影響辦法有幾種,成本都比較高。一種是公式法,二種是查表法,三種是恒溫法。

光離子化傳感器(PID):

需要做溫度補償,和EC傳感器類似,一般采用一元二次方程和一元三次方程就能解決。

金屬氧化物半導體傳感器(MOS):

需要做溫度補償,但需要注意的是,即使經過溫度補償,精度也不會很高。因為MOS傳感器的一致性不好,用統一的溫度補償公式恐怕難以達到精度要求。比較好的辦法是逐個MOS傳感器進行補償,用一元二次方程,或用查表法。當然,這兩種方法成本也是比較高的。

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