采用脉冲供电的催化传感器的工作性能研究*

丁恩杰, 李 欣， 陈春旭， 谭晓哲， 刘学瑞

(1.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008;2.矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室，江苏 徐州 221008)

采用脉冲供电的催化传感器的工作性能研究*

丁恩杰1,2, 李 欣1,2， 陈春旭1，2， 谭晓哲1，2， 刘学瑞1,2

(1.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008;2.矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室，江苏 徐州 221008)

针对煤矿瓦斯监测系统中催化传感器功耗高的问题，提出了采用脉冲供电方式对传统供电方式进行改进的方法。分析了载体催化元件的工作特性和脉冲供电原理；通过实验研究了不同CH4浓度的标准气样下，供电脉冲频率、脉宽(即占空比)与传感器灵敏度之间的关系。实验结果表明：和普通催化传感器相比，采用脉冲供电的将会很大程度上降低催化传感器的功耗，延长便携式设备的生命周期；同时,分析得到采用脉冲供电的可行性和最佳频率。

瓦斯催化传感器； 低功耗； 脉冲供电； 脉冲频率； 脉宽； 传感器灵敏度

0 引 言

煤矿井下瓦斯集聚给煤炭的安全生产带来隐患，及时准确地对矿井瓦斯进行检测可为煤矿瓦斯灾害防治提供技术基础[1]。便携式瓦斯检测仪是目前常用的一种检测瓦斯的仪器，具有结构简单、方便携带等优点[2],但便携式装备的能耗问题历来是人们关注的焦点,在节点的总能耗中，催化传感器的功耗占有较大比例，约为250～320 mW。

为了降低催化传感器的功耗，本文引入脉冲供电对传统的供电方式进行改进，分析得到供电脉冲频率、脉宽(即占空比)与传感器灵敏度之间的关系，实验结果显示：采用脉冲供电可显著降低催化传感器的能耗。

1 载体催化传感器的功耗机理

载体催化元件检测瓦斯浓度是利用瓦斯与氧气在元件表面发生氧化反应释放的热效应。整个变化过程的中心变量是元件的温度增量 ，元件的工作特性是由工作过程中的热力学关系决定的。因此，应从热力学基本原理出发得出元件的工作特性方程[3]。

1.1 载体催化传感器

催化传感器主要由铂丝线圈、催化剂和载体组成。

铂丝线圈的作用是通过工作电流使传感器的工作温度加热至一定温度，达到瓦斯氧化的起始温度，铂丝对温度比较敏感，当瓦斯氧化反应释放的热使温度升高时，同时其阻值也增大，以此检测瓦斯的浓度[4]。载体的作用是：承载催化剂，使之形成高度分散的表面，提高催化剂的效用；消除铂丝升华来保护铂丝线圈，保证铂丝线圈的机械稳定性和热稳定性[5]。

1.2 载体催化传感器的静态方程

催化传感器[6]组成的检测电桥如图1所示。

图1 甲烷测量桥式电路Fig 1 Bridge circut for CH4 measurement

白元件损耗的热量有四部分：一是周围空气与元件接触，由热传导带走的热量 ；二是由元件向周围空间辐射的热量 ；三是由铂丝本身热传导作用带走的热量 ；四是由铂丝接触的空气的热传导作用带走的热量，由于铂丝的热传导作用，离开元件表面以后铂丝的温度迅速降低，第四部分热消耗很小，可以忽略不计。

铂丝一端与元件接触，另一端用锡焊在铜丝引线上，引线的直径为1.0 mm，比铂丝直径大得多，因而,引线的热容量比铂丝大得多，工作时引线的温度与环境的温度相同。

热平衡时应有Q1=Q2+Q3+Q4，即

(1)

(2)

黑白元件通过的电流相同，但黑元件由于有瓦斯反应热Q，温度比白元件高，电阻也有一个相应增量，设黑元件温度为T1，对黑元件应有

(3)

设铂丝的电阻温度系数为at，黑元件作为绝对黑体处理，绝对黑体的辐射系数A为1。设由于瓦斯反应热Q引起的温度升高为ΔT，则ΔR=RatΔT。

式(2)、式(3)就是白元件与黑元件的静态方程，它表达了热平衡条件下元件温度、反应热与工作电流之间的关系。

1.3 载体催化元件的动态方程

在一定的工作电流条件下，当瓦斯浓度变化时，元件的输出也跟着变化，此时元件的工作特性应当用动态方程来描述。

图2是黑元件的输出曲线。在A点有一个确定的瓦斯浓度C，元件的温度为T，阻值为R，单位时间内瓦斯在黑元件表面的反应热为Q，考虑A点附近的一个扰动，瓦斯浓度增量为ΔC，元件温度为T+ΔT，电阻为R+ΔR，单位时间内的反应热为Q+ΔQ。设元件的热容为E。

图2 输出曲线Fig 2 Output curve

应有

I2(R+ΔR)+(Q+ΔQ)=aS[(T+ΔT)-T0]+

(4)

I2(R+ΔR)+(Q+ΔQ)=aS[(T+ΔT)-T0]+

(5)

令ΔT=0，得到平衡状态方程

(6)

式(5)减去式(6)得

(7)

已知ΔR=RatΔT,ΔQ=μΔC,其中，μ为与元件相关的一个常数；ΔC为瓦斯浓度增量,带入式(7)并整理得

(8)

式(8)就是元件的动态方程，其中,τ为元件的时间常数，Kc为放大倍数。解该一阶方程得

(9)

式中M为积分常数，由初始条件求得。初始条件为：t=0,ΔT=0，则可得出M的值，于是

(10)

式(10)给出了瓦斯的浓度变化条件下，任意时刻工作元件的温度增量，由T+ΔT可计算出此时元件的温度。

2 脉冲供电原理

脉冲供电的示意如图3所示，即将传统的直流电压供电改用脉冲电压供电，通过提供脉冲电流对元件进行加热。

图3 脉冲供电示意图Fig 3 Diagram of pulse power supply

脉冲电流的有效值为

(11)

式中T为脉冲电流的周期，T1为脉冲高电平的持续时间。将式(11)代入式(3)中可得黑元件在脉冲电流下的静态方程

(12)

3 实验与结果

3.1 脉冲频率、宽度及灵敏度关系[7]

本节研究的是，在不同甲烷浓度的标准气样下，脉冲频率、宽度(即占空比)与灵敏度的关系，依据图3的脉冲供电原理，催化传感器选用MCJ4/2.8J。标准气样分别为1.02 %,1.97 %,3.48 %和4 %。脉冲频率包含5种，分别为：500 Hz,1,2,3 kHz和4 kHz。占空比分别从20 %～85 %不等。图4为1.02 %标准气样下不同脉冲频率在不同占空比下的灵敏度。图5为1.97 %标准气样下两种脉冲频率在不同占空比下的灵敏度。图6为3.48 %标准气样下不同脉冲频率在不同占空比下的灵敏度。图7中4 %标准气样下不同脉冲频率在不同占空比下的灵敏度。(注：如不加特殊说明，灵敏度在本文中均指图3中检测电桥的输出值，与正常定义1 %标准气样下检测桥路的输出有所区别。)

图4 1.02 %标准气样测灵敏度Fig 4 Sensitivity test in 1.02 % standard gas sample

图5 1.97 %标准气样测灵敏度Fig 5 Sensitivity test in 1.97 % standard gas sample

图6 3.48 %标准气样测灵敏度Fig 6 Sensitivity test in 3.48 % standard gas sample

图7 4 %标准气样测灵敏度Fig 7 Sensitivity test in 4 % standard gas sample

由于脉冲电路设计上的缺陷，当脉冲频率为3 kHz时，占空比大于80 %;当脉冲频率4 kHz时占空比大于70 %时，脉冲输出加在桥式电路中，电压波形呈现一定的畸变，因此，实验中未测此部分波形，但此不影响相关结论的分析。

通过图5～图7的比较可发现：

1)当测试的标准气样大于1.97 %时，占空比低于70 %的不同频率脉冲曲线中，1 kHz脉冲供电情况下的灵敏度最大；脉冲频率为4 kHz的曲线其灵敏度最小。

2)当脉冲的占空比大于75 %时，2 kHz，500 Hz与1 kHz脉冲下的灵敏度的变化趋势相近；相反，3 kHz与4 kHz与它们的变化趋势背离。

3)在不同标准气样中，当占空比大于50%时，各种脉冲频率下的灵敏度，随着占空比的增大其灵敏度也随之增大，在低浓度中呈现较好的线性度，浓度增大非线性度明显。以1 kHz脉冲供电为例，当占空比大于50 %时，在低浓度标准气样下，如1.02 %和1.97 %，其灵敏度与占空比具有较好的线性度；但在标准气样浓度较高时，如3.48 %和4 %中，灵敏度与占空比呈一定的非线性。

4)在标准气样为1.02 %时，占空比为70 %时，500 Hz,1 kHz脉冲频率下的灵敏度为15.4,13.4 mV。

3.2 实验结论

1)根据上述的分析，1 kHz的脉冲，在介于50 %～70 %的占空比中和浓度大于1.97 %中具有较高的灵敏度。而在高于75 %的占空比中，500 Hz和2kHz的灵敏度变化趋势与1 kHz的趋势非常相近,因此，脉冲供电的频率存在理论上的最佳频率。

2)常规供电下，催化传感器在低浓度瓦斯气体中具有较好的线性度，而浓度较高时存在一定非线性，需适当补偿。脉冲供电也存在此类问题，依据3.1节中(3)的分析，在不同浓度的标准气样下，根据脉冲供电的占空比推得占空比为100 %的灵敏度，对于非线性的浓度下可进行相应补偿。

4 结束语

本文针对催化传感器高功耗的特点，引入了脉冲供电。分析了催化传感器的工作特性，并介绍了脉冲供电原理，根据原理进行了相关实验，对结果进行分析得出如下结论：1)占空比为70 %的1 kHz,500 Hz脉冲供电时，其灵敏度可符合催化元件的行业标准；2)在对不同频率的脉冲进行供电实验时，发现1 kHz的脉冲在占空比介于50 %～70 %间，且标准气样大于1.97 %情况下，催化传感器具有较高的灵敏度。

[1] 陶云奇，郭启文.煤矿瓦斯灾害防治技术探讨[J].煤矿安全，2010(10)：96-98.

[2] 叶 林,朱正英,张 洪,等.基于蓝牙技术的矿井瓦斯浓度监测系统[J].工矿自动化, 2006(2):18-21.

[3] 王汝琳.矿井环境传感器技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.

[4] 李 鹏.丙酮混合气体的检测与综合分析方法[D].徐州：中国矿业大学，2003.

[5] 童敏明,杨胜强，田 丰.新型瓦斯传感器关键技术研究[J].中国矿业大学学报，2003(4)：400-402.

[6] 董华霞，叶 生.具本安特性的平面型载体催化甲烷传感器的研究[J].云南大学学报,1997(19):143-146.

[7] Dinell G.Pulse power electrostatic technologies for the control of flue gas emissions[J].Journal of Electrostatic,1990(25):23-40.

Study on operating characteristic of catalytic sensor using pulse power supply*

DING En-jie1,2， LI Xin1,2， CHEN Chun-xu1,2, TAN Xiao-zhe1,2, LIU Xue-rui1,2

(1.IOT Perception Mine Research Center,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2.National and Local Joint Engineering Laboratory of Internet Application Technology on Mine,Xuzhou 221008,China)

Aiming at problem of high power consumption of catalytic sensor in coalmine gas monitoring system,a way using pulse power supply methods to improve traditional mode of power supply is proposed;operating characteristic of catalytic elements of carrier and principle of pulse power supply are analyzed;through experiment,different concentrations of CH4gas samples under standard,relationship of pulse frequency,pulse width and sensor sensitivity are studied.Experimental results show that compared with ordinary catalytic sensors,using pulse power supply will largely reduce power consumption and prolong life cycle of portable devices;feasibility and optimal frequency using pulsed power supply are obtained.

gas catalytic sensor; low power consumption; pulse power supply; pulse frequency; pulse width; sensor sensitivity

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0031—03

2014—09—04

国家科技支撑计划资助项目(2012BAH12B01，2012BAH12B02)

TP 212.6

A

1000—9787(2014)12—0031—03

丁恩杰(1962-)，男，山东青岛人，博士，教授，从事信号与信息处理、故障诊断与现场总线的研究。