温度对电化学NH3气传感器影响研究

李世伟，金贵新，陈彬，梁姬君

（河南汉威电子股份有限公司，郑州　450000）

温度对电化学NH3气传感器影响研究

李世伟，金贵新，陈彬，梁姬君

（河南汉威电子股份有限公司，郑州450000）

NH3气浓度的检测在养殖场、冷库等场所应用非常广泛，所使用的传感器通常为电化学原理的NH3气传感器。与其他类型传感器相比，电化学传感器性能比较稳定、寿命较长、耗电很小、分辨率高。但在具体的应用环境中，由于温度的变化，电化学传感器的性能受到很大的影响。基于温度对电化学传感器特性的影响，对电化学NH3气传感器在不同温度条件下特性进行研究，通过大量的实验分析和验证，得出不同温度条件下电化学NH3气传感器的特征数据，对特征数据进行提取和分析，在此基础上通过软件算法对传感器进行温度补偿。实验表明，补偿后的NH3气探测器能够实现对NH3气浓度更准确的检测。

电化学；气体传感器；温度；NH3气

0　引言

危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体或液体（蒸气）检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要意义。NH3气无色具有强烈的刺激臭味，对人体有较大的毒性。NH3气的检测在养殖场、冷库等场所应用非常广泛，能否准确地检测其精度，对于生产安全来说至关重要。电化学传感器具有体积小、耗电小、线性和重复性较好的特点，对于NH3气检测有显著的优势。

1　电化学气体传感器

1.1电化学气体传感器的基本结构

电化学传感器包括下面几部分：可以渗过气体但不能渗过液体的扩散式隔膜、酸性电解液槽、电极、管脚等，有些传感器还包括一个可以滤除干扰组份的滤膜。如图1所示。

图1　电化学气体传感器通用结构

电化学式气体传感器的化学反应系统主要有三个电极组成：工作电极、参比电极和对电极，电极是由对被测气体具有催化作用的材料制成。W极：工作电极，用于氧化反应；C极：对电极，用于还原反应；R极：参比电极，可提供恒电位参考。

1.2电化学气体传感器的基本工作原理

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

1.3电化学气体传感器的特性

（1）稳定性：易受环境温湿度的影响。

（2）线性：气体浓度和输出信号呈线性关系

（3）初始稳定特性：调试前须至少8小时左右的老化时间。

（4）寿命：化学反应中，活泼金属铅参与到氧化反应中被不断消耗和钝化，使传感器具有一定的使用期限，当所有可利用的活泼金属铅完全被氧化或钝化时，传感器将停止工作。通常氧气传感器的预期使用寿命为1-2年，但也可以通过增加阳极铅的含量或限制接触阳极的氧气量来延长传感器的使用寿命。

2　电化学NH3气传感器温度补偿

任何一个因温度引起的信号变化都可能严重影响气体测量的准确性，这就造成在不同温度条件下的检测值的误差，这时，采用温度补偿措施就显得很重要。针对这种情况，进行了大量的实验分析，积累了温度对于电化学气体传感器输出信号影响的数据，从而通过硬件处理与软件算法结合的温度补偿设计，对温度所引起的误差进行补偿。具体算法流程如图2所示。

如图2所示，整个温度补偿算法从一开始读取温度传感器数据之后，就对其进行处理，通过对环境温度的检测，介入温度补偿的算法。在算法使用过程中要有一个不同温度下传感器浓度值变化数据的专家库，这个专家数据库要通过大量科学严谨的实验验证和分析总结建立，只有在准确可靠的专家数据库的保证下才能保证算法执行的准确性和有效性。整个算法是一个不断迭代的过程，在原有的专家数据库的基础上，通过实际使用过程中不断的进行完善，丰富专家数据库，进一步提高算法的补偿精度，从而满足应用中更高的精度要求。

图2　电化学NH3气传感器温度补偿算法流程图

3　实验分析

为了验证电化学NH3气传感器温度补偿算法对于提高检测精度的可行性和有效性，通过实验进行验证分析。取某公司某型号检测合格的测NH3的电化学气体传感器100只，安装在某厂家生产的检测合格的100台量程为0～100ppm测NH3气的气体探测器（工作温度-40℃～70℃）上，分别将其编号为1到100号。

第一步：取厂家生产的原有探测器100台，不进行任何的更改，将其同时放置在浓度50ppm的NH3气高低温试验箱中，调节试验箱的温度至室温20℃，记录每台的数据，再依次升高至40℃、50℃，温度变化速度为1℃/min，降低至0℃、-20℃、-40℃，并分别记录在相应温度下的每一台探测就的浓度数据。应用数学统计的方法，对每个温度下探测器检测到的浓度值进行处理，得出该型号探测器在不同温度下测量50ppm的NH3气时所显示的实际浓度值。

第二步：取厂家生产的原有探测器100台，不进行任何的更改，将其同时放置在浓度80ppm的NH3气高低温试验箱中，调节试验箱的温度至室温20℃，记录每台的数据，再依次升高至40℃、50℃，温度变化速度为1℃/min，降低至0℃、-20℃、-40℃，并分别记录在相应温度下的每一台探测就的浓度数据。应用数学统计的方法，对每个温度下探测器检测到的浓度值进行处理，得出该型号探测器在不同温度下测量80ppm的NH3气时所显示的实际浓度值。

第三步：取厂家生产的原有探测器100台，将其改为带有高精度内置温度传感器且含有温度补偿专家数据库和温度补偿算法的探测器，将其同时放置在浓度50ppm的NH3气高低温试验箱中，调节试验箱的温度至室温20℃，记录每台的数据，再依次升高至40℃、50℃，温度变化速度为1℃/min，降低至0℃、-20℃、-40℃，并分别记录在相应温度下的每一台探测就的浓度数据。应用数学统计的方法，对每个温度下探测器检测到的浓度值进行处理，得出该型号探测器在不同温度下测量50ppm的NH3气时所显示的实际浓度值。

第四步：取厂家生产的原有探测器100台，将其改为带有高精度内置温度传感器且含有温度补偿专家数据库和温度补偿算法的探测器，将其同时放置在浓度80ppm的NH3气高低温试验箱中，调节试验箱的温度至室温20℃，记录每台的数据，再依次升高至40℃、50℃，温度变化速度为1℃/min，降低至0℃、-20℃、-40℃，并分别记录在相应温度下的每一台探测就的浓度数据。应用数学统计的方法，对每个温度下探测器检测到的浓度值进行处理，得出该型号探测器在不同温度下测量80ppm的NH3气时所显示的实际浓度值。

不同条件下的实验结果如图3所示。

由上图的实验结果可以看出，在浓度分别为50ppm和80ppm的NH3气中，没有进行温度补偿的探测器进行低温下检测时，检测到的浓度值与真实值相差很大，所检测到的浓度值失去意义。在进行硬件和软件温度补偿之后的探测器，无论是在低温条件下还是在室温和高温条件下，探测器在不同浓度下所显示的浓度值与实际的浓度值之间的误差均在5%以内，完全满足计量要求。

图3　电化学NH3气传感器不同浓度下有无温度补偿对比

4　结语

由实验结果可知，在使用电化学NH3气传感器进行NH3气检测时，测量精度会受到环境温度的影响，甚至可能无法进行准确的测量，所以，在实际应用时，要结合被测NH3气的环境，进行相对应的温度补偿，从硬件电路和软件算法两方面抑制温度对于检测精度的影响。在未来的工作中，将进一步对电化学传感器的性能以及实际应用中的影响因素进行实验分析和研究，将电化学NH3气传感器的温度补偿算法通过一定的改进使其能够使用于其他的电化学传感器，解决所有电化学传感器在恶劣环境条件下使用时检测精度不准的问题。

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Electrochemistry；Gas Sensor；Temperature；Ammonia Gas

Research on the Influence of Temperature on the Electrochemistry Ammonia Gas Sensor

LI Shi-wei，JIN Gui-xin，CHEN Bin，LIANG Ji-jun
（Henan Hanwei Electronics Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000）

The concentration of NH3 gas detection is very widely in the farms，cold storage and other places，the sensors are usually used by electrochemical principle of NH3 gas sensor.Compared with other types of sensors，electrochemical sensor is stable performance，long life，small power consumption，high resolution.But in the specific application environment，due to the changes of temperature，the performance of the electrochemical sensor is affected by the large.Based on the influence of temperature on electrochemical sensor，studies the characteristics of electrochemical sensors under the condition of different temperatures of NH3 gas，through a lot of experimental analysis and validation，it is concluded that under the condition of different temperature electrochemical characteristics data of NH3 gas sensor，feature data extraction and analysis，on this basis，through the software algorithm for temperature compensation sensor.Experiments show that the compensation of NH3 gas detector can achieve more accurate detection of NH3 gas concentration.

1007-1423（2016）28-0003-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.28.001

李世伟（1989-），男，河南平顶山人，硕士研究生，研究方向为气体检测仪器仪表、传感器应用

金贵新（1972-），男，河南信阳人，本科，研究方向为气体检测仪器仪表、传感器应用

陈彬（1977-），男，河南郑州人，大专，研究方向为气体检测仪器仪表、传感器应用研究

梁姬君（1978-），女，河南郑州人，本科，研究方向为气体检测仪器仪表、传感器应用研究

2016-08-16

2016-09-30