丁恩杰, 李 欣， 陳春旭， 譚曉哲， 劉學(xué)瑞

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008;2.礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

采用脈沖供電的催化傳感器的工作性能研究*

丁恩杰1,2, 李 欣1,2， 陳春旭1，2， 譚曉哲1，2， 劉學(xué)瑞1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008;2.礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

針對(duì)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中催化傳感器功耗高的問題，提出了采用脈沖供電方式對(duì)傳統(tǒng)供電方式進(jìn)行改進(jìn)的方法。分析了載體催化元件的工作特性和脈沖供電原理；通過實(shí)驗(yàn)研究了不同CH4濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣樣下，供電脈沖頻率、脈寬(即占空比)與傳感器靈敏度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：和普通催化傳感器相比，采用脈沖供電的將會(huì)很大程度上降低催化傳感器的功耗，延長便攜式設(shè)備的生命周期；同時(shí),分析得到采用脈沖供電的可行性和最佳頻率。

瓦斯催化傳感器； 低功耗； 脈沖供電； 脈沖頻率； 脈寬； 傳感器靈敏度

0 引 言

煤礦井下瓦斯集聚給煤炭的安全生產(chǎn)帶來隱患，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)礦井瓦斯進(jìn)行檢測(cè)可為煤礦瓦斯災(zāi)害防治提供技術(shù)基礎(chǔ)[1]。便攜式瓦斯檢測(cè)儀是目前常用的一種檢測(cè)瓦斯的儀器，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)[2],但便攜式裝備的能耗問題歷來是人們關(guān)注的焦點(diǎn),在節(jié)點(diǎn)的總能耗中，催化傳感器的功耗占有較大比例，約為250～320 mW。

為了降低催化傳感器的功耗，本文引入脈沖供電對(duì)傳統(tǒng)的供電方式進(jìn)行改進(jìn)，分析得到供電脈沖頻率、脈寬(即占空比)與傳感器靈敏度之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：采用脈沖供電可顯著降低催化傳感器的能耗。

1 載體催化傳感器的功耗機(jī)理

載體催化元件檢測(cè)瓦斯?jié)舛仁抢猛咚古c氧氣在元件表面發(fā)生氧化反應(yīng)釋放的熱效應(yīng)。整個(gè)變化過程的中心變量是元件的溫度增量 ，元件的工作特性是由工作過程中的熱力學(xué)關(guān)系決定的。因此，應(yīng)從熱力學(xué)基本原理出發(fā)得出元件的工作特性方程[3]。

1.1 載體催化傳感器

催化傳感器主要由鉑絲線圈、催化劑和載體組成。

鉑絲線圈的作用是通過工作電流使傳感器的工作溫度加熱至一定溫度，達(dá)到瓦斯氧化的起始溫度，鉑絲對(duì)溫度比較敏感，當(dāng)瓦斯氧化反應(yīng)釋放的熱使溫度升高時(shí)，同時(shí)其阻值也增大，以此檢測(cè)瓦斯的濃度[4]。載體的作用是：承載催化劑，使之形成高度分散的表面，提高催化劑的效用；消除鉑絲升華來保護(hù)鉑絲線圈，保證鉑絲線圈的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[5]。

1.2 載體催化傳感器的靜態(tài)方程

催化傳感器[6]組成的檢測(cè)電橋如圖1所示。

圖1 甲烷測(cè)量橋式電路Fig 1 Bridge circut for CH4 measurement

白元件損耗的熱量有四部分：一是周圍空氣與元件接觸，由熱傳導(dǎo)帶走的熱量 ；二是由元件向周圍空間輻射的熱量 ；三是由鉑絲本身熱傳導(dǎo)作用帶走的熱量 ；四是由鉑絲接觸的空氣的熱傳導(dǎo)作用帶走的熱量，由于鉑絲的熱傳導(dǎo)作用，離開元件表面以后鉑絲的溫度迅速降低，第四部分熱消耗很小，可以忽略不計(jì)。

鉑絲一端與元件接觸，另一端用錫焊在銅絲引線上，引線的直徑為1.0 mm，比鉑絲直徑大得多，因而,引線的熱容量比鉑絲大得多，工作時(shí)引線的溫度與環(huán)境的溫度相同。

熱平衡時(shí)應(yīng)有Q1=Q2+Q3+Q4，即

(1)

(2)

黑白元件通過的電流相同，但黑元件由于有瓦斯反應(yīng)熱Q，溫度比白元件高，電阻也有一個(gè)相應(yīng)增量，設(shè)黑元件溫度為T1，對(duì)黑元件應(yīng)有

(3)

設(shè)鉑絲的電阻溫度系數(shù)為at，黑元件作為絕對(duì)黑體處理，絕對(duì)黑體的輻射系數(shù)A為1。設(shè)由于瓦斯反應(yīng)熱Q引起的溫度升高為ΔT，則ΔR=RatΔT。

式(2)、式(3)就是白元件與黑元件的靜態(tài)方程，它表達(dá)了熱平衡條件下元件溫度、反應(yīng)熱與工作電流之間的關(guān)系。

1.3 載體催化元件的動(dòng)態(tài)方程

在一定的工作電流條件下，當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)，元件的輸出也跟著變化，此時(shí)元件的工作特性應(yīng)當(dāng)用動(dòng)態(tài)方程來描述。

圖2是黑元件的輸出曲線。在A點(diǎn)有一個(gè)確定的瓦斯?jié)舛菴，元件的溫度為T，阻值為R，單位時(shí)間內(nèi)瓦斯在黑元件表面的反應(yīng)熱為Q，考慮A點(diǎn)附近的一個(gè)擾動(dòng)，瓦斯?jié)舛仍隽繛棣，元件溫度為T+ΔT，電阻為R+ΔR，單位時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)熱為Q+ΔQ。設(shè)元件的熱容為E。

圖2 輸出曲線Fig 2 Output curve

應(yīng)有

I2(R+ΔR)+(Q+ΔQ)=aS[(T+ΔT)-T0]+

(4)

I2(R+ΔR)+(Q+ΔQ)=aS[(T+ΔT)-T0]+

(5)

令ΔT=0，得到平衡狀態(tài)方程

(6)

式(5)減去式(6)得

(7)

已知ΔR=RatΔT,ΔQ=μΔC,其中，μ為與元件相關(guān)的一個(gè)常數(shù)；ΔC為瓦斯?jié)舛仍隽?帶入式(7)并整理得

(8)

式(8)就是元件的動(dòng)態(tài)方程，其中,τ為元件的時(shí)間常數(shù)，Kc為放大倍數(shù)。解該一階方程得

(9)

式中M為積分常數(shù)，由初始條件求得。初始條件為：t=0,ΔT=0，則可得出M的值，于是

(10)

式(10)給出了瓦斯的濃度變化條件下，任意時(shí)刻工作元件的溫度增量，由T+ΔT可計(jì)算出此時(shí)元件的溫度。

2 脈沖供電原理

脈沖供電的示意如圖3所示，即將傳統(tǒng)的直流電壓供電改用脈沖電壓供電，通過提供脈沖電流對(duì)元件進(jìn)行加熱。

圖3 脈沖供電示意圖Fig 3 Diagram of pulse power supply

脈沖電流的有效值為

(11)

式中T為脈沖電流的周期，T1為脈沖高電平的持續(xù)時(shí)間。將式(11)代入式(3)中可得黑元件在脈沖電流下的靜態(tài)方程

(12)

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 脈沖頻率、寬度及靈敏度關(guān)系[7]

本節(jié)研究的是，在不同甲烷濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣樣下，脈沖頻率、寬度(即占空比)與靈敏度的關(guān)系，依據(jù)圖3的脈沖供電原理，催化傳感器選用MCJ4/2.8J。標(biāo)準(zhǔn)氣樣分別為1.02 %,1.97 %,3.48 %和4 %。脈沖頻率包含5種，分別為：500 Hz,1,2,3 kHz和4 kHz。占空比分別從20 %～85 %不等。圖4為1.02 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣下不同脈沖頻率在不同占空比下的靈敏度。圖5為1.97 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣下兩種脈沖頻率在不同占空比下的靈敏度。圖6為3.48 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣下不同脈沖頻率在不同占空比下的靈敏度。圖7中4 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣下不同脈沖頻率在不同占空比下的靈敏度。(注：如不加特殊說明，靈敏度在本文中均指圖3中檢測(cè)電橋的輸出值，與正常定義1 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣下檢測(cè)橋路的輸出有所區(qū)別。)

圖4 1.02 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣測(cè)靈敏度Fig 4 Sensitivity test in 1.02 % standard gas sample

圖5 1.97 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣測(cè)靈敏度Fig 5 Sensitivity test in 1.97 % standard gas sample

圖6 3.48 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣測(cè)靈敏度Fig 6 Sensitivity test in 3.48 % standard gas sample

圖7 4 %標(biāo)準(zhǔn)氣樣測(cè)靈敏度Fig 7 Sensitivity test in 4 % standard gas sample

由于脈沖電路設(shè)計(jì)上的缺陷，當(dāng)脈沖頻率為3 kHz時(shí)，占空比大于80 %;當(dāng)脈沖頻率4 kHz時(shí)占空比大于70 %時(shí)，脈沖輸出加在橋式電路中，電壓波形呈現(xiàn)一定的畸變，因此，實(shí)驗(yàn)中未測(cè)此部分波形，但此不影響相關(guān)結(jié)論的分析。

通過圖5～圖7的比較可發(fā)現(xiàn)：

1)當(dāng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)氣樣大于1.97 %時(shí)，占空比低于70 %的不同頻率脈沖曲線中，1 kHz脈沖供電情況下的靈敏度最大；脈沖頻率為4 kHz的曲線其靈敏度最小。

2)當(dāng)脈沖的占空比大于75 %時(shí)，2 kHz，500 Hz與1 kHz脈沖下的靈敏度的變化趨勢(shì)相近；相反，3 kHz與4 kHz與它們的變化趨勢(shì)背離。

3)在不同標(biāo)準(zhǔn)氣樣中，當(dāng)占空比大于50%時(shí)，各種脈沖頻率下的靈敏度，隨著占空比的增大其靈敏度也隨之增大，在低濃度中呈現(xiàn)較好的線性度，濃度增大非線性度明顯。以1 kHz脈沖供電為例，當(dāng)占空比大于50 %時(shí)，在低濃度標(biāo)準(zhǔn)氣樣下，如1.02 %和1.97 %，其靈敏度與占空比具有較好的線性度；但在標(biāo)準(zhǔn)氣樣濃度較高時(shí)，如3.48 %和4 %中，靈敏度與占空比呈一定的非線性。

4)在標(biāo)準(zhǔn)氣樣為1.02 %時(shí)，占空比為70 %時(shí)，500 Hz,1 kHz脈沖頻率下的靈敏度為15.4,13.4 mV。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1)根據(jù)上述的分析，1 kHz的脈沖，在介于50 %～70 %的占空比中和濃度大于1.97 %中具有較高的靈敏度。而在高于75 %的占空比中，500 Hz和2kHz的靈敏度變化趨勢(shì)與1 kHz的趨勢(shì)非常相近,因此，脈沖供電的頻率存在理論上的最佳頻率。

2)常規(guī)供電下，催化傳感器在低濃度瓦斯氣體中具有較好的線性度，而濃度較高時(shí)存在一定非線性，需適當(dāng)補(bǔ)償。脈沖供電也存在此類問題，依據(jù)3.1節(jié)中(3)的分析，在不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣樣下，根據(jù)脈沖供電的占空比推得占空比為100 %的靈敏度，對(duì)于非線性的濃度下可進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)催化傳感器高功耗的特點(diǎn)，引入了脈沖供電。分析了催化傳感器的工作特性，并介紹了脈沖供電原理，根據(jù)原理進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得出如下結(jié)論：1)占空比為70 %的1 kHz,500 Hz脈沖供電時(shí)，其靈敏度可符合催化元件的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；2)在對(duì)不同頻率的脈沖進(jìn)行供電實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)1 kHz的脈沖在占空比介于50 %～70 %間，且標(biāo)準(zhǔn)氣樣大于1.97 %情況下，催化傳感器具有較高的靈敏度。

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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

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAH12B01，2012BAH12B02)

TP 212.6

A

1000—9787(2014)12—0031—03

丁恩杰(1962-)，男，山東青島人，博士，教授，從事信號(hào)與信息處理、故障診斷與現(xiàn)場總線的研究。