李世偉，金貴新，陳彬，梁姬君

（河南漢威電子股份有限公司，鄭州　450000）

溫度對(duì)電化學(xué)NH3氣傳感器影響研究

李世偉，金貴新，陳彬，梁姬君

（河南漢威電子股份有限公司，鄭州450000）

NH3氣濃度的檢測(cè)在養(yǎng)殖場(chǎng)、冷庫(kù)等場(chǎng)所應(yīng)用非常廣泛，所使用的傳感器通常為電化學(xué)原理的NH3氣傳感器。與其他類型傳感器相比，電化學(xué)傳感器性能比較穩(wěn)定、壽命較長(zhǎng)、耗電很小、分辨率高。但在具體的應(yīng)用環(huán)境中，由于溫度的變化，電化學(xué)傳感器的性能受到很大的影響?；跍囟葘?duì)電化學(xué)傳感器特性的影響，對(duì)電化學(xué)NH3氣傳感器在不同溫度條件下特性進(jìn)行研究，通過大量的實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證，得出不同溫度條件下電化學(xué)NH3氣傳感器的特征數(shù)據(jù)，對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析，在此基礎(chǔ)上通過軟件算法對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明，補(bǔ)償后的NH3氣探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)NH3氣濃度更準(zhǔn)確的檢測(cè)。

電化學(xué)；氣體傳感器；溫度；NH3氣

0　引言

危險(xiǎn)化學(xué)品要加強(qiáng)安全管理，完善安全措施、控制事故隱患。但是，不可能達(dá)到絕對(duì)安全，仍然會(huì)出現(xiàn)萬有一失的情況。因此，事故隱患的檢測(cè)報(bào)警，在危險(xiǎn)化學(xué)品場(chǎng)所有害氣體或液體（蒸氣）檢測(cè)報(bào)警，是非常必要的。對(duì)避免和控制事故具有重要意義。NH3氣無色具有強(qiáng)烈的刺激臭味，對(duì)人體有較大的毒性。NH3氣的檢測(cè)在養(yǎng)殖場(chǎng)、冷庫(kù)等場(chǎng)所應(yīng)用非常廣泛，能否準(zhǔn)確地檢測(cè)其精度，對(duì)于生產(chǎn)安全來說至關(guān)重要。電化學(xué)傳感器具有體積小、耗電小、線性和重復(fù)性較好的特點(diǎn)，對(duì)于NH3氣檢測(cè)有顯著的優(yōu)勢(shì)。

1　電化學(xué)氣體傳感器

1.1電化學(xué)氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)

電化學(xué)傳感器包括下面幾部分：可以滲過氣體但不能滲過液體的擴(kuò)散式隔膜、酸性電解液槽、電極、管腳等，有些傳感器還包括一個(gè)可以濾除干擾組份的濾膜。如圖1所示。

圖1　電化學(xué)氣體傳感器通用結(jié)構(gòu)

電化學(xué)式氣體傳感器的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)主要有三個(gè)電極組成：工作電極、參比電極和對(duì)電極，電極是由對(duì)被測(cè)氣體具有催化作用的材料制成。W極：工作電極，用于氧化反應(yīng)；C極：對(duì)電極，用于還原反應(yīng)；R極：參比電極，可提供恒電位參考。

1.2電化學(xué)氣體傳感器的基本工作原理

電化學(xué)傳感器通過與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來工作。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是疏水屏障層，最終到達(dá)電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。這些反應(yīng)由針對(duì)被測(cè)氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。通過電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會(huì)產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。

1.3電化學(xué)氣體傳感器的特性

（1）穩(wěn)定性：易受環(huán)境溫濕度的影響。

（2）線性：氣體濃度和輸出信號(hào)呈線性關(guān)系

（3）初始穩(wěn)定特性：調(diào)試前須至少8小時(shí)左右的老化時(shí)間。

（4）壽命：化學(xué)反應(yīng)中，活潑金屬鉛參與到氧化反應(yīng)中被不斷消耗和鈍化，使傳感器具有一定的使用期限，當(dāng)所有可利用的活潑金屬鉛完全被氧化或鈍化時(shí)，傳感器將停止工作。通常氧氣傳感器的預(yù)期使用壽命為1-2年，但也可以通過增加陽(yáng)極鉛的含量或限制接觸陽(yáng)極的氧氣量來延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。

2　電化學(xué)NH3氣傳感器溫度補(bǔ)償

任何一個(gè)因溫度引起的信號(hào)變化都可能嚴(yán)重影響氣體測(cè)量的準(zhǔn)確性，這就造成在不同溫度條件下的檢測(cè)值的誤差，這時(shí)，采用溫度補(bǔ)償措施就顯得很重要。針對(duì)這種情況，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)分析，積累了溫度對(duì)于電化學(xué)氣體傳感器輸出信號(hào)影響的數(shù)據(jù)，從而通過硬件處理與軟件算法結(jié)合的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，對(duì)溫度所引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。具體算法流程如圖2所示。

如圖2所示，整個(gè)溫度補(bǔ)償算法從一開始讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)之后，就對(duì)其進(jìn)行處理，通過對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)，介入溫度補(bǔ)償?shù)乃惴?。在算法使用過程中要有一個(gè)不同溫度下傳感器濃度值變化數(shù)據(jù)的專家?guī)欤@個(gè)專家數(shù)據(jù)庫(kù)要通過大量科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析總結(jié)建立，只有在準(zhǔn)確可靠的專家數(shù)據(jù)庫(kù)的保證下才能保證算法執(zhí)行的準(zhǔn)確性和有效性。整個(gè)算法是一個(gè)不斷迭代的過程，在原有的專家數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)際使用過程中不斷的進(jìn)行完善，豐富專家數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步提高算法的補(bǔ)償精度，從而滿足應(yīng)用中更高的精度要求。

圖2　電化學(xué)NH3氣傳感器溫度補(bǔ)償算法流程圖

3　實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證電化學(xué)NH3氣傳感器溫度補(bǔ)償算法對(duì)于提高檢測(cè)精度的可行性和有效性，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析。取某公司某型號(hào)檢測(cè)合格的測(cè)NH3的電化學(xué)氣體傳感器100只，安裝在某廠家生產(chǎn)的檢測(cè)合格的100臺(tái)量程為0～100ppm測(cè)NH3氣的氣體探測(cè)器（工作溫度-40℃～70℃）上，分別將其編號(hào)為1到100號(hào)。

第一步：取廠家生產(chǎn)的原有探測(cè)器100臺(tái)，不進(jìn)行任何的更改，將其同時(shí)放置在濃度50ppm的NH3氣高低溫試驗(yàn)箱中，調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱的溫度至室溫20℃，記錄每臺(tái)的數(shù)據(jù)，再依次升高至40℃、50℃，溫度變化速度為1℃/min，降低至0℃、-20℃、-40℃，并分別記錄在相應(yīng)溫度下的每一臺(tái)探測(cè)就的濃度數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)每個(gè)溫度下探測(cè)器檢測(cè)到的濃度值進(jìn)行處理，得出該型號(hào)探測(cè)器在不同溫度下測(cè)量50ppm的NH3氣時(shí)所顯示的實(shí)際濃度值。

第二步：取廠家生產(chǎn)的原有探測(cè)器100臺(tái)，不進(jìn)行任何的更改，將其同時(shí)放置在濃度80ppm的NH3氣高低溫試驗(yàn)箱中，調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱的溫度至室溫20℃，記錄每臺(tái)的數(shù)據(jù)，再依次升高至40℃、50℃，溫度變化速度為1℃/min，降低至0℃、-20℃、-40℃，并分別記錄在相應(yīng)溫度下的每一臺(tái)探測(cè)就的濃度數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)每個(gè)溫度下探測(cè)器檢測(cè)到的濃度值進(jìn)行處理，得出該型號(hào)探測(cè)器在不同溫度下測(cè)量80ppm的NH3氣時(shí)所顯示的實(shí)際濃度值。

第三步：取廠家生產(chǎn)的原有探測(cè)器100臺(tái)，將其改為帶有高精度內(nèi)置溫度傳感器且含有溫度補(bǔ)償專家數(shù)據(jù)庫(kù)和溫度補(bǔ)償算法的探測(cè)器，將其同時(shí)放置在濃度50ppm的NH3氣高低溫試驗(yàn)箱中，調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱的溫度至室溫20℃，記錄每臺(tái)的數(shù)據(jù)，再依次升高至40℃、50℃，溫度變化速度為1℃/min，降低至0℃、-20℃、-40℃，并分別記錄在相應(yīng)溫度下的每一臺(tái)探測(cè)就的濃度數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)每個(gè)溫度下探測(cè)器檢測(cè)到的濃度值進(jìn)行處理，得出該型號(hào)探測(cè)器在不同溫度下測(cè)量50ppm的NH3氣時(shí)所顯示的實(shí)際濃度值。

第四步：取廠家生產(chǎn)的原有探測(cè)器100臺(tái)，將其改為帶有高精度內(nèi)置溫度傳感器且含有溫度補(bǔ)償專家數(shù)據(jù)庫(kù)和溫度補(bǔ)償算法的探測(cè)器，將其同時(shí)放置在濃度80ppm的NH3氣高低溫試驗(yàn)箱中，調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱的溫度至室溫20℃，記錄每臺(tái)的數(shù)據(jù)，再依次升高至40℃、50℃，溫度變化速度為1℃/min，降低至0℃、-20℃、-40℃，并分別記錄在相應(yīng)溫度下的每一臺(tái)探測(cè)就的濃度數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)每個(gè)溫度下探測(cè)器檢測(cè)到的濃度值進(jìn)行處理，得出該型號(hào)探測(cè)器在不同溫度下測(cè)量80ppm的NH3氣時(shí)所顯示的實(shí)際濃度值。

不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由上圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在濃度分別為50ppm和80ppm的NH3氣中，沒有進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)奶綔y(cè)器進(jìn)行低溫下檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)到的濃度值與真實(shí)值相差很大，所檢測(cè)到的濃度值失去意義。在進(jìn)行硬件和軟件溫度補(bǔ)償之后的探測(cè)器，無論是在低溫條件下還是在室溫和高溫條件下，探測(cè)器在不同濃度下所顯示的濃度值與實(shí)際的濃度值之間的誤差均在5%以內(nèi)，完全滿足計(jì)量要求。

圖3　電化學(xué)NH3氣傳感器不同濃度下有無溫度補(bǔ)償對(duì)比

4　結(jié)語

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在使用電化學(xué)NH3氣傳感器進(jìn)行NH3氣檢測(cè)時(shí)，測(cè)量精度會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，甚至可能無法進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，所以，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要結(jié)合被測(cè)NH3氣的環(huán)境，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的溫度補(bǔ)償，從硬件電路和軟件算法兩方面抑制溫度對(duì)于檢測(cè)精度的影響。在未來的工作中，將進(jìn)一步對(duì)電化學(xué)傳感器的性能以及實(shí)際應(yīng)用中的影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和研究，將電化學(xué)NH3氣傳感器的溫度補(bǔ)償算法通過一定的改進(jìn)使其能夠使用于其他的電化學(xué)傳感器，解決所有電化學(xué)傳感器在惡劣環(huán)境條件下使用時(shí)檢測(cè)精度不準(zhǔn)的問題。

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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

李世偉（1989-），男，河南平頂山人，碩士研究生，研究方向?yàn)闅怏w檢測(cè)儀器儀表、傳感器應(yīng)用

金貴新（1972-），男，河南信陽(yáng)人，本科，研究方向?yàn)闅怏w檢測(cè)儀器儀表、傳感器應(yīng)用

陳彬（1977-），男，河南鄭州人，大專，研究方向?yàn)闅怏w檢測(cè)儀器儀表、傳感器應(yīng)用研究

梁姬君（1978-），女，河南鄭州人，本科，研究方向?yàn)闅怏w檢測(cè)儀器儀表、傳感器應(yīng)用研究

2016-08-16

2016-09-30