热导式气体传感器在氢气测量中的影响因素

凤凰火

随着化石燃料的日渐枯竭及环境污染问题的凸显，氢气、水、太阳能等可再生能源的使用逐渐成为人们研究和关注的问题。随着科技的发展，氢气作为原料的燃料电池在汽车、核电等领域的应用日益广泛，同时对高纯氢气的需求量也急剧增加。随着氢气的广泛应用，氢气在制备、运输、储存和利用四个环节中构成的潜在威胁也不容忽视。氢气分子小，极易发生泄漏，同时氢气的爆炸限极宽，为 4%～75% VOL，极易发生泄漏和爆炸，因此，对氢气泄露的测量成为亟需解决的问题，高性能氢气传感器的研究也备受关注。
目前，市场上有一些基于催化燃烧、半导体、电化学等原理的氢气传感器，但各种传感器都是基于化学反应进行氢气浓度检测，导致传感器敏感元件的材料发生物理或化学变化，从而导致传感器使用寿命短、漂移量大、校准周期短等。热导式气体传感器是一种热效应传感器，在测试过程中，不与待测气体发生化学反应，避免了化学反应引起的材料变化，因此它输出稳定，漂移量小。同时热导式气体传感器具有检测精度低，温度漂移大，受环境温度、湿度变化影响大的缺点，因此本文对热导式气体传感器的测试影响因素进行了探索，提高传感器测试准确度。
导热系数( 又称“热导率”) 是物质的重要物理性质之一，与物质的分子结构有关。不同的气体有不同的分子结构，便有不同的导热系数。对于彼此之间无化学作用的多组分混合气体来说，导热系数可近似的视作组成混合气体的各种气体导热系数的加权平均值。当混合气体中的某种气体的浓度发生变化时，混合气体的导热系数也随之发生变化。与其他气体相比，氢气具有较高的导热系数( 1．75 × 10－5W/m·K) ，几乎是空气的五倍，因此，在含有氢气的混合气体中，氢气浓度发生变化时，会导致混合气体的导热系数发生较大的变化，进
而引起混合气体的导热系数发生较大变化。在其他气体组分相对稳定时，设定待测气体(氢气)的导热系数为 λ1，其他气体的导热系数为λ2，则混合气体导热系数公式为：
λ = λ1 × Ф1 + λ2 × ( 1 － Ф1 ) = λ2 + Ф1 ( λ1 － λ2 )
由公式可知，混合气体的导热系数与待测气体的浓度间存在线性关系。因此，可以通过热导原理的传感器对混合气体中的某种待测气体的浓度进行实时检测。
热导式气体传感器MTCS2601是由瑞士Neroxis公司采用硅微加工工艺生产的一款传感器，内置两个测温电阻( Ｒm1、Ｒm2 ) 和两个补偿电阻(Ｒt1、Ｒt2 ) ，其中测温电阻位于顶层硅片上，并位于顶层硅片和中层硅片之间的腔室顶部，阻值随测量电阻本身温度的变化而变化; 补偿电阻位于中层硅片上，直接暴露在大气环境中，可起到一定程度的环境补偿作用。四个电阻可通过引线连接方式与外接电阻组成电桥。通过电桥可给测温电阻和补偿电阻施加一定的电压，使测温电阻和补偿电阻产生热量，温度升高，高于周围环境的温度，并通过热扩散的形式向周围环境传热。
当传感器测量电阻和补偿电阻周围环境的气体恒定时，环境气体的导热系数恒定，传感器会通过自身加热和热扩散达到热平衡状态，当气氛中的某一种气体( 如氢气) 的组分发生变化时，环境气体的导热系数发生变化，则传感器对外扩散的热量发生变化，便会形成新的热平衡状态。热平衡状态的改变会影响测温电阻的温度，从而影响测温电阻的阻值。即当环境中待测气体浓度发生变化时，Ｒm1和 Ｒm2的电阻值会发生较大的变化，进而引起桥路电压变化，通过电压的变化可实现对待测气体的测量。

热导式气体传感器在氢气测量中的影响因素:
( 1) 热导式气体传感器采用的是扩散型进气方式，气体流量对测量几乎无影响。
( 2) 环境温度变化对传感器灵敏度有影响，灵敏度随环境温度的升高呈线性递增趋势;
( 3) 各浓度点的输出随绝对湿度的增加线性递增;
( 4) 通过温度、湿度多参数补偿，能极大地提高传感器的准确度和环境适应性。