溫度對電化學(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）

溫度對電化學(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氣濃度的檢測在養(yǎng)殖場、冷庫等場所應(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、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。基于溫度對電化學(xué)傳感器特性的影響，對電化學(xué)NH3氣傳感器在不同溫度條件下特性進行研究，通過大量的實驗分析和驗證，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)，對特征數(shù)據(jù)進行提取和分析，在此基礎(chǔ)上通過軟件算法對傳感器進行溫度補償。實驗表明，補償后的NH3氣探測器能夠?qū)崿F(xiàn)對NH3氣濃度更準(zhǔn)確的檢測。

電化學(xué)；氣體傳感器；溫度；NH3氣

0　引言

危險化學(xué)品要加強安全管理，完善安全措施、控制事故隱患。但是，不可能達到絕對安全，仍然會出現(xiàn)萬有一失的情況。因此，事故隱患的檢測報警，在危險化學(xué)品場所有害氣體或液體（蒸氣）檢測報警，是非常必要的。對避免和控制事故具有重要意義。NH3氣無色具有強烈的刺激臭味，對人體有較大的毒性。NH3氣的檢測在養(yǎng)殖場、冷庫等場所應(yīng)用非常廣泛，能否準(zhǔn)確地檢測其精度，對于生產(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，對于NH3氣檢測有顯著的優(yōu)勢。

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)主要有三個電極組成：工作電極、參比電極和對電極，電極是由對被測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)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。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，同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。穿過屏障擴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理或還原機理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計的電極材料進行催化。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產(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呈線性關(guān)系

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

（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，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極鉛的含量或限制接觸陽極的氧氣量來延長傳感器的使用壽命。

2　電化學(xué)NH3氣傳感器溫度補償

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

如圖2所示，整個溫度補償算法從一開始讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)之后，就對其進行處理，通過對環(huán)境溫度的檢測，介入溫度補償?shù)乃惴āＴ谒惴ㄊ褂眠^程中要有一個不同溫度下傳感器濃度值變化數(shù)據(jù)的專家?guī)欤@個專家數(shù)據(jù)庫要通過大量科學(xué)嚴(yán)謹?shù)膶嶒烌炞C和分析總結(jié)建立，只有在準(zhǔn)確可靠的專家數(shù)據(jù)庫的保證下才能保證算法執(zhí)行的準(zhǔn)確性和有效性。整個算法是一個不斷迭代的過程，在原有的專家數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過實際使用過程中不斷的進行完善，豐富專家數(shù)據(jù)庫，進一步提高算法的補償精度，從而滿足應(yīng)用中更高的精度要求。

圖2　電化學(xué)NH3氣傳感器溫度補償算法流程圖

3　實驗分析

為了驗證電化學(xué)NH3氣傳感器溫度補償算法對于提高檢測精度的可行性和有效性，通過實驗進行驗證分析。取某公司某型號檢測合格的測NH3的電化學(xué)氣體傳感器100只，安裝在某廠家生產(chǎn)的檢測合格的100臺量程為0～100ppm測NH3氣的氣體探測器（工作溫度-40℃～70℃）上，分別將其編號為1到100號。

第一步：取廠家生產(chǎn)的原有探測器100臺，不進行任何的更改，將其同時放置在濃度50ppm的NH3氣高低溫試驗箱中，調(diào)節(jié)試驗箱的溫度至室溫20℃，記錄每臺的數(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)溫度下的每一臺探測就的濃度數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，對每個溫度下探測器檢測到的濃度值進行處理，得出該型號探測器在不同溫度下測量50ppm的NH3氣時所顯示的實際濃度值。

第二步：取廠家生產(chǎn)的原有探測器100臺，不進行任何的更改，將其同時放置在濃度80ppm的NH3氣高低溫試驗箱中，調(diào)節(jié)試驗箱的溫度至室溫20℃，記錄每臺的數(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)溫度下的每一臺探測就的濃度數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，對每個溫度下探測器檢測到的濃度值進行處理，得出該型號探測器在不同溫度下測量80ppm的NH3氣時所顯示的實際濃度值。

第三步：取廠家生產(chǎn)的原有探測器100臺，將其改為帶有高精度內(nèi)置溫度傳感器且含有溫度補償專家數(shù)據(jù)庫和溫度補償算法的探測器，將其同時放置在濃度50ppm的NH3氣高低溫試驗箱中，調(diào)節(jié)試驗箱的溫度至室溫20℃，記錄每臺的數(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)溫度下的每一臺探測就的濃度數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，對每個溫度下探測器檢測到的濃度值進行處理，得出該型號探測器在不同溫度下測量50ppm的NH3氣時所顯示的實際濃度值。

第四步：取廠家生產(chǎn)的原有探測器100臺，將其改為帶有高精度內(nèi)置溫度傳感器且含有溫度補償專家數(shù)據(jù)庫和溫度補償算法的探測器，將其同時放置在濃度80ppm的NH3氣高低溫試驗箱中，調(diào)節(jié)試驗箱的溫度至室溫20℃，記錄每臺的數(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)溫度下的每一臺探測就的濃度數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，對每個溫度下探測器檢測到的濃度值進行處理，得出該型號探測器在不同溫度下測量80ppm的NH3氣時所顯示的實際濃度值。

不同條件下的實驗結(jié)果如圖3所示。

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

圖3　電化學(xué)NH3氣傳感器不同濃度下有無溫度補償對比

4　結(jié)語

由實驗結(jié)果可知，在使用電化學(xué)NH3氣傳感器進行NH3氣檢測時，測量精度會受到環(huán)境溫度的影響，甚至可能無法進行準(zhǔn)確的測量，所以，在實際應(yīng)用時，要結(jié)合被測NH3氣的環(huán)境，進行相對應(yīng)的溫度補償，從硬件電路和軟件算法兩方面抑制溫度對于檢測精度的影響。在未來的工作中，將進一步對電化學(xué)傳感器的性能以及實際應(yīng)用中的影響因素進行實驗分析和研究，將電化學(xué)NH3氣傳感器的溫度補償算法通過一定的改進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)境條件下使用時檢測精度不準(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，研究方向為氣體檢測儀器儀表、傳感器應(yīng)用

金貴新（1972-），男，河南信陽人，本科，研究方向為氣體檢測儀器儀表、傳感器應(yīng)用

陳彬（1977-），男，河南鄭州人，大專，研究方向為氣體檢測儀器儀表、傳感器應(yīng)用研究

梁姬君（1978-），女，河南鄭州人，本科，研究方向為氣體檢測儀器儀表、傳感器應(yīng)用研究

2016-08-16

2016-09-30