常用传感器的应用

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第十章 常用传感器的应用,可燃性气体报警,压力测量,液位测量,流量测量,温度测量,气体成分分析,9/14/2024,1,在自动化系统中，各种工艺变量的获得，都要通过检测元件（传感器），它直接响应被测工艺变量，并输出一个对应关系的信号。,对于检测仪表来说，检测、变送与显示是三个独立部分，也可以只用其中两个部分。当然检测、变送与显示也可以有机地结合为一体。,对检测仪表有以下三条基本要求：,1,、测量值要正确反映被控变量的值，误差不超过规定的范围；,2,、在环境条件下能长期工作，保证测量值的可靠性；,3,、测量值必须迅速反映被控变量的变化，即动态响应比较迅速。,9/14/2024,2,第一节 可燃性气体报警器,可燃性气体报警器由传感器和报警器二部分组成。,传感器是连续测定设备四周空气中可燃性气体额体积百分含量，转换成电信号，传送到报警器发出报警信号。,可燃性气体传感器有两种形式：,一种是,半导体气敏传感器,，另一种是催化反应热式传感器。,9/14/2024,3,半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：气体泄露报警、自动控制,、自动测试等。 表,10-1,给出了半导体气敏传感器的应用举例。,9/14/2024,4,表,10-1,气敏传感器主要检测对象及应用场所,9/14/2024,5,报警器的显示值是采用国际标准，以,LEL,为计量单位。其意义是以可燃气体的爆炸下限浓度为,100,，仪器检测出来的可燃气体浓度值折算成,LEL,显示出来。,例如，丙稀气体，它的爆炸下限浓度为,2.4,，则显示值,100,LEL,表示空气中含有丙稀的浓度为,2.4,，达到爆炸下限浓度，就会发生爆炸。若报警器显示,50,LEL,，则表示空气中含有丙稀的浓度为,1.2,。,一般情况下，预警设定点应设置在,20,LEL,或,40,LEL,处，也可以根据情况自行设定，但不得大于,60,LEL,。,9/14/2024,6,气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性,(,例如电导率,),发生变化。,气敏传感器气敏元件的工作原理十分复杂，有不同的解释模型。,目前流行的定性模型是：,原子价控制模型,、,表面电荷层模型,、,晶粒间界势垒模型,。,一、半导体气体传感器,9/14/2024,7,（一）工作原理,半导体气敏传感器的结构如右图所示。,一组为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。,9/14/2024,8,半导体气敏传感器是利用,气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化,而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。,9/14/2024,9,当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力,(,气体的吸附和渗透特性,),时， 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。例如氧气等,具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体,或电子接收性气体。,如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有,正离子吸附倾向的气体,有,H,2,、,CO,、,碳氢化合物和醇类，它们,被称为还原型气体,或电子,供给性气体。,9/14/2024,10,当氧化型气体吸附到,N,型半导体上，还原型气体吸附到,P,型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到,N,型半导体上，氧化型气体吸附到,P,型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。图,10-3,表示了气体接触,N,型半导体时所产生的器件阻值变化情况。,9/14/2024,11,图,10-3 N,型半导体吸附气体时器件阻值变化图,9/14/2024,12,由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间,(,响应时间,),一般不超过,1min,。,N,型材料,有,SnO,2,、,ZnO,、,TiO,等，,P,型材料有,MoO,2,、,CrO,3,等。,9/14/2024,13,气敏元件工作时必须加热，其目的是：,加速被测气体的吸附、脱出过程；,烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；,控制不同的加热温度能对不同的被测气体具有选择作用。,加热温度与元件输出的灵敏度有关。如右图所示。,9/14/2024,14,气敏元件一般工作在,200,400,的高温。,为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻,(,指加热器的电阻值,),称为加热电阻，用,R,H,表示。直热式的加热电阻值一般小于,5,；旁热式的加热电阻大于,20,。,气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用,表示。一般在,(0.5,2.0)W,范围。,9/14/2024,15,由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如下图所示。直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入,SnO,2,或,ZnO,等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用， 但热容量小， 易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。国产,QN,型和日本费加罗,TGS,109,型气敏传感器均属此,类结构。,9/14/2024,16,直热式气敏器件结构及符号,1,2,3,4,SnO,2,烧结体,加热极兼电极,(a),结构,4,3,2,1,(b),符号,9/14/2024,17,旁热式气敏器件的结构及符号如下图所示，它的特点是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上,SnO,2,等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离， 而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、 可靠性都较直热式器件好，国产,QM-N5,型和日本费加罗,TGS,812,、,813,型等气敏传感器都采用这种结构。,9/14/2024,18,（,2,）旁热式,SnO,2,气敏元件,加热器电阻值一,般为,30,40,电极,加热器,瓷绝缘管,旁热式气敏器件结构及符号,SnO,2,烧结体,1,2,3,4,5,6,（,a,）,结构,（,b,）,符号,7,100,目不锈钢网,18.4,1,23,1,2,3,4,5,6,7,45,45,气敏元件外形和引出线分布,9/14/2024,19,（二）应用,1,、自动排风扇控制器,9/14/2024,20,传感器的加热电压直接由变压器次级（,6V,）经,R,12,将压提供；工作电压由全波整流后，经,C,1,滤波及,R,1,、,VZ,5,稳压后提供。,传感器负载电阻由,R,2,及,R,3,组成（更换,R,3,大小，可调节控制信号与待测气体的浓度的关系）。,R,4,、,VD,6,、,C,2,及,IC,1,组成开机延时电路，调整使其延时为,60s,左右（防止初始稳定状态误动作）。,9/14/2024,21,当达到报警浓度时，,IC,1,的,2,端为高电平，使,IC,4,输出高电平，此信号使,VT,2,导通，继电器吸合（起动排气扇）；组成排气扇延迟电路，使,IC,4,出现低电平后,10s,才使,J,释放；另外，,IC,4,输出高电平使,IC,2,、,IC,3,组成的压控振荡器起振，其输出使,VT,1,导通或截止交替出现，则,LED,（红色）产生闪光报警信号。,LED,（绿色）为工作指示灯。,9/14/2024,22,2,、简易酒精测试仪,右图为简易酒精测试仪。,其加热及工作电压都是,5V,，加热电流约,125mA,。传感器的负载电阻为,R,1,及,R,2,，其输出直接结,LED,显示驱动器,LM3914,。当无酒精蒸气，其上的输出电压很低，随着酒精蒸气的浓度增加，输出电压也上升，则,LM3912,的,LED,（共,10,个）亮的数目也增加。,9/14/2024,23,3,、化学实验室有害气体鉴别,下图所示为有害气体鉴别器的电路。,MQS2B,是烟雾、有害气体传感器，平时阻值较高（,10k,左右）。当有烟雾或有害气体进入时，阻值急剧下降。,9/14/2024,24,MQS2B,的,A,、,B,两端电压下降时，,12V,电压经,MQS2B,的压降减少，使得,B,的电压升高，经电阻,R,1,和,RP,分压、,R,2,限流加到开关集成电路,TWH8778,的,端。当,端电压达到预定值时，,、,两端导通。,9/14/2024,25,调节可调电阻,RP,可改变,端的电压预定值，从而调节其灵敏度，使,、,两端导通。,12V,电压加至继电器，使继电器得电，触点,J,1-1,吸合，从而控制排风扇电源的开关，使排风扇自动排风。同时,端输出的,12V,电压经,R,4,限流和稳压二极管,VD,3,（,5V,）稳压后提供微音器,HTD,电源电压，此微音器是有源的（自带音源），此时便会发出嘀嘀声，由此可知是否有有害气体产生。同时，发光二极管发出红光，实现生光显示。,9/14/2024,26,1,、接触燃烧式气敏元件的结构,用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值,(,1,2,),一般应绕,10,圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状,涂,覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝,(,氧化铝一氧化硅,),载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。,二、接触燃烧气敏传感器,9/14/2024,27,除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已。,9/14/2024,28,触媒,Al,2,O,3,载体,Pt丝,元件,(0.8-2)mm,(b),敏感元件外形图,接触燃烧式气敏元件结构示意图,(a),元件的内部示意图,9/14/2024,29,2,、检测原理,对铂丝线圈通以电流，使其保持高温（,300,400,）。可燃性气体,(H2,、,CO,、,CH4,等,),与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热,(,无焰接触燃烧热,),，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高,(,低于,10,),，可燃性气体可以完全燃烧，,其发热量与可燃性气体的浓度有关,。,9/14/2024,30,空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应,(,燃烧,),产生的反应热量,(,燃烧热,),愈多，铂丝的温度变化,(,增高,),愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值,(R),，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。,9/14/2024,31,接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中,F,1,是检测元件；,F,2,是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在,F,1,和,F,2,上保持,100mA,200mA,的电流通过，以供可燃性气体在检测元件,F,1,A,F,2,F,1,M,R,1,R,2,C,B,D,W,2,W,1,E,0,上发生氧化反应,(,接触燃烧,),所需要的热量。当检测元件,F,1,与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用,(,燃烧,),，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在,A,、,B,间产生电位差,E,。,9/14/2024,32,就可以,测得,A,、,B,间的电位差,E,，,并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。,1.0,接触燃烧式气敏元件的感应特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,50,100,150,输,出,电,压,/,mV,丙烷,乙醇,异丁烷,丙酮,环己烷,气体浓度,(XLEL),A,、,B,两点间的电位差与可燃性气体的浓度,m,成比例。如果在,A,、,B,两点间连接电流计或电压计，,9/14/2024,33,三、温差火灾报警传感器,下图为温差火灾报警传感器，它由两个温度传感器组成。一个温度传感器安装在金属板上，利用金属板来检测异常温度。另一个温度传感器安装在塑料壳内，它检测正常室温。在无火情时，两温度传感器的温度相同，输出与温度成比例的电压基本相同，无报警信号输出。当由火情时，安装在金属板上的温度传感器受热而温度升高较快，另一个温度上式较慢，则输出温度差的电压信号。当温度差的电压信号达到一定值时，就可以发出报警信号。,9/14/2024,34,四、烟雾传感器,烟雾比气体分子大得多，可以利用微粒的特点来检测。,烟雾传感器以烟雾的有无来决定是否输出信号，不能定量地进行测量。,9/14/2024,35,烟雾传感器的两种类型：,（,1,）散射式,原理如右图所示。,在发光管和光敏元件之间设置遮光屏，无烟雾时接受不到光信号，有烟雾时借微粒的散射光使光敏元件发出电信号。这种传感器的灵敏度与烟雾种类无关。,9/14/2024,36,（,2,）离子式,原理如右图所示。,用放射性同位素镅,Am241,放射出微量的,射线，使附近空气电离，当平行板电极有直流电压时，产生离子电流,I,K,。有烟雾时，微粒将离子吸附，而且微粒也吸收,射线，其结果是离子电流,I,K,减少。若有另一个密封有纯净空气的离子室,作为参比元件，将两者的离子电流比较就可以清除外界干扰，得到可靠的检测结果。这种传感器的灵敏度与烟雾的种类有关。,9/14/2024,37,五、传感器的采样方式,（,1,）依靠空气中的可燃气体自然扩散的方式来进行检测。,（,2,）在传感器内装小型吸气泵，强制吸引由工艺装置泄漏出来的可燃气体进入传感器进行检测。,9/14/2024,38,