催化燃烧式甲烷测定器载体催化元件的原理及技术性能分析

　　催化燃烧型甲烷测定器用于检测空气中的甲烷含量,主要用于煤矿井下甲烷含量的测定和报警,而测量甲烷浓度的关键部分是该仪器的载体催化元件。下面分别从载体催化元件的工作原理和性能特点进行分析。

　　1　工作原理

　　催化燃烧型甲烷测定器载体催化元件检测甲烷浓度的原理如图(1)所示。

　　电桥桥臂中R₁为检测元件(又称催化元件),R₂为补偿元件。工作时,工作电流流过桥路,如无甲烷存在时,检测元件与补偿元件处于相等的温度条件之下R₁=R₂,这时由R₁、R₂、R₃、R₄等构成的电桥处于平衡状态,桥路平衡条件R₁/R₂=R₂/R₄成立,电桥的输出端V_out=0。R_o为零点微调电阻,主要用以调整仪器零点,消除原发性误差,使无瓦斯状态下,电桥平衡输出电压为零。当有甲烷气体存在时,元件处在可燃气体环境中,在催化作用下,甲烷在检测元件R₁表面发生无焰燃烧,产生热量Q,其反应方程式

　　反应产生的热量Q使检测元件本身温度上升。检测元件铂丝是电阻温度系数很高的热敏材料,检测元件的温度增量ΔT,将引起其电阻增量ΔR,即元件阻值增大,而补偿元件不与甲烷起反应,用于补偿电流,风速与环境温度的变化的影响,从而提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。因此,补偿元件表面温度没有出现上述变化,仍保持不变,故电阻阻值不变。检测电阻阻值发生了变化而补偿电阻阻值不变,破坏了电桥R₁/R₂=R₂/R₄的平衡条件,桥路输出V_out≠0,有信号输出,输出大小与测量电阻阻值变化大小有关,电阻阻值的变化大小与检测元件温升有关,温升大小又与甲烷浓度含量大小有关,因此可以实现对甲烷浓度大小的检测。

　　图中补偿电阻R₂′并联在补偿电阻R₂上,是为补偿检测元件R₁和补偿元件R₂热学性质上的差异,改善电桥的零点漂移。

　　2　载体催化元件性能特点及影响因素

　　2·1　双值性

　　空气中甲烷浓度低于9·5%时,甲烷能够充分燃烧,甲烷浓度越高,载体催化元件的电阻变化就越大。当空气中甲烷浓度高于9·5%时,甲烷不能够充分燃烧,甲烷浓度越高,载体催化元件的电阻变化就越小,这就是载体催化元件的双值性。因此,载体催化元件一般只用于低浓度的甲烷监测。

　　2·2　激活

　　在黑元件制造时,催化剂以Pd和PdO形式存在于载体上,催化活性较低。为使其具有较高的活性,通常在加热条件下通12%CH4进行活化处理,使PdO还原为Pd,这个过程被称为激活。但激活后的元件要经过老化和稳定性处理后才能出厂使用。