瓦斯烟雾传感器工作原理

瓦斯烟雾可燃气体传感器的使用可分为瓦斯泄漏的检出及浓度的测定，瓦斯取样分析。
一般瓦斯传感器可分为接触燃烧式、半导体式、热传导式热阻体式三种传感器。现将其特性简述于后：
1. 接触燃烧式瓦斯传感器
此传感器近年来在炭坑内的沼气检出，都市管路瓦斯、筒装瓦斯、液化天然瓦斯、各种化学工厂等公共安全的需要，能确实安定检出并具有急速响应特性。接触燃烧式瓦斯传感器对瓦斯的输出感度不大，所以将瓦斯检知组件RD和密闭于纯空气中或做对瓦斯不感测的补偿组件RC，如图1 所示构成的桥式电路，调整R1，R2使当RD组件周围空气中无瓦斯时，
RDR2 = RCR1则输出端＋、－间输出为0，瓦斯浓度为0%。

图1 桥式电路

当RD 周围瓦斯浓度渐高时，RD组件因开始接触燃烧以致温度上升，电阻变成RD+△R，输出端＋，－间流过△R 成分的电流。此△R和瓦斯浓度成正比，所以在输出端接上检流计即可读出瓦斯浓度。输出端 接到瓦斯浓度设定电路，超过设定值警报器发出声响。
2. 半导体式瓦斯传感器
半导体瓦斯传感器为利用半导体表面吸着瓦斯时导电率会变化而做成，材质有SnO2，ZnO，Fe2O3 等。半导体式传感器在动作原理、材料选定、处理工程等不明点还很多。最近的研究发现氧化金属在低温会发生结晶成长。本类型传感器在低温动作时也发生结晶成长,结晶分子的膨胀引起的特性变化，可能是寿命短的原因。半导体式瓦斯传感器的输出感度随形式而不一样。工业用的一般输出低。应用电路如图1 之桥式电路，电导度随着有无附着瓦斯而改变，而将输出取出。接着介绍实际商品化的半导体传感器。

一般特性：
TGS813具有良好灵敏度和侦测气体范围广的特性，TGS工作点设计在5V加热电源，而电路电压不超过24V，TGS813最适合应用在
测试甲烷、丙烷和天然气，因为它具有室内感应最佳的传感器。TGS813加温期最短，而可使用最久。TGS813具有最低的杂气感应能力减少不必要的瓦斯警报。
TGS813电路最特殊的地方是在维护电压固定在24V和稳热电压5V。这设计电压额定值的规格很特别，因为它零件可用范围很宽广，这样可使成本降低，而可靠性提升，因为它对甲烷、丙烷和天然气具有高感测度，所以TGS813对城市瓦斯和LPG 监视极为实用，同时短而稳定的初始期和高可靠度的特性，FIGARO TGS813成为瓦斯传感器的最新代表。
(1) TGS 813 的结构：

图2 TGS 813 结构

图3 TGS 813 方块图

图4 TGS 813 外型尺寸

图2 和4 是TGS 813 传感器结构图。
TGS813 其体积如烟头般大小，主要的组成组件是二氧化锡半导体，这半导体物质和电极组合一圆形管状壳内。热丝线圈位于陶瓷盒内，线圈直径为60毫米有30M阻抗。传感器金质电极导线直径为80micron，灯丝和导线被接到传感器7支接脚的小插座上，这接脚可以站立，力量超过5公斤。检测器基座和盖子是由耐隆66 和UL94HB 标准物质组成，耐温可超过摄氏240度。检测器的上盖和下盖是由100 mesh的双层钢SUS316盖起，单独测试确定mesh可防止内在的火花产生，防火盖为一氢2，氧1 组合的混合物。

(2)基本测量电路：
图5为TGS813基本的测试电路，TGS检测器阻抗的改变，间接的改变将出现在负载电阻RL上，新鲜空气通过检测器和串联电阻的电流极稳定，但是当瓦斯气体如甲烷、丙烷等接触到检测器表面时，由于瓦斯浓度的出现，检测器阻抗立即降低，而由AC(交流)或直流电源电压所提供的电压VC和VH 在RL上所产生的电压则是相同，电路中所用到的电压、电流值如下述。我们觉得此电路极适合TGS 813，因为很容易就可测量到输出信号，然而当测量电路中VRL输出电压时，借由下列公式得到RS 值，

用此方法，其它的数据均将用到您所测得的结果将非常标准，关于TGS813的性能从FIGARO可得到有用的工程数据。

图5 TGS813测试电路
(3)电路结构：
TGS813 检测器的安全操作范围如上述，Vc，VH和RS值不能超过，检测器最大消耗电力为15毫瓦，Vc，Rc值选择成默认值，Vc实际值为5、6、12或24伏，必须由电池或交流电源提供。当用基本电路RS变为最大或RS=RL时我们建议RS 值应保持在15毫瓦，因此，必须小心地决定Vc和Rc值，这样RS值才不会超过 最大值。

传感器消耗功率：最大. 15mW
额定电压：最大. 24V
电热丝电压：5.0V ±0.2V

3. 热阻体瓦斯传感器
利用热阻体组件的热传导式瓦斯检知方式为日本通产省工业技术院资源技术试验所。由传感器厂商、机器厂商共同开发，先当做坑内携带用沼气检知警报器，后来又用于都市管路瓦斯，液化天然瓦斯等检出，是可靠度极高的瓦斯传感器。热阻体瓦斯察觉器当检知部使用而实用化时有下列困难。
1.必须将热阻体组件的长期变化降到可忽视的程度。
2.为克服上述1.的缺点，瓦斯检知用组件和补偿用组件的热损失必须不影响其实用性。
3.热阻体式瓦斯检知装置在常温常压时，因水蒸气的热传导率为沼气的77%，所以易受湿度的影响，不可不重视。

现将三种传感器之特点做一介绍：
接触燃烧式瓦斯察觉器基本上有以下特点。
1.只检出可燃性瓦斯。输出为线性。
2.对温度、湿度安定。
3.使用初期即可安定，再现性佳。
但也有以下的缺点：
1.触媒有寿命限界。不同的环境劣化程度不一样，寿命也不一定，但可推定其概略值。
2.触媒种类中有因水分引起急速劣化的，各厂商的产品不一样，要根据预定使用场所做一番调查再决定。
3.超过爆发上限(HEL)浓度的瓦斯无法燃烧而使输出减少。使用于此种地反易发生危险要特别注意。
半导体式基本上有以下特点。
1.感度敏锐输出呈蓝密尔曲线(Langmuir curve)。而且在爆发下限(LEL)以下很低的浓度就饱和。但LEL 以上无法检出，也算是缺点。
2.输出大所以检测警报电路简单
3.ZnO系随着所使用活性触媒的种类而可对受测瓦斯种类做某种程度的选择。SnO₂系随着动作温度的改变而可对受测瓦斯种类做某种程度的选择。
另一方面，有以下缺点。
1.易受温度、湿度的影响(贮藏中也一样)，尤其湿度引起劣化要特别注意。
2.特性偏差大，再现性低。
3.安定性稍差，可靠性差。
热阻体瓦斯察觉器有以下的特点。
1.基本上组件不劣化。
2.容易做成本质安全防爆构造，所以安全。
3.可检知瓦斯浓度到100%，输出为线性。
4.可检知不燃性瓦斯。
5.加热电力极小(约20mW)，小型，轻，可携带。
另外一方面，有以下缺点。
1.环境温湿度急变时，易引起输出的零点漂移(因电力小，低操作温度所造成)。
2.不易测定热传导的瓦斯。
3.混合瓦斯时，在杂瓦斯浓度变化大的地点，有向危险侧误动作的可能性。