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影响气体传感器的读数的因素之四:环境湿度

添加时间  :  2018-03-14 16:38:09
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导读: 大多数气体传感器对环境湿度是敏感的。湿度归根结缔就是气态水,水如果参与了化学变化或物理过程,那么传感器就有读数了;如果水在整个化学变化或物理过程中所起的作用很小,那么它所带来的影响就比较小了

环境湿度

  大多数气体传感器对环境湿度是敏感的。湿度归根结缔就是气态水,水如果参与了化学变化或物理过程,那么传感器就有读数了;如果水在整个化学变化或物理过程中所起的作用很小,那么它所带来的影响就比较小了。绝对不受湿度影响的气体传感器是不存在的。

  不同传感器的使用湿度范围是怎样的?

  催化燃烧传感器(LEL):

  LEL的使用湿度范围很宽,从0-100%RH都可以使用。在湿度高的情况下,电压输出会有些变化,一般不超过3%LEL

  电化学传感器(EC):

电化学传感器温度范围也比较宽,一般能够长期使用的范围是15%RH-85%RH。对EC传感器最有利的湿度是20时候的60%RH,此时的传感器内部电极表面如上图,黑色的催化剂一半在电解液里,一半在电解液外,可以和气体接触。

  非色散红外传感器NDIR):

  NDIR传感器的湿度范围在0%RH-90%RHNDIR传感器喜欢干,不喜欢湿,特别不能接触冷凝水。

  光离子化传感器(PID):

  PID传感器的湿度范围在0%RH-90%RHPID不怕干,但怕湿,这是绝大多数物理传感器的共性。和NDIR不同的是,在湿度高的时候,PID的读数会偏小,而不是偏大。

  金属氧化物半导体传感器(MOS):

  MOS传感器的湿度性能可以说是相当糟糕的,在0%RH-90%RH范围之内,可能会有10%以上的偏移。

  环境温度是如何影响气体浓度测量结果的?

  催化燃烧传感器(LEL):

  湿度高的空气会改变催化珠表面的温度,从而导致传感器输出的电压会有少量的改变,改变量一般不到1mV

  电化学传感器(EC):

 如上图,当湿度小于15%RH的时候,如果长期使用,传感器内电解液逐渐失水,催化剂慢慢变干,气体催化的效率和离子转移的效率会变低。所表现出来的现象就是:灵敏度变低,响应时间变长,回零时间变长,整个测量过程变得不可控。这时,传感器就失效了,需要更换。

如上图,当湿度大于85%RH的时候,如果长期使用,传感器内部电解液会逐渐吸水,催化剂慢慢被电解液漫过,催化剂很难接触到气体,气体催化的效率会变低。所表现出来的现象就是:灵敏度变低,响应时间变长,严重的,电解液吸水过多会漫出传感器。这时,传感器就失效了,需要更换。

非色散红外传感器NDIR):

  NDIR传感器可以长期在0%RH环境里工作,但不能长期在85%RH湿度以上工作。其主要原因是NDIR传感器内部都是电子元件,如果湿度高,电子元器件容易短路而损坏。

另外一方面,气态水的红外吸收峰很宽,很多气体如果用红外传感器测量,很容易受到干扰,而使读数偏高。上图中的甲烷气体的测量就容易受到干扰,而CO2测量就不容易受到干扰。因此,NDIR原理的CO2传感器的湿度性能比CH4传感器好很多。

  光离子化传感器(PID):

PID的湿度漂移是因为水蒸气吸收了一部分紫外光子,使得被电离的被测分子变少了,因此流过电路的电子就变少了,继而测得的电流也就少了,最终所得到的读数就变小了。湿度的问题是PID原理本身无法克服的,如果要很好的湿度性能,还需要做湿度补偿。

  金属氧化物半导体传感器(MOS):

  MOS传感器的湿漂,其根本原因是催化剂的性能和硅片上的PN结的电阻会随着湿度变化而变化。这也是MOS传感器一直用在民用领域,而不能进入工业领域的原因之一。

  如何消除环境温度带来的影响?

  催化燃烧传感器(LEL):

  一般不需要湿度补偿,湿度对读数的影响一般在3%LEL之内。

  非色散红外传感器(NDIR):

  如果是测CH4,读数正偏差可能在3%LEL-5%LEL之间,有湿度补偿最好,没有也可以通过消防认证。如果测CO2或其它毒气,就不需要湿度补偿了。

  如果所测量的气体浓度非常低,例如PPM级别,那么就不是仅仅需要湿度补偿的问题了,而是需要降湿度。

  光离子化传感器(PID):

  如果所测气体浓度是PPM级浓度的,不用湿度补偿问题不大,湿度所造成的偏差远远小于PID本身的长期稳定性所带来的偏差。

  如果所测气体浓度是PPB级浓度的,最好还是用湿度补偿。

  金属氧化物半导体传感器(MOS):

必须做湿度补偿,但从实际应用上,没有人会为MOS传感器的读数做湿度补偿,因为湿度传感器的价格比MOS传感器本身贵10倍以上。如果湿度性能不合适,用户一般会用其它技术类型的气体传感器替代MOS传感器。 


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