催化甲烷传感器老化方法的研究

张海庆

摘要：针对催化甲烷传感器老化方式费时费力，效率低下的缺点，本文设计一种新的老化方法，将催化甲烷传感器进行分开老化，老化后再组装进行测试，而且在老化的过程中还可剔除不合格元件，进一步保障产品可靠稳定性。实验结果表明，该方案不仅能够确保对产品可靠性的要求，而且还能减少人力物力、提高生产效率等的特点。

关键词：甲烷； 老化；传感器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）13-0265-02

在电子类行业，电子元器件通过生产制造后，形成了完整的产品。在生产过程中电子元器件随时可能因为各种原因而出现故障，老化就是让产品在出厂前，将缺陷提前暴露出来，进一步提高产品的可靠性。如果不进行老化，很多产品由于器件和制造的复杂性等原因在使用中会产生很多问题。在开始使用后的几小时到几天之内出现的缺陷称为早期故障，基本上所有产品在出厂前，均需要先进行老化后再测试，老化测试之后的器件基本上要求100%消除早期故障，通过在老化测试进一步以保证产品稳定可靠。

瓦斯是煤矿安全生产的大敌，曾多次给煤矿造成过重大损失[1]。为避免事故发生，在煤矿环境气体监测中，瓦斯监测是重中之重。目前，监测瓦斯气体设备根据检测原理，主要可分催化、热导、红外、激光四种。催化甲烷传感器在矿井中是应用最广泛，由于其检测原理及组成材料的特殊性，所以催化甲烷传感器的老化需要在通气的情况下进行[2]。催化甲烷传感器常规老化组装整机后在通电的情况下，每天通固定浓度的标准甲烷气体进行老化，在老化过程中，甲烷气体自然扩散排除，所以老化过程时间较长，而且扩散的气体存在安全隐患。针对此现象，本文提出对催化甲烷传感器老化方法进行研究。

1 催化甲烷传感器检测基本原理

催化甲烷传感器检测元件组成主要由测量元件黑元件和补偿元件白元件。测量元件用来监测甲烷浓度，由载体和催化剂构成。补偿元件无催化剂，主要是由铂丝组成的骨架。补偿元件处在与测量元件相同的工作环境中，起到对环境变化的补偿作用[3]。

催化甲烷传感器测量原理是当催化检测元件处于甲烷气体环境时，测量元件在与甲烷接触，表面发生无焰燃燒释放热量，燃烧的热量使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值就上升。补偿元件与测量元件结构相同，但是补偿元件上没有催化剂，在甲烷气体环境下不发生反应其温度不变，测量元件与补偿元件组成惠斯通电桥，通过电阻值变化，进一步导致惠斯通电桥失去平衡，通过采集输出电压信号，计算出甲烷浓度。甲烷的浓度跟催化元件的电桥电压变化成比例，从而测得甲烷的浓度。催化反应的方程式如下。

CH4+2O2→CO2+2H2O+Q（注：Q代表释放的热量）

2 催化甲烷传感器老化方案设计

本文设计老化方案是将传感器电路板和催化元件进行分开老化，催化元件批量进行老化，电路板采用常规高温老化，两部分老化后再进行整机测试。

电路板老化采用常规老化方式进行，主要包括PCB板及元器件，将其放入老化柜，升高温度经过一段时间后将电路板取出来进行测试。

催化元件老化采用催化元件老化柜进行批量老化，使用时通过计算机对老化柜进行设置，能实现对进气、筛选出不合格的载体催化元件和排气等操作，不仅能达到快速批量老化，而且在老化的过程中还可以剔除不满足条件的催化元件。

3 实验验证

根据本文的设计方案，进行实验平台搭建，将传感器电路板和催化元件分开老化，老化后进行组装，组装完成后再进行传感器连续15天的工作稳定性测试，验证该方案可行性。

电路板老化采用常规的老化方法，催化元件老化采用老化柜进行批量老化。催化元件老化柜由密封柜，采集模块及计算机等组成，使用时通过计算机对老化密封柜内的设备进行集中控制，密封柜内装有一块控制板和多块采集板，每块采集板上通过采集被老化探头的电压信号和一个催化元件信号，实现对催化甲烷元件老化及参数采集功能，其中控制板完成老化柜的搅拌风扇、进气阀、出气阀的控制等，结构框图如图2。

催化元件老化柜通过串口信号与计算机相连，计算机可实现对催化元件分析筛选功能和自动控制控制命令，每天通入老化柜0.3%～0.8浓度的甲烷气体，使其自行老化，待固定一段时间后，打开柜门排除气体即可，批量老化后，剔除不合格催化元件，组装样机完成后，抽取其中10台进行15天稳定性测试，通0.5%，1.5%，2%三种标准甲烷气体，连续15天稳定性测试，数据分布趋势如图所示，X方向为测试天数，Y方向测试显示值，不同测点形状代表传感器编号。

本次实验是将电路板与催化元件进行分开老化，因为催化元件老化周期较长，利用催化元件老化期间，对电路板进行焊接及老化操作。催化元件老化完成后，组装样机进行测试。从测试数据分布图上可知，15天的稳定性测试基本误差均满足行标要求[4]，实验结果表明，本方案不仅能够节约时间，还可节省人力物力，进一步提高产品可靠性的要求。

4 结束语

本文设计的方案不仅克服了传统老化方式费时费力，效率低下的缺点，还可在老化过程中剔除不合格元件，进一步保障产品可靠稳定性，具有减少人力物力、提高生产效率等的优点，提高了生产效率，该装置已实际应用在催化甲烷气体传感器的生产中，取得了很好的效果。

参考文献：

[1] 童敏明.催化传感器的研究与应用技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2002.

[2] 罗海珠.我国煤矿监测系统现状与发展方向[J].煤矿安全，2004（7）.

[3] 解悦.载体催化元件本质安全防爆安全性能的研究[D].煤炭科学研究总院，2014.

[4]《AQ6202-2006煤矿甲烷检测用载体催化元件》