载体催化元件

载体催化元件是以作载体，由一个载体上涂催化剂作敏感元件(俗称黑元件)，另一个载体上不涂催化剂作补偿元件(俗称白元件)构成。黑、白元件的载体上都附有铂丝，结构和尺寸都相同，物理性能也基本相同。铂丝用于通电加热两元件，维持瓦斯催化燃烧反应所需温度，同时又兼作感温元件。

瓦斯在载体催化元件上的反应是一种气固相催化反应过程，即为多相催化。多相催化反应是在固体催化剂的表面进行，即把反应物吸附在催化剂表面上，并在催化剂表面上发生反应，其反应物也吸附在表面上。为了使载体催化反应能连续不断地在表面上发生，产物必须不断地从表面上解析出来。 载体催化元件使用Pt、Pd等金属催化剂。Pt、Pd等过渡金属元素是较好的加氢脱氢催化剂，可以化学吸附甲烷，使甲烷离解，一般称为离解化学吸附，即:

式中:M—表面金属原子。

甲烷是饱和烃，在金属催化剂上吸附保留时间极短，属难氧化气体。由于离解化学吸附作用，使甲烷分子的价键力发生变化，降低了反应活化能，产生催化反应。因此，采用载体催化元件检测瓦斯时，只要维持甲烷一空气混合气体中有足够量的氧，并维持一定的高温条件，就会在元件表面产生无焰燃烧。甲烷氧化过程如下:

催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值。根据电阻值的变化可以得到一个与瓦斯浓度关联的电信号。

设铂丝线圈电阻值的变化量为，则

如果气敏 传感器的结构、材料已确定，而被测气体的种类又是固定不变，则气敏传感器的电阻变化量与被测气体的浓度成正比，即 　　　　　　　　　　　　　　　

从上式看出，只要测出传感器的电阻变化量，便可以测得可燃气体的浓度。

选择载体催化元件(敏感元件)时，主要从以下几个方面来衡量。

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元件活性是指甲烷被吸附在敏感元件表面进行无焰燃烧时，氧化燃烧的速率。元件活性高，可以得到较高的电信号输出。

元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规定的连续工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工作性能越稳定。

元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规定值的时间。

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某些物质强烈地吸附在催化剂上，使催化剂活性减小或消失的现象称为催化剂中毒。硫的化合物()、磷的化合物()对铂、把催化剂有中毒作

用。

例如，与Pd反应生成PdS，即:

PdS为棕黑色固体物质，附在催化元件上，使其灵敏度下降。元件中毒程度与毒物数量和中毒时间成正比。有些矿井存在和气体，在爆破作业中也会释放出气体。在中毒物质较多的矿井中使用载体催化元件时，可以选用抗中毒元件，也可以采取一些防止元件中毒的措施，如定期往进气室窗口上刷一些氢氧化钠溶液以阻止等气体进入气室，或者利用氢氧化钠和活性碳吸收剂吸附等中毒物质。为了防止吸收剂长时间使用失效，要注意定期更换。

反应速度是敏感元件的一个重要指标，特别是当元件应用到各种运动机械上时更为突出，包括响应时间和恢复时间。响应时间指空气中的甲烷浓度变化时，敏感元件输出信号达到输出信号最大值90%时的反应时间。恢复时间指在新鲜空气中，敏感元件输出电信号回零时的时间。

在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，敏感元件的反应速度由两个因素决定，一是元件的时间常数:，二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常数:

可由式2-10确定:

式中:

通过对上式的分析，合理的选择元件参数，提高敏感元件的反应速度。

本设计中，敏感元件采用郑州炜盛 电子MJC4/2.8J催化燃烧式气敏元件，它的工作电压为2.8V，工作电流为90mA，具有低功耗的特点。

MJC4/2.8J型气敏元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的其中两个桥臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变量，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起温度补偿作用。

桥路输出电压呈线性;响应速度快;具有良好的重复性、选择性;元件工作稳定、可靠;抗中毒。

在空气中每年漂移小于，在1%CH4中每年漂移小于12mV。短期存储(两周内)30分钟即可稳定，如长期存储(1年)，则需老化5小时才稳定。