常用氣體報警器的工作原理、性能及應(yīng)用

張傳遠 于同珍 蘇雪蓮

(濱州市計量測試檢定所,濱州 256606)

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種有害化學品、易燃、易爆氣體的應(yīng)用范圍在不斷擴大。這些有害、易燃、易爆氣體在生產(chǎn)和使用中如果發(fā)生泄漏將會引起中毒、火災(zāi)和爆炸等重大事故。氣體報警器是預(yù)防有毒、有害，易燃，易爆氣體在生產(chǎn)和使用過程中發(fā)生泄漏時，具有報警功能的裝置。在實際使用中，報警器設(shè)定報警下限為報警點，一旦發(fā)生泄漏，氣體濃度達到報警下限(報警點)報警器會立刻報警，并斷開電源，同時打開通風系統(tǒng)，使人員能夠在一定時間內(nèi)處置險情。報警器在使用過程中的準確可靠性，將直接關(guān)系到人們的生命、財產(chǎn)安全和自然環(huán)境的污染等嚴重問題。因此研究氣體報警器的工作原理、性能及應(yīng)用,確保其檢測數(shù)據(jù)準確可靠和及時報警是十分必要的。

常用氣體報警器按所使用的傳感器主要分為電化學型[1]、半導體型[2,3]、催化燃燒型[2，3]、紅外線吸收型[3]4種類型。

1 紅外線型氣體報警器

紅外線型氣體報警器利用不同氣體對紅外光選擇吸收的特點,將一束紅外光線同時分別穿過比較室(內(nèi)裝特定氣體)與測量室(內(nèi)部流過待測氣體)，由于穿過測量室特定波長的光波被吸收,使兩束光波的光強度產(chǎn)生差異,最后由電容微音器把光強度差異轉(zhuǎn)換成電信號輸出,檢測出氣體濃度。

紅外線型氣體報警器的測量靈敏度和精度較高、穩(wěn)定性好、抗交叉氣體干擾能力強,可以有效地分辨出氣體的種類，準確測定氣體濃度；但維護較為復(fù)雜,價格昂貴,適合實驗室使用。

紅外線型氣體報警器主要用于二氧化碳、甲烷、氮氧化物、一氧化碳、氨氣的檢驗測定。目前這類傳感器的供應(yīng)商基本在歐洲發(fā)達國家，中國在這一技術(shù)領(lǐng)域自2008年開始迅速發(fā)展。

2 半導體型氣體報警器

半導體型氣體報警器是利用一些金屬氧化物半導體材料吸附氣體后,其電阻率顯著變化的特點,將半導體型氣體傳感器作為敏感元件,檢測氣體含量[2]。要求其敏感元件恒溫在200℃左右時能快速響應(yīng),因此需要給其增加電熱絲加熱,并提供比較大的電流。

此類報警器價格低廉,并且不易損壞，一般使用壽命可達5年。塵埃、硫化氫、硅烷等一般不易造成傳感器中毒，這一點是電化學氣體傳感器和催化燃燒型氣傳感器所不能實現(xiàn)的。半導體型傳感器還可以實現(xiàn)“獨一選擇性”，如半導體一氧化碳傳感器就只對一氧化碳敏感，但極其昂貴的電化學一氧化碳傳感器卻不具備此功能。

半導體型氣體報警器缺點是設(shè)定的報警值容易發(fā)生漂移,運行時受外界環(huán)境影響較大。當溫度、濕度甚至風變化較大時,對其精確測量有較大影響;容易受到酒精、氮氧化物、氫氣、烷類等氣體的交叉干擾,發(fā)生誤報。因此半導體型氣體報警器不適用于精度要求較高、溫差變化較大的環(huán)境場合。

半導體型氣體報警器的缺點可以有效用于甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醛、一氧化碳、煤氣、硫化氫、氨氣、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等多種氣體的檢驗測定。目前這類傳感器的主要供應(yīng)商在日本，其次是中國、瑞士、韓國等國家。

3 催化燃燒型氣體報警器

催化燃燒型氣體報警器的傳感器,有一對催化燃燒型檢測元件,其中一個元件對燃燒氣體非常敏感(該元件上涂有多層催化劑),另一個元件不敏感,用于補償環(huán)境溫度變化，這一對檢測元件與另一對高精度電阻構(gòu)成惠斯登電橋。當燃燒氣體接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時,在催化劑的作用下敏感元件發(fā)生氧化反應(yīng),催化燃燒(阻燃,不會引燃外界可燃氣體),氣體燃燒時釋放出熱量,導致鉑絲溫度升高 (可達400～500℃),使其電阻值發(fā)生變化,造成電橋失衡,產(chǎn)生電信號。傳感器將此模擬信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,在濃度指示儀上顯示,達到一定濃度時,連接的報警裝置發(fā)出報警。

催化燃燒型氣體報警器對低于氣體爆炸下限濃度的氣體,其輸出信號接近線性,穩(wěn)定性好，計量準確，響應(yīng)迅速，使用壽命較長。另外，傳感器的輸出與環(huán)境的爆炸傷害直接相關(guān)，在安全檢驗方面使用范圍廣。但是催化燃燒型氣體報警在可燃性氣體規(guī)模內(nèi)，無選擇性。暗火工作，有引燃爆炸的傷害，大多元素有機蒸氣對傳感器都有毒化作用。此外當檢測氣體中含有硫化物、氯化物、氫氣等時,對檢測精度影響也較大。

目前這類傳感器的主要供應(yīng)商在中國、日本、英國。目前中國是這類傳感器的最大用戶(煤礦)，并且擁有最好的傳感器生產(chǎn)技能。

4 電化學型氣體報警器

電化學型氣體報警器主要使用原電池型氣體傳感器和恒電位電解型氣體傳感器兩大類。

4.1 原電池型氣體傳感器

原電池型氣體傳感器也稱加伏尼電池型氣體傳感器、汽油電池型氣體傳感器、自覺電池型氣體傳感器，其工作原理類似電池，只是電池的碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧在陰極被還原，電子經(jīng)由過程電流表流到陽極，在那里鉛金屬被氧化。電流的大小與氧氣的液體濃度直接相關(guān)。這類傳感器可以有效地檢驗測定氧氣、二氧化硫、氯氣等。

4.2 恒電位電解型氣體傳感器

恒電位電解型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)是在電解池內(nèi)安裝3個電極,即工作電極、對電極和參比電極。工作時施以一定的極化電壓,被測氣體透過多孔四氟乙烯薄膜到達工作電極,發(fā)生氧化還原反應(yīng),傳感器此時輸出相應(yīng)的電流,此電流與被測氣體的濃度呈一定的函數(shù)關(guān)系,這個電流信號經(jīng)采樣變?yōu)殡妷盒盘柗糯蠛?經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)化電路,將變化的電壓信號變?yōu)殡娏餍盘栞敵鼋o主機,驅(qū)動不同的執(zhí)行裝置,完成聲、光和電等檢測與報警功能。

電化學型氣體報警器體積小、重量輕，且具有較高的靈敏度，采用零功耗電化學傳感器作為敏感元件,無需加熱,非常適用于低功耗的檢測電路，采用電池供電;在低濃度下線性較好,有很好的線性測量范圍以及很高的選擇性;抗交叉氣體干擾能力很強。使用期限一般為3年,也有5年或更長時間。目前大多數(shù)氣體報警器采用電化學式傳感器，其缺點是電化學型氣體報警器如果長期暴露在無氧氣體樣品、酒精、油漆等刺激性溶劑中會影響其靈敏度和壽命,甚至會失效,另外價格較貴。

目前這類傳感器的供應(yīng)商遍布全球，主要在德國、日本等發(fā)達國家，近幾年新加入的供應(yīng)商有英國、瑞士等。中國在電化學型傳感器研究方面開始的也比較早，但是產(chǎn)業(yè)化進程相對較慢。

[1] JJG 695-2003 硫化氫氣體檢測儀檢定規(guī)程[S].

[2] JJG 915-2008 一氧化碳檢測報警器檢定規(guī)程[S].

[3] JJG 693-2004 可燃氣體檢測報警器檢定規(guī)程[S].