張傳遠(yuǎn) 于同珍 蘇雪蓮

(濱州市計(jì)量測(cè)試檢定所,濱州 256606)

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種有害化學(xué)品、易燃、易爆氣體的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)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(huì)引起中毒、火災(zāi)和爆炸等重大事故。氣體報(bào)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(shí)，具有報(bào)警功能的裝置。在實(shí)際使用中，報(bào)警器設(shè)定報(bào)警下限為報(bào)警點(diǎn)，一旦發(fā)生泄漏，氣體濃度達(dá)到報(bào)警下限(報(bào)警點(diǎn))報(bào)警器會(huì)立刻報(bào)警，并斷開電源，同時(shí)打開通風(fēng)系統(tǒng)，使人員能夠在一定時(shí)間內(nèi)處置險(xiǎn)情。報(bào)警器在使用過程中的準(zhǔn)確可靠性，將直接關(guān)系到人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全和自然環(huán)境的污染等嚴(yán)重問題。因此研究氣體報(bào)警器的工作原理、性能及應(yīng)用,確保其檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠和及時(shí)報(bào)警是十分必要的。

常用氣體報(bào)警器按所使用的傳感器主要分為電化學(xué)型[1]、半導(dǎo)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(bào)警器

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

紅外線型氣體報(bào)警器的測(cè)量靈敏度和精度較高、穩(wěn)定性好、抗交叉氣體干擾能力強(qiáng),可以有效地分辨出氣體的種類，準(zhǔn)確測(cè)定氣體濃度；但維護(hù)較為復(fù)雜,價(jià)格昂貴,適合實(shí)驗(yàn)室使用。

紅外線型氣體報(bào)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(yàn)測(cè)定。目前這類傳感器的供應(yīng)商基本在歐洲發(fā)達(dá)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(dǎo)體型氣體報(bào)警器

半導(dǎo)體型氣體報(bào)警器是利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料吸附氣體后,其電阻率顯著變化的特點(diǎn),將半導(dǎo)體型氣體傳感器作為敏感元件,檢測(cè)氣體含量[2]。要求其敏感元件恒溫在200℃左右時(shí)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(bào)警器價(jià)格低廉,并且不易損壞，一般使用壽命可達(dá)5年。塵埃、硫化氫、硅烷等一般不易造成傳感器中毒，這一點(diǎn)是電化學(xué)氣體傳感器和催化燃燒型氣傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體型傳感器還可以實(shí)現(xiàn)“獨(dú)一選擇性”，如半導(dǎo)體一氧化碳傳感器就只對(duì)一氧化碳敏感，但極其昂貴的電化學(xué)一氧化碳傳感器卻不具備此功能。

半導(dǎo)體型氣體報(bào)警器缺點(diǎn)是設(shè)定的報(bào)警值容易發(fā)生漂移,運(yùn)行時(shí)受外界環(huán)境影響較大。當(dāng)溫度、濕度甚至風(fēng)變化較大時(shí),對(duì)其精確測(cè)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(bào)。因此半導(dǎo)體型氣體報(bào)警器不適用于精度要求較高、溫差變化較大的環(huán)境場(chǎng)合。

半導(dǎo)體型氣體報(bào)警器的缺點(diǎn)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(yàn)測(cè)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(bào)警器

催化燃燒型氣體報(bào)警器的傳感器,有一對(duì)催化燃燒型檢測(cè)元件,其中一個(gè)元件對(duì)燃燒氣體非常敏感(該元件上涂有多層催化劑),另一個(gè)元件不敏感,用于補(bǔ)償環(huán)境溫度變化，這一對(duì)檢測(cè)元件與另一對(duì)高精度電阻構(gòu)成惠斯登電橋。當(dāng)燃燒氣體接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí),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(huì)引燃外界可燃?xì)怏w),氣體燃燒時(shí)釋放出熱量,導(dǎo)致鉑絲溫度升高 (可達(dá)400～500℃),使其電阻值發(fā)生變化,造成電橋失衡,產(chǎn)生電信號(hào)。傳感器將此模擬信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),在濃度指示儀上顯示,達(dá)到一定濃度時(shí),連接的報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警。

催化燃燒型氣體報(bào)警器對(duì)低于氣體爆炸下限濃度的氣體,其輸出信號(hào)接近線性,穩(wěn)定性好，計(jì)量準(zhǔn)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(yàn)方面使用范圍廣。但是催化燃燒型氣體報(bào)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(jī)蒸氣對(duì)傳感器都有毒化作用。此外當(dāng)檢測(cè)氣體中含有硫化物、氯化物、氫氣等時(shí),對(duì)檢測(cè)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(xué)型氣體報(bào)警器

電化學(xué)型氣體報(bào)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(yàn)測(cè)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(gè)電極,即工作電極、對(duì)電極和參比電極。工作時(shí)施以一定的極化電壓,被測(cè)氣體透過多孔四氟乙烯薄膜到達(dá)工作電極,發(fā)生氧化還原反應(yīng),傳感器此時(shí)輸出相應(yīng)的電流,此電流與被測(cè)氣體的濃度呈一定的函數(shù)關(guān)系,這個(gè)電流信號(hào)經(jīng)采樣變?yōu)殡妷盒盘?hào)放大后,經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)化電路,將變化的電壓信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)輸出給主機(jī),驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行裝置,完成聲、光和電等檢測(cè)與報(bào)警功能。

電化學(xué)型氣體報(bào)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(xué)傳感器作為敏感元件,無需加熱,非常適用于低功耗的檢測(cè)電路，采用電池供電;在低濃度下線性較好,有很好的線性測(cè)量范圍以及很高的選擇性;抗交叉氣體干擾能力很強(qiáng)。使用期限一般為3年,也有5年或更長時(shí)間。目前大多數(shù)氣體報(bào)警器采用電化學(xué)式傳感器，其缺點(diǎn)是電化學(xué)型氣體報(bào)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(huì)影響其靈敏度和壽命,甚至?xí)?另外價(jià)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(dá)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(xué)型傳感器研究方面開始的也比較早，但是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相對(duì)較慢。

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

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

[3] JJG 693-2004 可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器檢定規(guī)程[S].