【摘要】本文詳細(xì)論述了氣體檢測(cè)傳感器的種類及其工作原理。通過靜態(tài)方程的推導(dǎo)分析傳感器的工作特性，例如檢測(cè)范圍、補(bǔ)償電阻的作用等問題予以解釋。以及可燃?xì)怏w傳感器在油庫(kù)原油儲(chǔ)罐消防報(bào)警中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】可燃?xì)怏w；火災(zāi)報(bào)警；傳感器

Combustible gas sensor application in giving an alarm in crude oil storage tank fire control

Feng Cuicui

（SINOPEC Pipeline Transport Sub-company Huangdao oil storage，Qingdao，Shandong，266500）

Abstract：This paper introduces the principle and characteristics of combustible gas sensor . According to deducing the static equation we can understand the performance characteristics ， such as detection range and And combustible gas sensor application in giving an alarm in crude oil storage tank fire control

Keywords：Combustible gas；Fire alarm；Sensor

1、引言

石油、石化等工業(yè)環(huán)境中可燃或有毒氣體泄露，氣體探測(cè)器檢測(cè)到氣體濃度達(dá)到爆炸或報(bào)警器設(shè)置的臨界點(diǎn)時(shí)，報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以提醒工作人員采取安全措施，防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)、中毒事故的發(fā)生，從而保障安全生產(chǎn)。

2、氣體檢測(cè)傳感器的種類

氣體傳感器如從檢測(cè)原理上分，大體上可分為三大類：

（1）利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如半導(dǎo)體式（表面控制型、體積控制型、表面電位型）、催化燃燒式、固體熱導(dǎo)式等；

（2）利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱傳導(dǎo)式、光干涉式、紅外吸收式等；

（3）利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固體電解質(zhì)式等。

工業(yè)報(bào)警器因?yàn)樾枰康臏y(cè)量，所以多選用催化燃燒傳感器和電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器一般只是應(yīng)用到定量測(cè)量毒性氣體的場(chǎng)合，而對(duì)于可燃?xì)怏w的泄露，一般都采用催化燃燒傳感器。催化燃燒傳感器的優(yōu)點(diǎn)：1、對(duì)可燃?xì)怏w下限以下氣體濃度的測(cè)量，其輸出呈線性；2、對(duì)于爆炸下限以下濃度測(cè)量時(shí)，能輸出數(shù)十毫伏的電信號(hào)，靈敏度高。

3、催化燃燒傳感器工作原理及工作特性

催化燃燒式可燃?xì)怏w報(bào)警器的探頭是由一對(duì)催化燃燒式檢測(cè)元件組成。其中測(cè)量元件由帶孔的金屬罩保護(hù)，對(duì)可燃?xì)怏w非常敏感，該元件上涂有多層催化劑，鉑絲線圈對(duì)催化劑進(jìn)行加熱，使可燃?xì)饨佑|元件后達(dá)到一定的氧化狀態(tài)，同時(shí)把可燃?xì)怏w在催化劑作用下無焰燃燒生成的熱量檢測(cè)出來。補(bǔ)償元件由金屬罩密封，對(duì)可燃?xì)獠幻舾校幵谂c檢測(cè)元件相同的工作環(huán)境，起著對(duì)非可燃?xì)怏w環(huán)境變化（環(huán)境溫度變化、濕度變化、風(fēng)速變化以及電源電流電壓變化）而引起的催化元件阻值變化補(bǔ)償作用。其測(cè)量原理圖如圖1：

傳感器工作時(shí)，在恒流源作用下，有電流流過電橋四個(gè)臂。無可燃?xì)怏w時(shí)，電橋輸出平衡；有可燃?xì)怏w時(shí)，可燃?xì)怏w與氧氣在測(cè)量元件表面進(jìn)行無焰燃燒，放出熱量被元件吸收引起元件溫度升高，使鉑絲電阻增大，這樣就破壞原來電橋平衡，輸出一個(gè)與可燃?xì)怏w濃度成正比的電信號(hào)，然后將此信號(hào)送入放大電路放大，軟件校準(zhǔn)后計(jì)算電壓，并通過電壓比較器與預(yù)設(shè)值比較，最終判斷是否報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)測(cè)。其原理框圖如圖2：

圖2 可燃?xì)怏w報(bào)警器原理框圖

載體熱催化元件是利用甲烷與氧氣在元件表面反應(yīng)的熱效應(yīng)來檢測(cè)甲烷濃度的。元件在工作過程中的熱力學(xué)關(guān)系決定了它的工作特性，工作時(shí)元件置于檢測(cè)氣室中，通工作電流，對(duì)于補(bǔ)償元件由于工作電流加熱功率轉(zhuǎn)換后所獲得的熱量Q。

補(bǔ)償元件損耗的熱量，包括周圍空氣帶走的熱量Q1，元件向周圍空間輻射散熱Q2，元件鉑絲通過引線傳導(dǎo)散熱Q3，設(shè)環(huán)境溫度為T0，補(bǔ)償元件溫度為Ti，熱導(dǎo)功率與溫度梯度成正比，與熱導(dǎo)面積成反比。

式中α1、α2——分別為空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)和鉑絲的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

S1、S3——分別為元件和鉑絲的截面積；

Ti、T0——分別為元件的溫度和環(huán)境的溫度；

A——輻射系數(shù)；

δ——斯芯潘常數(shù)，δ=5.6686×10-12。

補(bǔ)償元件達(dá)熱平衡時(shí)，

對(duì)于測(cè)量元件，由于有甲烷產(chǎn)生燃燒，產(chǎn)生反應(yīng)熱，電阻也有一個(gè)相應(yīng)的增加量，設(shè)鉑電阻的溫度系數(shù)為αt，監(jiān)測(cè)元件作為絕對(duì)黑體處理，A=1，而，故測(cè)量元件熱平衡方程：

式中αt——金屬絲電阻溫度系數(shù)；

——元件獲得的熱量；

——甲烷燃燒生成的熱量；

——引起的溫升；

——引起的電阻變化；

I——元件通過的電流；

R——元件通過的電阻。

由上式可見，熱傳導(dǎo)和熱輻射是工作元件的熱損耗。它們的情況決定了元件工作特性。隨著加熱電流的增加，元件溫度逐漸上升，開始輻射熱較小，熱傳導(dǎo)損耗是耗熱的主要部分。由于輻射熱與溫度4次方成正比，隨溫度升高，輻射散熱所占的比重逐漸增大。當(dāng)溫度升高到400℃以后，輻射散熱超過傳導(dǎo)熱而成為主要部分。溫度繼續(xù)升高，輻射熱迅速增加，當(dāng)溫度超過620℃時(shí)，由于輻射散熱作用，元件溫度進(jìn)一步增加就比較困難。溫度620℃對(duì)應(yīng)甲烷濃度是4%（工作電流0—340mA）。因此，4%以后濃度再增加，元件輸出的增加量將明顯減少，這就引起元件對(duì)高濃度CH4進(jìn)行檢測(cè)時(shí)呈非線性，誤差大。

4、可燃?xì)怏w傳感器在油庫(kù)原油儲(chǔ)罐消防報(bào)警中的應(yīng)用

可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要是針對(duì)可燃?xì)怏w濃度的異常升高進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，顯示濃度變化并進(jìn)行報(bào)警。由可燃?xì)怏w傳感器和控制卡組成[1]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

圖3 可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，可燃?xì)怏w傳感器分別布設(shè)在各個(gè)探測(cè)點(diǎn)上，控制卡接收傳感信號(hào)，并做數(shù)據(jù)處理，輸出兩級(jí)報(bào)警控制信號(hào)，一路提供給顯示儀表進(jìn)行聲光報(bào)警，一路提供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。

根據(jù)可燃?xì)怏w傳感器的工作原理，制成可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度變化、顯示并進(jìn)行超限報(bào)警，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于原油儲(chǔ)罐消防火災(zāi)可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)中，其安裝應(yīng)用如下：

某油庫(kù)管轄著38座儲(chǔ)油罐，29臺(tái)輸油泵，幾百個(gè)閥門。擁有消防控制子站4座，總控制室1座。消防自動(dòng)控制系統(tǒng)PLC采用Siemens公司的S7-300系列，操作站用HMI接口軟件為Citect 6.0。

在原油儲(chǔ)罐罐前閥、2個(gè)攪拌器、排污口，輸油泵進(jìn)、出口距離5米處安裝可燃?xì)怏w傳感器，共220余路，對(duì)原油儲(chǔ)罐、輸油泵可燃?xì)庑孤┻M(jìn)行監(jiān)控[2]。傳感信號(hào)傳入消防自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有聲光報(bào)警功能，操作人員確認(rèn)后啟動(dòng)消防自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)發(fā)生火災(zāi)原油儲(chǔ)罐進(jìn)行滅火作業(yè)。

4、結(jié)論

氣體傳感器探頭可以安裝在充滿可燃、易爆、有毒、有害氣體的環(huán)境中，尤其在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)所?？扇?xì)怏w報(bào)警器可以更早的探測(cè)到有毒有害和可燃?xì)怏w的存在，當(dāng)氣體超過了報(bào)警極限后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起到提前預(yù)防的作用。應(yīng)該注意的是，有報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生，并不代表即時(shí)發(fā)生火災(zāi)，其只說明空氣中可燃、有毒氣體濃度已經(jīng)達(dá)到報(bào)警設(shè)定值，需要操作人員到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)具體情況再相應(yīng)采取行動(dòng)，當(dāng)空氣中可燃?xì)怏w濃度降到報(bào)警預(yù)設(shè)值以下，報(bào)警器自動(dòng)恢復(fù)到監(jiān)控狀態(tài)[3]。

參考文獻(xiàn)

[1]石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50493）

[2]李鳳霞，王毅，可燃?xì)怏w報(bào)警器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].河南化工，2010.03（27）：50～51

[3]丁瑞金，正確認(rèn)識(shí)可燃?xì)怏w傳感器的性能[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2006（04）：72～75

作者簡(jiǎn)介

馮翠翠，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任中石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司黃島油庫(kù)儀表主辦，從事儀器儀表管理工作。

身份證號(hào)：230231198502010327