李亞運 王 祥,2 操 凱,2 蘭明強,2 劉小勇

（1.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué)，合肥 230601）

可燃氣體探測器是安全監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)泄漏、產(chǎn)生報警的重要儀器設(shè)備，按照探測原理可分為半導(dǎo)體可燃氣體探測器、催化燃燒式可燃氣體探測器、電化學(xué)式可燃氣體探測器、紅外光束式可燃氣體探測器和激光式可燃氣體探測器。其中，激光式可燃氣體探測器具有穩(wěn)定性高、測量精度高、響應(yīng)時間快等特點，應(yīng)用前景廣闊，在家用和工商業(yè)中均有大量需求[1-6]。激光式甲烷探測器作為激光式可燃氣體探測器的一種，主要用于檢測甲烷氣體的濃度，在石油、天然氣、化學(xué)和冶金等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)實際應(yīng)用可知，不同的工作環(huán)境會對激光式甲烷探測器的工作產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致探測器無法準(zhǔn)確檢測到甲烷氣體的存在或者出現(xiàn)誤報。高低溫環(huán)境影響著甲烷探測器功能和性能的發(fā)揮[7]，導(dǎo)致甲烷探測器發(fā)生嚴(yán)重的報警滯后現(xiàn)象，錯失最佳的處理時間，造成火災(zāi)和爆炸等安全事故。因此，針對激光式甲烷探測器開展相應(yīng)環(huán)境條件下的研究具有十分重要的意義。

1 實驗儀器與實驗內(nèi)容

為了研究不同環(huán)境溫度對激光式甲烷探測器監(jiān)測濃度示數(shù)和探測器報警時間的影響，選用可燃氣體報警器綜合性能測試實驗箱開展高低溫環(huán)境下甲烷探測器的環(huán)境適應(yīng)性研究，依據(jù)可燃氣體探測器正常工作環(huán)境，選取實驗溫度為-10 ～55 ℃，每間隔5 ℃作為一組工況，兩個溫度之間穩(wěn)定1 h。為了保證實驗箱體內(nèi)氣體濃度的均勻性，選用固定的測試風(fēng)速0.8 m·s-1，以25%LEL 濃度為基準(zhǔn)值進行甲烷探測器的測量精度分析。

可燃氣體報警器綜合性能測試實驗箱見圖1，由閉環(huán)風(fēng)流筒、低溫制冷機組、加熱器、除濕器、氣體處理箱、配有變頻器的通風(fēng)機、加濕系統(tǒng)和電控箱、智能操作屏等組成[8-11]，可測試可燃氣體探測器的報警動作數(shù)值、量程指示偏差、方位、報警重復(fù)性和響應(yīng)時間等，能夠?qū)崿F(xiàn)35 ～75 ℃的高溫環(huán)境和-40 ～0 ℃的低溫環(huán)境連續(xù)可調(diào)，升溫速率均不大于1 ℃·min-1。其制冷功率為7.5 kW，風(fēng)速為0 ～6.5 m·s-1，持續(xù)可調(diào)。相對濕度為90%～95%，濕熱環(huán)境參數(shù)可調(diào)整設(shè)定，加濕速率不大于5%·min-1。

圖1 可燃氣體報警器綜合性能測試實驗箱

實驗樣品是按照《可燃氣體探測器 第1 部分：工業(yè)及商業(yè)用途點型可燃氣體探測器》（GB 15322.1—2019）設(shè)計的具有高亮度發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）濃度顯示、報警、失效等信息顯示的激光防爆型甲烷探測器報警產(chǎn)品（見圖2），主要參數(shù)如表1 所示。選擇3 個同一型號的可燃氣體探測器作為樣品，即樣品1 ～3，在箱體內(nèi)相同位置進行實驗。

表1 傳感器主要參數(shù)

圖2 激光式甲烷探測器

2 實驗結(jié)果分析

2.1 高低溫對探測器報警時間的影響

圖3為甲烷探測器在高低溫環(huán)境下報警時間結(jié)果。由實驗結(jié)果可知，溫度變化對可燃氣體探測器的報警時間具有較大影響，隨著溫度的升高，報警時間會逐漸縮短，整體呈線性變化。在環(huán)境溫度為15 ～25 ℃時，探測器的報警時間基本保持在1 420 s左右，表明該范圍內(nèi)的溫度對探測器的報警時間沒有明顯影響。當(dāng)溫度超過25 ℃時，報警時間會隨著溫度的升高而逐漸減少。當(dāng)溫度達到55 ℃時，報警時間最短，僅為1 227 s。相反，當(dāng)溫度低于15 ℃時，報警時間會隨著溫度的降低而逐漸增加，在-10 ℃時報警時間最長，為1 675 s。通過分析，溫度變化會改變甲烷分子的熱運動變化，高溫時熱運動加劇，分子間的相互作用減弱，導(dǎo)致擴散系數(shù)增加，擴散速率加快，甲烷探測器的報警時間相應(yīng)減少。反之，當(dāng)溫度降低時，甲烷分子的熱運動減緩，分子間的相互作用增強，導(dǎo)致擴散系數(shù)減少，擴散速率減慢，甲烷探測器的報警時間相應(yīng)增加[12-14]。

圖3 甲烷探測器在高低溫環(huán)境下報警時間結(jié)果

2.2 高低溫對探測器探測濃度示值的影響

圖4為甲烷探測器在高低溫環(huán)境下甲烷濃度示值結(jié)果。由實驗結(jié)果可知，可燃氣體探測器在15 ～25 ℃的示值誤差都低于0.5%，表明該范圍的溫度對探測器的測量精度基本沒影響。20 ℃時探測器的甲烷示數(shù)最高，為24.8%LEL，示值誤差0.2%，說明在此溫度下探測器的監(jiān)測精度最高。因此，該款工商業(yè)型可燃氣體探測器在15 ～25 ℃時使用效果最佳。而當(dāng)溫度超過20 ℃時，甲烷示數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)，隨著溫度的升高，甲烷示數(shù)降低。當(dāng)溫度低于20 ℃時，甲烷示數(shù)與溫度呈正相關(guān)，隨著溫度的降低，甲烷示數(shù)也會減少。

圖4 甲烷探測器在高低溫環(huán)境下甲烷濃度示值結(jié)果

3 結(jié)論

本文選取一款激光式甲烷探測器，通過環(huán)形高低溫濕熱實驗箱研究不同溫度環(huán)境中激光式甲烷探測器的環(huán)境適應(yīng)性，測量探測器對甲烷氣體濃度的監(jiān)測示數(shù)和從開始監(jiān)測甲烷氣體到報警所需要的報警時間等關(guān)鍵性能參數(shù)的影響。通過本次實驗研究得出以下結(jié)論。

（1）該款甲烷探測器的濃度探測功能受到溫度環(huán)境的影響，尤其是高溫環(huán)境對其影響更加明顯。超過40 ℃的高溫環(huán)境會對探測器的測量精度造成較大影響，而低于15 ℃的低溫環(huán)境對其影響相對較小。

（2）溫度的變化對探測器的報警時間影響較大，隨著溫度的升高，報警時間會逐漸縮短，整體呈線性變化。