陸國(guó)平

（巴斯夫中國(guó)有限公司，上海 200233）

隨著國(guó)家在健康、安全、環(huán)保（HSE）方面法律法規(guī)的健全，以及人們安全意識(shí)的加強(qiáng)，可燃?xì)怏w探測(cè)器的用量大幅提升。工業(yè)生產(chǎn)中為保障人身和設(shè)備安全，對(duì)生產(chǎn)裝置可能存在可燃?xì)怏w泄露以及工廠可能集聚可燃?xì)怏w的地方，設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器，對(duì)環(huán)境中出現(xiàn)的易燃易爆氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，使工作人員可以迅速采取相應(yīng)措施，防止惡性事故發(fā)生。它作為火災(zāi)和氣體報(bào)警系統(tǒng)（FGS)中獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)變送器，其選型的正確性和運(yùn)行的可靠性至關(guān)重要[1]。當(dāng)前，在煉油、石化、化工和醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域中，可燃?xì)怏w探測(cè)器常用的主要類型為低溫催化燃燒型和非色散紅外吸收型兩種。以下是筆者針對(duì)這兩種主流可燃?xì)怏w探測(cè)器從原理出發(fā)分析其技術(shù)特點(diǎn)，以期給選用者提供正確選型的參考。

1 低溫催化燃燒型

1.1 低溫催化燃燒原理

催化燃燒檢測(cè)原理圖參見(jiàn)圖1。低溫催化燃燒（以下簡(jiǎn)稱，催化燃燒）檢測(cè)原理是利用可燃?xì)怏w在具有催化性能的燈絲原件-檢測(cè)元件（由約0.03 mm 的pt 鉑金絲繞制、在燒結(jié)氧化鋁載體外涂Pd-鈀-催化劑的小珠）上產(chǎn)生低溫?zé)o焰燃燒，燃燒的熱量導(dǎo)致元件的溫度升高，從而使元件的阻值增大，通過(guò)惠斯頓電橋檢測(cè)其阻值的變化（ΔR)，以達(dá)到檢測(cè)氣體濃度的目的[2]。圖2 為檢測(cè)元件（燈絲）的結(jié)構(gòu)圖解。

圖1 催化燃燒檢測(cè)原理圖

圖2 檢測(cè)元件（燈絲）

在橋路中，R1 = R2 >> R，當(dāng)可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件上產(chǎn)生低溫?zé)o焰燃燒時(shí)，導(dǎo)致元件溫度升高，電阻增大，阻值變化（ΔR)。

輸出端的ΔV出≈ （ΔR / 4R）×Δ V入。

良好的線性是催化燃燒原理探頭的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

1.2 環(huán)境條件補(bǔ)償

應(yīng)該看到，可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件上燃燒導(dǎo)致元件升高的溫度，這個(gè)溫度是檢測(cè)元件與周圍環(huán)境的熱平衡溫度，即當(dāng)檢測(cè)元件從燃燒中“獲得”的熱量與其因溫度升高散發(fā)給周圍的熱量相等時(shí)的溫度；為了補(bǔ)償環(huán)境溫度和濕度等的變化對(duì)測(cè)量帶來(lái)偏差，因此，在橋路的相鄰一臂，配有一個(gè)與檢測(cè)元件靜態(tài)（指橋路通電，而無(wú)可燃?xì)怏w存在的狀態(tài)）性能相適配的、無(wú)催化性能的燈絲原件-補(bǔ)償元件（同樣由pt 鉑金絲繞制、但在燒結(jié)氧化鋁載體外涂Au 金-鈍化劑-的小珠）；它與檢測(cè)元件處于相同的環(huán)境，它不與被測(cè)可燃?xì)怏w反應(yīng)，而是同步補(bǔ)償環(huán)境條件變化對(duì)檢測(cè)元件的影響。

1.3 被測(cè)氣體的“廣譜性”

從檢測(cè)原理上看，檢測(cè)元件阻值變化的源頭是燃燒的熱量，因此，原則上講，只要被測(cè)氣體能在催化小珠上（小珠“靜態(tài)”時(shí)的溫度約450℃）被燃燒而釋放出熱量，那它就能被檢測(cè)，這就是所謂的“廣譜性”。當(dāng)然，在有多種可燃?xì)怏w存在的情況下，探測(cè)器無(wú)法區(qū)分被測(cè)氣體的種類和各自的濃度，它體現(xiàn)出的是綜合的效應(yīng)。

1.4 濃度單位LEL

與我們常用體積濃度、摩爾濃度等氣體濃度單位不同，可燃?xì)怏w探測(cè)器采用“最低爆炸極限”LEL (Lower Explosive Limit)作為氣體濃度單位。上述已經(jīng)說(shuō)明，催化燃燒原理探測(cè)器，檢測(cè)元件靈敏度取決于被測(cè)氣體燃燒的熱量。表1 列出了一些碳?xì)浠衔锏臉O限燃燒值[3]。

觀察表1 中所列數(shù)據(jù)，雖然它們的摩爾燃燒值差異很大（見(jiàn)表中第4 列）；但“極限燃燒值”相當(dāng)接近（見(jiàn)表中第5 列）；意味著，相同100% LEL 濃度的不同氣體的燃燒熱，雖有差別，但很相近，因此，可燃?xì)怏w探測(cè)器采用氣體的最低爆炸極限的百分比，即100% LEL 作為被測(cè)氣體的濃度單位。

2 非色散紅外吸收型

2.1 非色散紅外吸收原理

與催化燃燒原理不同，非色散紅外吸收（以下簡(jiǎn)稱，紅外吸收）原理是基于某些可燃?xì)怏w對(duì)某一頻段紅外線有明顯吸收能力，當(dāng)被測(cè)可燃?xì)怏w（云）通過(guò)紅外線光路，可燃?xì)怏w將吸收部分紅外線，通過(guò)測(cè)量紅外線能量的減少，達(dá)到檢測(cè)氣體濃度的目的[4]。

表1 一些碳?xì)浠衔锏臉O限燃燒值

被測(cè)氣體吸收紅外能量，造成到達(dá)檢測(cè)器的紅外能量的減少，由朗伯-比耳定律表示為[5]：

式中 I0— 探測(cè)器發(fā)出的某一頻段（非色散）紅外線 的能量；對(duì)確定的探測(cè)器是確定的；

C — 被測(cè)氣體濃度；是被測(cè)參數(shù)；

l — 光路的長(zhǎng)度；對(duì)確定的點(diǎn)式探測(cè)器也是確 定的；

k — 被測(cè)氣體對(duì)確定頻段紅外線的吸收系數(shù)。

公式表明，紅外能量的減少△I 與氣體濃度C 之間是嚴(yán)重的非線性關(guān)系，并隨不同的吸收系數(shù)k 而異，必須用專用軟件進(jìn)行線性處理。

2.2 氣體的確認(rèn)和線性化

根據(jù)以上公式，紅外能量的減少，與被測(cè)氣體對(duì)探測(cè)器確定頻段紅外輻射能的吸收系數(shù)k 相關(guān)。因此，在選用紅外吸收原理的氣體探測(cè)器前，必須明確被測(cè)氣體以及檢測(cè)環(huán)境的背景氣體，以便探測(cè)器選擇相應(yīng)的k 值和線性化軟件。

2.3 紅外頻段的確定

碳?xì)浠衔飳?duì)特定頻段的紅外有較高吸收能力，而不同氣體所“敏感”的頻段會(huì)有所差異，探測(cè)器它所選用的紅外頻段，一是盡量多的“ 覆蓋”被測(cè)氣體；二是在此頻段氣體的紅外能量，不被存在于背景氣體中的二氧化碳、水蒸氣所吸收；一般探測(cè)器比較集中選用中波紅外，波長(zhǎng)為 3.0 ～4.0 μm。

圖3 一個(gè)紅外吸收探測(cè)器的光路示意圖

2.4 光路

被測(cè)氣體是在“穿過(guò)”紅外線從發(fā)射（光源）到接收器（檢測(cè)器）間的光路中吸收部分能量的，如圖3所示。通常在平行的光路中有兩束光線，一束是能被被測(cè)氣體所吸收，而另一是不被氣體所吸收，它是補(bǔ)償電源、光源本身等對(duì)檢測(cè)光束可能帶來(lái)的偏差；雙光束可以來(lái)自單光源（即單光源雙光束），也有來(lái)自雙光源（雙光源雙光束比單光源更穩(wěn)定）從上述的公式中可以看到，與氣體接觸的光路長(zhǎng)度L 愈長(zhǎng)，靈敏度愈高。

在光路的行程中，會(huì)涉及透鏡鏡頭，它們與環(huán)境密切接觸，為避免起霧結(jié)露，探測(cè)器的熱光路技術(shù)是必須的；透鏡鏡頭在與被測(cè)氣體的接觸中會(huì)受到污染，多數(shù)探測(cè)器都具有光路受阻的故障報(bào)警，而有些探測(cè)器采取四光束雙補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)光路中可能的偏差。

3 分析比較

3.1 故障自診斷

對(duì)于催化燃燒原理的探頭，由于檢測(cè)元件催化性能喪失而造成的探頭失效故障，傳感器無(wú)法實(shí)施對(duì)其的故障自診斷，它只能通過(guò)定期實(shí)際氣體的標(biāo)定來(lái)判斷其有效性。

紅外吸收原理點(diǎn)式氣體探測(cè)器的故障均可由智能儀表的自診斷系統(tǒng)判別和代碼顯示，用戶在日常維護(hù)過(guò)程中可以做到有的放矢，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)成本。

3.2 局限性

催化燃燒是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，受制于許多條件，表1 中所列的燃燒值是在一定條件下，氣體完全燃燒時(shí)所釋放的熱量，因此，被測(cè)氣體在催化小珠上能否完全燃燒、導(dǎo)致多高的溫升、能使催化小珠產(chǎn)生多大的阻值變化，除了與被測(cè)氣體的種類、濃度以及濃度變化梯度等相關(guān)外，還受背景氣體和環(huán)境狀況的影響，如在缺氧（小于10%含氧量）或存在能使催化劑中毒背景氣氛（如：硫、磷、硅、鉛、鹵化物等介質(zhì)）的情況下，催化元件可能出現(xiàn)反應(yīng)阻緩或中毒而導(dǎo)致探頭靈敏度減低甚至喪失的現(xiàn)象，在類似的情況下，就不宜采用催化燃燒原理的探測(cè)器或需視具體情況選用某些有抗中毒功能的催化燃燒探頭[2]。

相比于催化燃燒原理，紅外吸收無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，探測(cè)器在使用過(guò)程中不會(huì)有缺氧影響檢測(cè)和探頭受背景氣氛影響而中毒的局限。但從圖3 可知，透鏡在與被測(cè)氣體的接觸中會(huì)受到污染，這些污染會(huì)影響檢測(cè)效果。因此，用戶應(yīng)選用具有光路受阻故障報(bào)警功能的探測(cè)器，使用過(guò)程中還應(yīng)關(guān)注這類報(bào)警。此外，紅外吸收型可燃?xì)怏w探測(cè)器特別適用于對(duì)某一頻帶紅外光具有較強(qiáng)吸收能力的碳?xì)浠衔铮贿m用被測(cè)氣體為氫氣的應(yīng)用場(chǎng)合。

3.3 其他

與催化燃燒的化學(xué)反應(yīng)不同，紅外吸收是一個(gè)物理過(guò)程，這種原理的探測(cè)器，具有高可靠性和穩(wěn)定性，耐高濃度可燃?xì)怏w沖擊而不會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低等特有的優(yōu)點(diǎn)。而且紅外光源的發(fā)展也很快，已從傳統(tǒng)的是“燈絲燈泡（Filament Lamp）”，發(fā)展為具有高閃爍頻率的固態(tài)紅外光源；接受器從傳統(tǒng)的利用紅外線的熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，到現(xiàn)在已有用固溶體薄膜的光電二極管替代，從而使其在長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性、壽命、能耗、快速響應(yīng)等方面得到進(jìn)一步提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)該說(shuō)低溫催化燃燒原理和非色散紅外吸收原理這兩類可燃?xì)怏w探測(cè)器各有特點(diǎn)，使用中又各有利弊。從應(yīng)用的角度看，關(guān)鍵是要根據(jù)氣體類別和應(yīng)用場(chǎng)合正確選用。此外，催化燃燒型有面廣量大和價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，紅外吸收型有方便使用和易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。了解兩種原理的實(shí)質(zhì)，正確選用、定期維護(hù)保養(yǎng)和標(biāo)定，是確?？扇?xì)怏w探測(cè)器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

[1] 陸國(guó)平.可燃?xì)怏w和有毒氣體監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[J].石油化工自動(dòng)化，2005, 41(6):17-20.

[2] GB 50493-2009. 石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[3] DAVID R.LIDE Editor-in-chief * HEAT OF COMBUSTION,《CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition,2003-2004).

[4] 王紹中，就地紅外原理可燃?xì)怏w探測(cè)變送器[J].《石油化工自動(dòng)化》，1999，(1):59-60.

[5] DAVID R.LIDE Editor-in-chief * FLAMMABILITY OF CHEMICAL SUBSTANCES, 《CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition,2003-2004).