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甲烷場所氣體探測器的選型及安裝研究 何志聰，蔡 響，陳佳志，羅 靜 【摘 要】該文闡述甲烷場所氣體探測器在使用中的主要問題，并對幾類常用氣 體探測傳感器優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，探討了甲烷制造與運(yùn)輸廠、儲存廠等場所甲 烷探測器的選擇及安裝使用等問題，為甲烷氣體探測器的制造商、安裝者、使 用群體以及驗(yàn)收檢查等相關(guān)人員提供技術(shù)參考。 【期刊名稱】鄂州大學(xué)學(xué)報 【年(卷),期】2018(025)006 【總頁數(shù)】3 【關(guān)鍵詞】甲烷；催化燃燒式；紅外式；激光式 基金項(xiàng)目：湖北理工學(xué)院校級青年科研項(xiàng)目（18xj z09Q）；2018 年大學(xué)生創(chuàng) 新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（10920075） 隨著社會的不斷發(fā)展，甲烷（CH4）作為爆炸性氣體[1-2]，在燃料領(lǐng)域的應(yīng)用 日益廣泛。作為天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分甲烷探測器，當(dāng)甲烷濃度 在 5%到 16%之間，碰到明火就會爆炸。甲烷也是一種溫室氣體，等量甲烷的 溫室效應(yīng)比二氧化碳大得多。一般情況下甲烷探測器，甲烷受熱分解后會形成碳黑，它是 橡膠領(lǐng)域的核心物質(zhì)，在氫氯酸、甲醛以及某些染料的生產(chǎn)等方面應(yīng)用甚廣。 甲烷經(jīng)取代反應(yīng)后形成的有機(jī)物是一類極佳的溶劑類物質(zhì)。作為甲類易燃?xì)怏w 的代表，甲烷場所的防火、防爆安全問題不得不引起人們的重視。

目前，測量甲烷的可燃?xì)怏w探測器一般都安裝在甲烷的制造與運(yùn)輸廠、儲存廠 等場所，但通過對比最近幾年的檢測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)某些設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況并未 達(dá)到人們的預(yù)期。本文分析了甲烷的性質(zhì)、甲烷氣體探測器在使用中的主要問 題，通過對比幾類常用氣體探測傳感器特點(diǎn)，探討甲烷場所氣體探測器的選擇 及安裝使用等問題。 1 甲烷的性質(zhì) 甲烷是自然界中分布極為廣泛，最簡單的有機(jī)化合物。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，甲烷的 密度為 0.717g/L，甲烷分子是以碳原子為中心，四個氫原子為頂點(diǎn)的正四面體， 四個碳-氫鍵的長度和強(qiáng)度相同，鍵角均為 109°28′。 一般情況下，甲烷對人體并無害處，但一旦其濃度過高，會使空氣中的含氧量 減少，嚴(yán)重時甚至使人窒息。甲烷無色、無味甲烷探測器，微溶于水，易溶于醇、乙醚。 甲烷的爆炸危險性見表 1。 2 甲烷氣體探測器在使用中的主要問題 目前，在甲烷的制造與運(yùn)輸廠、儲存廠等場所氫氣報警器，雖然都安裝有對應(yīng)的探測器， 但普遍存在測量誤差偏大、受潮濕和粉塵干擾嚴(yán)重和易中毒等問題。 （1）甲烷氣體探測器測量誤差偏大。某些可燃?xì)怏w探測器在現(xiàn)場安裝使用過程 中，會出現(xiàn)測量值不準(zhǔn)、誤差偏大等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了測試現(xiàn)場的安全性。

（2）甲烷氣體探測器受潮濕和粉塵干擾嚴(yán)重。由于某些氣體探測器的安裝環(huán)境 惡劣，在潮濕與粉塵條件下，經(jīng)過一定時間，氣體探測器均出現(xiàn)了標(biāo)定失效、 測量不準(zhǔn)等問題。 （3）甲烷氣體探測器易中毒。在實(shí)際的安裝場所中往往并只有甲烷氣體，通常 還混雜有丙烷、丁烷等烷烴類以及其他物質(zhì)，由于某些氣體探測器原理的限制， 在復(fù)合氣體環(huán)境下，會出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象。 3 幾種常用氣體傳感器 目前，市面上能對甲烷氣體進(jìn)行探測的傳感器種類有很多，主要包括半導(dǎo)體式 氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、色譜式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感 器、紅外式氣體傳感器以及激光式氣體傳感器。 3.1 半導(dǎo)體式氣體傳感器 早在 1931 年，P.Braver 等發(fā)現(xiàn) CuO 的電導(dǎo)率會隨著吸附的水蒸氣而發(fā)生改變。 1948 年二氧化碳報警器，J.Gray 發(fā)現(xiàn) CuO2 薄膜在 200℃左右存在氣敏性，而低于 200℃則 不存在。1962 年，日本清山哲郎與田口尚義等對 ZnO、SnO2 薄膜的開創(chuàng)性 研究，才使氣敏元件和傳感器有了真正發(fā)展。 半導(dǎo)體式氣體傳感器中包含一種由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料制成的 目標(biāo)氣體的氣敏元件，利用目標(biāo)氣體在半導(dǎo)體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（通常為氧化 還原反應(yīng)），引起載流子運(yùn)動為特征的電導(dǎo)率、伏安特性或表面電位變化，從而 達(dá)到知曉對應(yīng)氣體濃度的目的。

根據(jù)作用機(jī)理的不同可以分為表面電位型（采 用氣敏元件吸附氣體后界面電位或表面電位變化）、體積控制型（基于氣敏元件 與對應(yīng)氣體發(fā)生反應(yīng)后體積變化）和表面控制型（采用光敏元件吸附對應(yīng)氣體 后電導(dǎo)率改變）等。 半導(dǎo)體式氣體傳感器的氣敏元件初始恢復(fù)特性曲線如圖 1 所示。可以看到，使 用前的老化一般在幾十分鐘到 48 小時不等；經(jīng)過冷置存放后的傳感器，通電 瞬間傳感器的氣敏元件的電阻會急劇下降，后逐漸變大至穩(wěn)定。 半導(dǎo)體式氣體傳感器[3]因低廉的價格而成為最常見的氣體傳感器，但由于穩(wěn)定 性不足且對氣體的選擇性比較弱使其主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。 3.2 催化燃燒式氣體傳感器 催化燃燒式氣體傳感器[4]的使用已超過 50 年，最初是用于監(jiān)測采礦場中的甲 烷。催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)，當(dāng)目標(biāo)可燃?xì)怏w擴(kuò)散到傳感器的催化 燃燒室在起燃溫度 200～300℃下目標(biāo)氣體與吸附氧發(fā)生反應(yīng)（氣體無焰燃燒）， 并放出大量的熱，導(dǎo)致感溫線圈（一般為鉑絲線圈，φ0.025～φ0.5，結(jié)構(gòu)圖如 圖 2 所示）電阻發(fā)生改變，通過檢測感溫線圈電阻的改變而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)氣體的 檢測。 催化燃燒的實(shí)質(zhì)是催化劑的活性組分使空氣中的氧氣活化，當(dāng)活性氧與目標(biāo)氣 體分子接觸發(fā)生了能量的傳遞，目標(biāo)氣體分子隨之被活化，從而加快了氧化反 應(yīng)的速率。

圖 3 為催化燃燒式氣體傳感器的工作原理，其中，檢測元件和補(bǔ)償元件串聯(lián)， 與外部放大器形成惠斯通電橋。 3.3 紅外式氣體傳感器 紅外式氣體傳感器的工作原理是利用氣體分子對某一特定波長的紅外輻射具有 強(qiáng)吸收，通過檢測光強(qiáng)變化量，達(dá)到判斷氣體濃度的目的。其工作原理如圖 4 所示。 對于波長范圍為 2-10μm 的紅外光，不同異核氣體分子由于旋轉(zhuǎn)和振動對不同 波長的紅外光有特異吸收，當(dāng)紅外光透過目標(biāo)氣體時，通過檢測紅外光譜的缺 失及投射光強(qiáng)即可實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的監(jiān)測。 3.4 激光式氣體傳感器 激光式氣體傳感器[5-6]，是基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器對目標(biāo)氣體分子的“選頻” 特性，實(shí)現(xiàn)對被測氣體特性的測量。其工作過程是通過對激光二極管的注入電 流和目標(biāo)溫度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對

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