可燃氣體檢測儀(傳感器)原理、特性及標定

甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、乙醇等可燃性氣體，從煤壁中釋放出來或從容器中泄漏出來，當(dāng)它們在空氣混合物中達到一定濃度時，遇到火源就可能引起燃燒，甚至產(chǎn)生爆炸，造成人員傷亡及財產(chǎn)損失。人們在生產(chǎn)過程中，為避免這類火災(zāi)及爆炸事故的產(chǎn)生，在能產(chǎn)生甲烷（CH4）等可燃性氣體的煤壁附近，或在有關(guān)化工產(chǎn)品生產(chǎn)車間均設(shè)置了穩(wěn)定可靠的可燃氣體檢測儀。能及時檢測出可燃性氣體的濃度，并能發(fā)出警報，同時啟動關(guān)聯(lián)設(shè)備避免事故的發(fā)生。

1、可燃氣體檢測儀的工作原理
可燃氣體檢測儀主要由傳感器，一次儀表及二次儀表組成。傳感器主要用來檢測空氣與可燃性氣體混合物中可燃性氣體的濃度。能準確地將可燃性氣體濃度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的信號傳遞給一次儀表。一次儀表能將收到的電壓（電流）信號經(jīng)過整形放大，傳遞給二次儀表及關(guān)聯(lián)設(shè)備。

檢測可燃性氣體濃度儀表中的傳感器因采用的傳感元件不同而形式各異，如有半導(dǎo)體氣敏式、光干涉式、熱導(dǎo)式、催化燃燒式等。其中，用催化燃燒元件做成的傳感器被世界上包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家廣泛地在檢測可燃性氣體的儀表中采用。這種傳感器的工作原理如圖1所示。

圖1 可燃氣體檢測傳感器工作原理

催化燃燒原理是基于可燃燒性氣體與催化元件接觸時產(chǎn)生無焰燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體最低爆炸極限濃度的比值基本恒定，通過發(fā)熱使電橋的催化元件阻值變化來進行檢測。圖1中橋臂上R1與R2為標準電阻，R3與R4是經(jīng)催化處理的檢測元件（稱黑元件）及經(jīng)鈍化處理的補償元件（稱白元件），即R3及R4就是俗稱的黑白元件。當(dāng)環(huán)境氣體中，沒有可燃性氣體存在時，橋路平衡，輸出為零；有可燃性氣體時，檢測元件表面產(chǎn)生無焰燃燒，溫度升高，阻值產(chǎn)生變化，橋路失去平衡，這時輸出一個與可燃性氣體濃度成正比的電壓（電流）信號，當(dāng)被測氣體中的可燃性氣體濃度超過設(shè)定的警報值時，一次儀表驅(qū)動二次儀表發(fā)出警報，并啟動關(guān)聯(lián)設(shè)備。如煤礦井下的風(fēng)電甲烷閉鎖裝置，當(dāng)工作面甲烷傳感器檢測到甲烷濃度超限時，立即驅(qū)動二次儀表發(fā)出警報聲，同時開啟通風(fēng)機和停掉工作面電源。如果在地面化工產(chǎn)品的生產(chǎn)場所，當(dāng)容器中可燃性氣體泄漏出來的濃度超限時，檢測儀發(fā)出報警信號，同時啟動通風(fēng)設(shè)備稀釋可燃性氣體濃度，及時提醒工作人員，進行查漏并采取相應(yīng)處理措施。

2可燃氣體傳感器的特性及標定
2.1 可燃性氣體傳感器的特征
（1）傳感器的特點。一般來說，這類傳感器均在可燃性氣體濃度為0~100%內(nèi)有較好的線性穩(wěn)定性；不容易受到背景氣體（如CO2等）的干擾；較容易實現(xiàn)對環(huán)境溫度的補償；響應(yīng)時間短，精度高。上面提到的甲烷傳感器，就明顯地具有這些特點。
（2）傳感器的傳感元件要具有耐沖擊能力和抗“中毒”能力，要求檢測可燃性氣體傳感器具有這種特殊能力，是基于工作環(huán)境而言的。例如容器泄漏可燃性氣體時有的是緩慢外泄，如果噴射性外泄就在傳感器附近，這時傳感元件接觸到可然性氣體的濃度就大大地超過最低爆炸極限濃度，即傳感器受到高濃度可燃性氣體的沖擊。對于高質(zhì)量的傳感器能在沖擊過后，較好的恢復(fù)在其量程范圍內(nèi)的靈敏度，但有的傳感器元件受沖擊過后出現(xiàn)催化性能銳減的現(xiàn)象，而喪失反應(yīng)靈敏度。還有的傳感元件在被檢測的可燃性氣體的混合物中接觸含有硫化氫或鹵族元素化合物，致使傳感元件喪失催化活性而靈敏度衰減，這種現(xiàn)象被稱作傳感元件“中毒”。因此我們必須選擇抗“中毒”的元件來做傳感器。

2.2 可燃性氣體檢測傳感器的標定
為了保證檢測儀表能靈敏、準確地檢測出可燃性氣體的濃度，必須定期對儀有進行標定校核。為此應(yīng)該注意做好以下幾方面的工作。
（1）標定的周期和標校人員的資格。國家計量檢定規(guī)程規(guī)定“標定周期為一年”、“儀表（器）經(jīng)常非正常震動或?qū)κ局涤袘岩梢约案鼡Q主要元件后隨時送檢”。各儀表制造商，在產(chǎn)品使用說明書中，均指出了其儀表的標定周期，但就是同一類型的儀器，各廠家有不一樣標定周期，根據(jù)有關(guān)資料規(guī)定及本人的經(jīng)驗，標定周期對在煤礦井下使用的可燃性氣體傳感器的標定以每3個月標定一次為好，而在地面化工產(chǎn)品生產(chǎn)場所的可燃懷氣體檢測傳感器的標定以每3個月標定一次為好，而在地面化工產(chǎn)品生產(chǎn)場所的可燃性氣體檢測傳感器每6個月校定一次為宜。標校人員的資格，必須是經(jīng)過有關(guān)單位的專門培訓(xùn)，并經(jīng)當(dāng)?shù)氐挠嬃坎块T考核合格后，發(fā)給合格證書的人員，才能持證上崗對傳感器進行定期標定和校核。
（2）標定方法。一般情況，儀表制造商對其制造的產(chǎn)品的標定校核均有詳細的說明。通用的方法是：將標準氣體由鋼瓶流出，經(jīng)過減壓閥，然后通過專用的標定罩，把標準氣體提供給傳感器進行標定。有的標定人員為了更好的控制標準氣體的流量，在減壓閥的后面加上轉(zhuǎn)子流量計，對傳感器進行定量供氣，這樣可以避免因手動控制不準確而浪費標準氣的現(xiàn)象產(chǎn)生。在井下標定傳感器要注意的是，在標定前必須要用便攜式儀器測試環(huán)境氣體中可燃性氣體的濃度是否在規(guī)程規(guī)定的安全范圍內(nèi)，否則不能進行標定，以免發(fā)生安全事故。

3 可燃性氣體檢測傳感器的布置方式
傳感器必須安放在可燃性氣體容易泄漏或釋放擴散的地方，這樣才能使得傳感器元件與被測氣體容易接觸。然而，究竟如何來布置傳感器，傳感器布置的位置和數(shù)量多少為好？其前提是既要考慮安全性，又要考慮經(jīng)濟性，但必須要以安全性為主。主要原則：①區(qū)域性布置與重點部位布置相結(jié)合的采掘工作面、采區(qū)巷道，在地面能泄漏出有涌出的采掘工作面、采區(qū)巷道，在地面能泄漏出有可燃性氣體的化工產(chǎn)品生產(chǎn)的封閉與半封閉廠房內(nèi)，需要監(jiān)測的塔、罐、機泵等工藝設(shè)備群體可按10m左右布置一個或多個比率來設(shè)置傳感器的數(shù)量。所謂重布置是指有可燃性氣體釋放的采掘工作面上、下幫、上隅角，回風(fēng)巷的入口處；化工廠的生產(chǎn)車間工藝設(shè)備旁，機泵管道上的采樣口、灌裝口、儲罐的排水口等釋放源的附近。②讓氣體跟傳感器緊密接觸的原則。可根據(jù)被測氣體的比重來確定安設(shè)位置。若被測氣體的比重比空氣輕，則應(yīng)安放在上方。如采掘工作面的上隅角，甲烷容易積聚，必須安放甲烷傳感器。③對流動空氣，必須將傳感器安放在下風(fēng)側(cè)。④在生產(chǎn)車間的分析室，控制室和防火防爆區(qū)的變配電室內(nèi)，要安放一定數(shù)量的傳感器。⑤檢測系統(tǒng)制造商的使用說明書要求必須安裝的傳感器。

以地面化工廠壓縮機房為例，說明在現(xiàn)場布置傳感器的方法，設(shè)備數(shù)量較集中時，按區(qū)域性進行控制，避免布置在緊靠機泵密封端或閥門放水口，以免頻繁報警。先在一排機泵的兩端建筑物柱頭附近布點，兩端之間布點結(jié)合液化石油氣或甲類油品物料而有所區(qū)別。前者密，后者疏，并盡可能結(jié)合柱距布置在柱頭附近，每隔一柱安放一個傳感器。在電動機一側(cè)的一排柱可每隔兩柱安放一個傳感器，即與機泵一側(cè)成三角關(guān)系。如圖2所示。

　　
　　圖2 化工廠壓縮機房的傳感器布點示意圖

此外，可燃性氣體檢測儀表要進行經(jīng)常性的維護管理工作。要保證其良好的三率（使用率、完好率和準確率）。為此，必須制定出嚴密的維修管理制度和實施細則，落實維修管理人員。一定要定期對傳感器進行標定。清掃防塵罩，每班要進行正常的巡檢，認真做好交接班的記錄。總之要為確保可燃性檢測儀器適時、準確、靈敏、可靠地工作而加強維護和管理。