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甲烷場(chǎng)所氣體探測(cè)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(chǎng)所氣體探測(cè)器在使用中的主要問題，并對(duì)幾類常用氣 體探測(cè)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(chǔ)存廠等場(chǎng)所甲 烷探測(cè)器的選擇及安裝使用等問題，為甲烷氣體探測(cè)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(bào) 【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(jí)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(jì)劃項(xiàng)目（10920075） 隨著社會(huì)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(cè)器，當(dāng)甲烷濃度 在 5%到 16%之間，碰到明火就會(huì)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(cè)器，甲烷受熱分解后會(huì)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(chǎng)所的防火、防爆安全問題不得不引起人們的重視。

目前，測(cè)量甲烷的可燃?xì)怏w探測(cè)器一般都安裝在甲烷的制造與運(yùn)輸廠、儲(chǔ)存廠 等場(chǎng)所，但通過對(duì)比最近幾年的檢測(cè)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(cè)器在使用中的主要問 題，通過對(duì)比幾類常用氣體探測(cè)傳感器特點(diǎn)，探討甲烷場(chǎng)所氣體探測(cè)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(gè)氫原子為頂點(diǎn)的正四面體， 四個(gè)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(duì)人體并無害處，但一旦其濃度過高，會(huì)使空氣中的含氧量 減少，嚴(yán)重時(shí)甚至使人窒息。甲烷無色、無味甲烷探測(cè)器，微溶于水，易溶于醇、乙醚。 甲烷的爆炸危險(xiǎn)性見表 1。 2 甲烷氣體探測(cè)器在使用中的主要問題 目前，在甲烷的制造與運(yùn)輸廠、儲(chǔ)存廠等場(chǎng)所氫氣報(bào)警器，雖然都安裝有對(duì)應(yīng)的探測(cè)器， 但普遍存在測(cè)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(cè)器測(cè)量誤差偏大。某些可燃?xì)怏w探測(cè)器在現(xiàn)場(chǎng)安裝使用過程 中，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值不準(zhǔn)、誤差偏大等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的安全性。

（2）甲烷氣體探測(cè)器受潮濕和粉塵干擾嚴(yán)重。由于某些氣體探測(cè)器的安裝環(huán)境 惡劣，在潮濕與粉塵條件下，經(jīng)過一定時(shí)間，氣體探測(cè)器均出現(xiàn)了標(biāo)定失效、 測(cè)量不準(zhǔn)等問題。 （3）甲烷氣體探測(cè)器易中毒。在實(shí)際的安裝場(chǎng)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(cè)器原理的限制， 在復(fù)合氣體環(huán)境下，會(huì)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(duì)甲烷氣體進(jìn)行探測(cè)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(huì)隨著吸附的水蒸氣而發(fā)生改變。 1948 年二氧化碳報(bào)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(duì) 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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(huì)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(jià)格而成為最常見的氣體傳感器，但由于穩(wěn)定 性不足且對(duì)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(cè)采礦場(chǎng)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(cè)感溫線圈電阻的改變而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的 檢測(cè)。 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(cè)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(duì)某一特定波長的紅外輻射具有 強(qiáng)吸收，通過檢測(cè)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(duì)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(dòng)對(duì)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(shí)，通過檢測(cè)紅外光譜的缺 失及投射光強(qiáng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的監(jiān)測(cè)。 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(duì)目標(biāo)氣體分子的“選頻” 特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體特性的測(cè)量。其工作過程是通過對(duì)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(duì)

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