淺談可燃氣體探測器的使用壽命
本文主要是談可燃氣體探測器的使用壽命，可燃氣體探測器的使用壽命的長短是由傳感器直接決定?？扇細怏w探測器有可燃氣體探測器和有毒有害氣體探測器之分，它們使用的傳感器是不同的?？扇細怏w探測器是對單一或多種可燃氣體濃度響應(yīng)的探測器；可燃氣體探測器有催化型、紅外光學(xué)型兩種類型。有毒有害氣體探測器采用的是電化學(xué)式傳感器。
【關(guān)鍵詞】：可燃氣體探測器 傳感器 有毒有害氣體探測器
【引 言】：隨著工業(yè)化的發(fā)展，可燃/毒性氣體已經(jīng)成為我們在生產(chǎn)和生活中不得不面對的危險來源。包括石化企業(yè)、化工行業(yè)、恐怖襲擊、危險品儲運、垃圾填埋、城市污水處理、各類地下管線等等各個方面，我們可能在不知不覺中就會受到危險氣體的威脅。
可燃氣體探測器產(chǎn)品可單獨用在氣體泄漏場所探測報警，也可與各類火災(zāi)報警控制器連接，和其它種類火災(zāi)探測器一起構(gòu)成總線制火災(zāi)報警系統(tǒng)，同時具有獨立報警功能。獨立式氣體探測器帶有輸出控制點，用于控制通風換氣設(shè)備(無源常開觸點)及燃氣管道關(guān)斷閥(有源脈沖觸點)。可燃氣體探測器工作穩(wěn)定，靈敏、可靠，使用壽命長，可廣泛用于家庭、賓館、公寓等存在可燃氣體的場所進行安全監(jiān)測；也可用于防爆場所。
可燃氣體探測器的使用壽命和探測功能都是根據(jù)使用的傳感器決定的，常見的傳感器有催化燃燒傳感器、半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)傳感器、紅外氣體傳感器、光離子化傳感器等等。
下面我們簡單談?wù)剼怏w探測器中使用的傳感器和使用壽命。
Catalytic combustion or Infrared 檢測可燃氣體： 催化燃燒式傳感器或紅外式傳感器。這兩種傳感器主要用于檢測可燃氣體。
1、催化燃燒式傳感器原理和使用壽命
氣體擴散到傳感器的催化燃燒室。燃燒室中兩只傳感器元件上的催化劑使可燃性氣體進行無焰燃燒，產(chǎn)生熱量。溫度使感應(yīng)電阻阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產(chǎn)生微小的電壓差信號，此信號與可燃氣體濃度是成正比的的，從而達到檢測可燃氣體濃度的目的。
催化燃燒式傳感器屬于高溫傳感器，催化元件的檢測元件是在鉑絲線圈（φ0.025~φ0.05）上包以氧化鋁和粘合劑形成球狀，經(jīng)燒結(jié)而成，其外表面敷有鉑、鈀等稀有金屬的催化層，其結(jié)構(gòu)如圖所示：
對鉑絲通以電流，使檢測元件保持高溫（300~400℃），此時若與可燃氣體接觸如甲烷氣體，甲烷就會在催化劑層上燃燒，燃燒的實質(zhì)是元件表面吸附的甲烷與吸附的氧離子之間的反應(yīng)，反應(yīng)完成后生成CO2和H2O解析，而氣相中的氧由被元件吸附并解離，重新補充元件表面上的氧離子。
利用元件測量甲烷式基于在其表面測量甲烷燃燒反應(yīng)放出的熱量的原理，即燃燒使鉑絲線圈的溫度升高，線圈的電阻值就上升。測量鉑絲電阻值變化的大小就可以知道可燃氣體的濃度。
在實際應(yīng)用中常采用惠斯頓電橋測量電路，如圖所示。電橋中黑元件既是檢測元件，白元件為補償元件，白元件與黑元件相比只缺少催化劑層，也就是說白元件遇到可燃氣體不能燃燒，。有一些廠家將黑白元件封裝在一個防爆網(wǎng)內(nèi)，也有一些廠家分別封裝。當空氣中有一定濃度的可燃氣體時，檢測元件由于燃燒而電阻值上升，電橋失去平衡，由電壓輸出，起到檢測作用。
可燃物在催化劑作用下燃燒。與直接燃燒相比，催化燃燒溫度較低，燃燒比較完全。催化燃燒所用的催化劑為具有大比表面的貴金屬和金屬氧化物多組分物質(zhì)。例如家用負載Pd或稀土化合物的催化燃氣灶，可減少尾氣中CO含量，提高熱效率。負載0.2%pt的氧化鋁催化劑，在500℃下，可將大多數(shù)有機化合物燃燒，脫臭凈化到化學(xué)位移σ=1以下。催化燃燒為無焰燃燒，因此適用于安全性要求高的場合，如以H2和O2為原料的燃料電池、用汽油或酒精為原料的懷爐(催化劑為浸Pt石棉)等。如消除化工廠NOx的煙霧，可加燃料到煙霧中，通過負載型鉑和鈀催化劑，催化燃燒使NOx轉(zhuǎn)化為N2氣。 采用適當?shù)拇呋瘎褂糜泻怏w中的可燃物質(zhì)在較低的溫度下分解、氧化的燃燒方法。
氣體探測器的傳感器采用催化燃燒的方式檢測氣體，稱為催化燃燒式傳感器。
檢測可燃氣體的探測器一般使用催化燃燒式傳感器，催化燃燒傳感器可以對大部分的可燃氣體產(chǎn)生響應(yīng)。特定氣體在測量橋上燃燒產(chǎn)生的熱量就反映了它的燃燒熱，而后者會隨各類物質(zhì)性質(zhì)改變。所以，不同物質(zhì)即使在相同濃度下也會產(chǎn)生不同的儀器讀數(shù)。 要記住，儀器測量的是電阻的變化而不是濃度的變化！不同的氣體在測量橋上的行為會有很大的不同。通常，較大的分子會產(chǎn)生更多的燃燒熱。另一方面，較小的分子更容易進入測量頭的燒結(jié)結(jié)構(gòu)進行反應(yīng)。催化燃燒式傳感器，尤其是測量%LEL的傳感器不適合于檢測“較重的”或者長鏈的烷烴，特別是高閃點的物質(zhì)。
催化燃燒式的傳感器是應(yīng)用最廣泛的低成本可燃氣體探測傳感器，廣譜可燃氣體探測，氣體選擇差，易中毒，壽命一般為2年。
2、紅外式傳感器原理和使用壽命
紅外氣體傳感器都有基本的組成部分：一個紅外源（即白熾燈），探頭（如熱電池，煙火探頭），選擇適當波長的方法（如光帶通過干擾過濾器）和樣本元件。輻射從輻射源通過樣本元件和波長選擇器。波長選擇對傳感器的相對選擇性有相當大的影響。未被樣本吸收的輻射被探頭測出，對樣本中目標氣體的濃度值提供測量的結(jié)果。樣本中的另一個探頭（或渠道）被設(shè)置成另一種波長，不會被樣本中任何可能出現(xiàn)的波長稀釋，這通常被用來提供參考測量值。
另一個增強紅外傳感器表現(xiàn)的元件是溫度傳感器。所有這些元件必須有溫度附件來進行補償，以提供準確的氣體濃度值。溫度傳感器（通常是熱敏電阻）應(yīng)放在探頭內(nèi)或非常接近探頭的地方。
紅外傳感器能在紅外源和探頭之間，為目標氣體分子的測量提供有效的測量值。因而，輸出信號不僅隨氣體濃度變化，而且受氣壓影響也會變化，為保證測量的高精確性，必需提供氣壓補償。這就說明了具有更長的光學(xué)路徑的傳感器（輻射距離從輻射源到探頭）有更高的靈敏性，需要更低的力學(xué)范圍但增加的決議。
如果目標氣體是一種氣體，固定光路設(shè)備又處于在恒定氣壓下，則輸出信號（及信號/聲音比率）會隨著氣體濃度增加成類似于指數(shù)衰變的趨勢，即紅外傳感器是固定地非線性傳感器。測量的準確性隨著氣體濃度的增加降低。
上述各個組件的說明是非常典型的紅外傳感器，但在任何一個實用系統(tǒng)中都需要有支持電子。更常用的探測技術(shù)是使用放大設(shè)備來放大探頭輸出的極小的模擬信號，被放大的輸出信號在被模擬過濾后能提高測量的準確性。
紅外式傳感器可探測碳氫類可燃氣體，二氧化碳等。可以無氧環(huán)境工作，抗中毒，精度高，耗電低，壽命一般大于5年。
3、電化學(xué)式傳感器的原理和使用壽命
電化學(xué)式傳感器，用于檢測有毒氣體。電化學(xué)式包括定電位電解式和伽伐尼電池式氧氣傳感器。
電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號，同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。穿過屏障擴散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計的電極材料進行催化。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。
在實際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化發(fā)應(yīng)，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長時間后，它會導(dǎo)致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入了參考電極。
參考電極安裝在電解質(zhì)中，與傳感電極鄰近。固定的穩(wěn)定恒電勢作用于傳感電極。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，同時測量反電極，測量結(jié)果通常與氣體濃度直接相關(guān)。施加于傳感電極的電壓值可以使傳感器針對目標氣體。
電化學(xué)式傳感器使用壽命一般為2-3年，須工作在有氧環(huán)境，不適用于高溫、低溫及低濕度環(huán)境。
半導(dǎo)體式傳感器的原理和使用壽命
半導(dǎo)體式傳感器，用半導(dǎo)體材料制成的傳感器結(jié)構(gòu)是一層沉積在硅片上的金屬氧化物薄膜，是依靠在一種加熱氧化物的表面吸收氣體而工作的。氧化物表面對樣品氣體的吸收，從而導(dǎo)致金屬氧化物電阻的變化，且能反映到樣品氣體的濃度變化上。傳感器表面被加熱到200-250度之間的一個恒定溫度，以增加反應(yīng)速率，降低環(huán)境溫度變化所帶來的影響。半導(dǎo)體傳感器非常簡單且很堅固，同時還是非常靈敏的，壽命更長，探測低濃度可燃氣體及一些有毒氣體，如硫化氫、一氧化碳等。
半導(dǎo)體式傳感器的使用壽命，一般為3年。廣譜可燃氣體探測，氣體選擇性差，線性差，易惰化，需要定期活化。
光離子傳感器的工作原理與使用壽命
PID傳感器可以檢測低濃度(0-10ppm，0-100ppm，0-1000ppm)揮發(fā)性有機化合物(VOC)，是一個高靈敏度、寬范圍、廣譜的傳感器，可以看成一個低濃度LEL檢測器。使用了一個紫外燈(UV)光源將有機物打成可被檢測到的正負離子，探測喊叫檢測到離子化的氣體電荷并將其轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)放大及運算后，顯示為氣體的濃度值。PID傳感器是非破壞性傳感器，離子化檢測后，氣體重新還原為原來的氣體或蒸汽。
使用壽命一般大于2年，主要用于探測低濃度揮發(fā)性有機化合物(VOC)，廣譜，精度高，耗電低等特點。
3.Diffusion fuel cell 檢測氧氣：擴散燃燒單元(燃料電池)。即通常所說的伽伐尼電池式氧氣傳感器。用于氧氣的檢測。
伽伐尼電池式氧氣傳感器原理：塑料容器內(nèi)一面裝有對氧氣透過性良好的聚四氟乙烯透氣膜，在其容器內(nèi)側(cè)緊粘著貴金屬(鉑，黃金，銀等)陰電極，在容器另一面內(nèi)側(cè)或容器的空余部分形成陽極(用鉛，鎘等離子化傾向大的金屬)。氧氣在通過電解質(zhì)時陰陽極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使陽極金屬離子化，釋放出電子，產(chǎn)生電流。電流的大小與氧氣的多少成正比。
結(jié)束語
氣體探測器就是通過傳感器，氣體探測器可對安裝現(xiàn)場環(huán)境中的氣體泄漏部分進行有效的探測，最近有好幾次的大火與爆炸都是由于氣體泄漏所導(dǎo)致的，隨著安全意識的提高，現(xiàn)在家庭、賓館、公寓等都有裝可燃氣體探測器，進行安全監(jiān)測；也可用于防爆場所，如油品類；化工類；煤氣、燃氣類；醫(yī)藥類；其他行業(yè)等領(lǐng)域都有所安裝與使用。從面避免重大事故的發(fā)生。還需要定期對可燃氣體探測器進行檢查，傳感器需要定期校準，達到使用年限，建議更換，做到真正防患于未燃。
