感知「利」器 | 可燃氣體傳感器

2021-02-08 煒盛傳感

可燃氣體作為清潔能源在工業和居民生活中有了廣泛的應用,可燃氣體一旦發生洩露,可能發生中毒、爆炸等嚴重後果。近年來連續發生的多起燃氣爆炸安全事故再一次給我們身邊的燃氣安全問題敲響了警鐘。一次次慘痛的燃氣安全事故告訴我們,採取有效的手段,提高燃氣安全隱患的防範能力,加強對燃氣洩漏以及燃燒產物的監控非常重要。


可燃氣體是指能夠引燃且在常溫常壓下呈氣體狀態的物質,能夠與空氣(或氧氣)在一定濃度範圍內均勻混合形成預混氣,遇到火源會發生爆炸,燃燒過程中釋放出大量能量的氣體。


可燃氣體種類有很多,如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、天然氣、液化石油氣、城市煤氣、高爐煤氣等。


可燃氣體一旦洩漏,該如何發現它,避免事故發生呢?



燃氣報警器,是一種燃氣安全防範產品,當燃氣在空氣中的濃度超過設定值,可燃氣體傳感器便會被觸發產生報警。可燃氣體傳感器主要有氧化物半導體型、催化燃燒型、電化學式型以及紅外型。

金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時,氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面,半導體表面的電子會被轉移到吸附氧上,氧原子就變成了氧負離子,同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層,導致表面勢壘升高,從而阻礙電子流動(見圖1)。



在敏感材料內部,自由電子必須穿過金屬氧化物半導體微晶粒的結合部位(晶界)才能形成電流。由氧吸附產生的勢壘同樣存在於晶界而阻礙電子的自由流動,傳感器的電阻即緣於這種勢壘。在工作條件下當傳感器遇到還原性氣體時,氧負離子因與還原性氣體發生氧化還原反應而導致其表面濃度降低,勢壘隨之降低(見圖2),導致傳感器的阻值減小。


催化燃燒式氣體傳感器由對可燃氣體進行反應的檢測元件(D)和不與可燃氣體進行反應的補償元件(C)2個部分構成。如果存在可燃氣體的話,只有檢測元件表面可以燃燒,因此檢測元件溫度上升使檢測元件的電阻增加。


相反,因為補償元件不燃燒,其電阻不發生變化。這些元件組成惠斯通電橋迴路,不存在可燃氣體的氛圍中,可以調整可變電阻(VR)讓電橋迴路處於平衡狀態。然後,當氣體傳感器暴露於可燃氣體中時,只有檢測元件的電阻上升,因此電橋迴路的平衡被打破,這個變化表現為不均衡電壓(Vout)而可以被檢測出來。


傳感器由貴金屬催化劑的檢測極、對極與離子傳導體構成。當CO等可燃檢測對象氣體存在時,在檢測極催化劑上與空氣中的水蒸氣發生①式所示的反應。


CO + H2O → CO2+ 2H+ + 2e- …①


檢測極與對極接通電流(短路)後,檢測極產生的質子(H+)與同時產生的電子(e-)分別通過離子傳導體與外部電線(引線)各自到達對極,在對極上與空氣中的氧之間發生②式所示的反應。


(1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O …②

也就是說此傳感器構成了由①、②反應式形成的③反應式的全電池反應,可以認為是將氣體作為活性物質的電池。

CO + (1/2)O2 → CO2 …③

當做氣體傳感器使用時,接通檢測極與對極的電流,來測定其短路電流。


紅外型可燃氣體傳感器, 運用非色散紅外(NDIR)原理對空氣中存在的碳氫類可燃氣體進行檢測。


NDIR(non-dispersive infrared)式氣體傳感器是通過由入射紅外線引發對象氣體的分子振動,利用其可吸收特定波長紅外線的現象來進行氣體檢測的。紅外線的透射率(透射光強度與源自輻射源的放射光強度之比)取決於對象氣體的濃度。用中波段紅外線照射氣體後,由於氣體分子的振動數與紅外線的能級處於同一個光譜範疇,紅外線與分子的固有振動數發生共振後,在分子振動時被氣體分子所吸收,氣體濃度與紅外線透射率的關係符合朗伯-比爾定律。



對可燃氣體洩漏檢測,特別是針對家用場所,在可燃氣體較低的洩漏濃度時要求能快速的檢測出來,能實現單點報警即可。另外,燃氣報警器工作於一般的家庭,必須能滿足長期免維護的要求,半導體傳感器檢測過程僅存在氣體的吸附和脫附過程,廚房內嚴重的油煙極少存留於敏感材料表面,不會影響其實際使用壽命,因此,檢測下限較低、使用壽命較長半導體氣體傳感器是家用報警器的最佳選擇。


催化燃燒氣體傳感器的精度較高,適合煤礦、石油、化工、燃氣等領域的定量檢測。但其工作溫度高,催化劑易失活,同時周圍環境內存在的膠黏劑、橡膠製品釋放出的有機矽、硫化物極易讓催化劑中毒,導致傳感器完全失效。在工業場所,一般通過標準氣體定期校檢報警器,調整放大倍數,防止催化傳感器靈敏度衰減導致精度大幅度變差。


針對人工煤氣和不完全燃燒過程中低濃度一氧化碳的檢測,因一氧化碳的高毒性,報警點一般不超過200ppm,為了防止誤報或漏報警,最好選用靈敏度和精度均較高的電化學氣體傳感器。


NDIR傳感器近幾十年來在作業環境安全和氣體檢測方面發揮了重要作用。當催化燃燒式傳感器不適合使用時,NDIR傳感器則是另一項可靠的選擇。與催化燃燒式傳感器不同,NDIR傳感器不需要頻繁的重新校準,而且它們不易中毒。


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