常用氣體報警系統的原理及應用

常用氣體報警系統的原理及應用

目前，市場上的氣體探測器有多種型號，但從其傳感器工作原理來看，它主要包括燃料燃燒、紅外、電、電離式和半分型（該原理的檢測器現在已經安裝）等。每種傳感器在適用的環(huán)境、精確度、價格、抗干擾性以及壽命等方面可謂是千差萬別。根據各個企業(yè)、裝置的環(huán)境、檢測對象、安裝位置等因素的不同,選擇合適的氣體報警器有著非常重要的意義。本文將對幾種常用氣體報警器的工作原理以及特性等進行簡單的闡述,并針對目前企業(yè)在使用過程中存在的問題,提出注意事項。1燃燒傳感器的激活1.1催化燃燒式傳感器毒性的影響因素催化燃燒式傳感器的工作原理是依靠可燃氣體在電熱催化元件(細絲或珠狀)表面上的氧化反應。催化燃燒式傳感器正常運行時要求氧濃度達到10%或更大一些。就其性質而言,催化燃燒式傳感器直接檢測易燃氣體,其它類型傳感器則大多通過傳感器對氣體其它性質的響應,間接推斷易燃氣體的存在。因為要依靠現場氧氣的氧化作用,檢測儀器應只在不高于氣體爆炸下限的環(huán)境中使用。催化燃燒傳感器的工作主要受以下若干因素的影響。a)催化劑中毒:有些化學物質會消除傳感器的活性,導致傳感器喪失敏感性并最終對目標氣體完全無反應。導致催化燃燒式傳感器中毒最常見的化學物質往往含有硅,例如含有硅化合物的普通油和潤滑劑。硫化合物(經常與氣體一起釋放)、氯氣及重金屬也可以導致傳感器中毒。b)傳感器抑制劑:滅火器中使用的鹵化合物及制冷劑中使用的氟利昂之類的化學物質會抑制催化燃燒式傳感器,并導致傳感器暫時喪失功能。c)傳感器破裂:當暴露于過高濃度、過高熱量及在傳感器表面發(fā)生各種氧化反應時,傳感器最終可能發(fā)生退化。這有時會改變傳感器的零點和跨距偏移。d)校正系數:制造商一般會提供一組校正系數,供用戶測量不同的碳氫化合物,僅需將讀數與適當的校正系數相乘即可獲得不同氣體的讀數。例如,目標氣體為甲烷的典型催化燃燒傳感器可能要求2.5V電橋電壓來獲得良好信號,而對于丁烷氣體,相同的傳感器僅需要2.3V電橋電壓。因此,如果傳感器設定為檢測丁烷,它將不能正確檢測甲烷氣體。各種傳感器之間的校正可能各不相同,即使是同一傳感器,在傳感器老化時,其校正系數也會發(fā)生變化。因此,要獲得特定氣體的精確讀數,最好的方法是將傳感器直接校正為目標氣體。舉例而言,對于校正為100%LEL甲烷氣體的典型傳感器來說,它相對于其它氣體的相對敏感性如表1。1.2空氣和空氣污染物的影響a)催化燃燒式傳感器通過燃燒過程檢測易燃氣體,適合檢測廣譜的易燃氣體。b)企業(yè)應避免在缺氧的環(huán)境中使用此類傳感器,因為催化燃燒式傳感器只有當存在足夠的氧氣時,才能依靠催化氧化工作原理運行它的功能。c)應注意干擾性氣體和蒸氣的影響,如果被監(jiān)測的大氣中包含稀薄空氣或空氣置換氣體,例如氮氣或二氧化碳,則催化燃燒式傳感器可能給出較低甚至為零的響應。類似情況可能出現在充滿水蒸氣的空氣中,因為燒結火焰捕集體上凝結較濃的水分。高濃度的惰性氣體(例如氬氣或氦氣)也可能改變傳感器的熱平衡,導致明顯的可燃氣體讀數失真。d)應注意避免催化劑中毒,由于空氣中的污染物可能會使催化傳感器的催化劑永久或暫時性抑制,導致傳感器最終對存在的可燃氣體產生低響應或零響應。因此,應避免傳感器接觸含有硅等易造成傳感器中毒的物質。e)催化原理氣體檢測儀器易受到催化劑中毒、傳感器抑制劑、傳感器破裂以及校正系數等因素的影響,企業(yè)應對進行定期的測試,以確保其可靠性。2電子表格電傳感器2.1有毒氣體傳感器電化學傳感器的工作原理是當特定氣體存在時,由于位于電解液中的電極表面化學的氧化還原反應而產生電氣參數變化。電化學式傳感器的特性主要包括以下幾個方面。a)在3電極傳感器上,通常由一個跳線來連接工作電極和參考電極,如果在儲存過程中將其移除,傳感器將需要很長時間來保持穩(wěn)定并準備使用。傳感器穩(wěn)定需要30min至24h,并需要3周時間來繼續(xù)保持穩(wěn)定。如果安裝在移動或靜態(tài)儀器中,傳感器不能長時間斷電。b)多數有毒氣體傳感器需要少量氧氣來保持功能正常。c)傳感器內電池的電解質是一種水溶劑,用憎水屏障予以隔離,憎水屏障具有防止水溶劑泄漏的作用,但水蒸氣可以穿過憎水屏障。在高濕度條件下,長時間暴露可能導致過量水分蓄積并導致泄漏。在低濕度條件下,傳感器可能燥結。設計用于監(jiān)控高濃度氣體的傳感器具有較低孔率屏障以限制通過的氣體分子量,因此它不受濕度影響,與用于監(jiān)控低濃度氣體的傳感器一樣,這種傳感器具有較高孔率屏障并允許氣體分子自由流動。d)電化學傳感器受壓力變化的影響極小,但傳感器內的壓差可能損壞傳感器,因此整個傳感器必須保持相同的壓力。電化學傳感器對溫度也非常敏感,因此通常采取內部溫度補償。但最好盡量保持標準溫度。一般而言,在溫度高于25℃時,傳感器讀數較高;低于25℃時,讀數較低。溫度影響通常為每攝氏度0.5%～1.0%,視制造商與傳感器類型而定。e)電化學傳感器通常對其目標氣體具有較高的選擇性。選擇性的程度取決于傳感器類型、目標氣體及濃度。最好的電化學傳感器是檢測氧氣的傳感器,它具有良好的選擇性、可靠性和較長的預期壽命。其它電化學傳感器容易受到其它氣體的干擾。f)電化學傳感器的預期壽命取決于幾個因素,包括要檢測的氣體和傳感器的使用環(huán)境條件。一般而言,規(guī)定的預期壽命為1～3年。在實際中,預期壽命主要取決于傳感器使用中所暴露的氣體總量以及其它環(huán)境條件,如溫度、壓力和濕度。2.2電化學式傳感器d的檢查a)在某個時段拆除電池或斷電時,建議對儀器進行復查。b)建議在使用非氧氣背景氣的場合執(zhí)行復檢。c)應避免在高濕度的環(huán)境中使用此類型儀器。d)電化學式傳感器在存放過程中同樣會消耗,建議不要存放報警器備件,尤其不要存放探頭。e)電化學式傳感器在低溫(≤15℃)和高溫(>50℃)工作時,其電解質性能可能會受到影響,應加以注意。3紅外傳感器3.1氣調與光學設備紅外式傳感器的工作原理是通過氣體吸收電磁輻射波束的能量來檢測氣體。紅外式傳感器的特性主要包括以下幾個方面。a)溫度:紅外式檢測器本質上是一種溫度傳感器,因此對環(huán)境溫度變化具有與生俱來的敏感性。設計得當的檢測器可以在-40～60℃溫度范圍內工作,而不受溫度波動的影響,但多數檢測器難以適應驟然的溫度變化,通常需要10～20min來達到溫度平衡。對于室外應用場合,由于環(huán)境溫度變化緩慢,通常不會構成嚴重問題。一般而言,檢測器設備的工作溫度應稍高于環(huán)境溫度以防止水珠凝結。光學設備及/檢測器上的水蒸氣凝結會嚴重影響分析儀器的性能。b)濕度:正常環(huán)境濕度對檢測器不會構成影響,但高濕度會加速腐蝕和污染,導致分析儀器發(fā)生故障,如果有腐蝕性氣體存在,高濕度產生的問題更加嚴重。c)敏感性:除碳氫化合物濃度外,紅外能量吸收直接與碳氫化合物的分子結構成正比。例如,檢測器對于簡單單鍵的甲烷敏感性最低,但對丙烷和丁烷的敏感性卻會急劇上升。在爆炸下限(LEL)或燃燒下限(LFL)范圍內應用時,其響應曲線呈現非線性。因此,系統中必須編入每種碳氫化合物獨自的響應曲線。d)預期壽命:紅外檢測器是一種固態(tài)設備,其內部密封著帶有藍寶石窗濾光器的電子儀器部件。紅外檢測器的預期壽命長,紅外光源的預期壽命通常為3～5年。如果紅外光源以低于設計的能量工作,這種壽命還可以延長。3.2紅外式傳感器在某些情況下,檢測某一特定氣體或有限范圍的氣體,紅外式傳感器需要校準。如果其它氣體的校準帶寬在紅外吸收帶之外,它們將不會被檢測到。因此與傳感器一體化的儀器應只用于檢測經過校準的氣體混合物。當采用保持光學元件清潔的過濾器,他們可能受阻于下面的條件:a)當某些檢測器由于現場存在水蒸氣或污染氣體時,檢測器可能發(fā)生嚴重錯誤。b)紅外式傳感器不能測量氫氣。c)某些類型的紅外傳感器,尤其是開放式的路徑設計,由于沖擊和震動使得敏感元件不能對準光源。4電離式檢測器pid4.1異丁烯治療b氣體校正光電離式檢測器(PID)采用紫外線使氣體分子發(fā)生電離,通常用于檢測揮發(fā)性有機化合物(VOC)。光電離傳感器的特性主要包括以下幾個方面。a)校正系數:光電離式傳感器通常采用異丁烯進行校正。光電離式儀器通常檢測低濃度氣體,這些氣體中的大多數一般為液態(tài)或不易校正的其它氣體。因此,利用異丁烯作為校正氣體,這些儀器的校正會更為容易,其它氣體的讀數可以通過將讀數與校正系數相乘得出。例如,苯的校正系數為0.5,也就是說,傳感器上100ppm苯的讀數代表苯的濃度為50ppm。對于響應系數為10的氨,傳感器上100ppm的讀數表示氨的濃度為1000ppm。儀器制造商通常會隨產品一起提供校正系數列表。需要注意的是,校正系數并不是絕對的,而且制造商之間的數據可能會略有不同,甚至在燈與燈之間,這些系數也可能有所不同,有時測量結果也會因測量時燈的紫外線輸出質量不同而不同。因此,要獲得特定氣體最為精確的讀數,需要為目標氣體進行單獨校正。b)儀器調零:當與氮氣、干燥潔凈的空氣和潔凈的環(huán)境空氣接觸時,光電離傳感器會產生不同的零讀數。因此,傳感器調零的條件最好與其應用場合的條件相同。c)光電離式傳感器響應特性:在200ppm以下,光電離式傳感器相對較為線性,傳感器輸出在2000ppm以上達到飽和。4.2窗口狀況的影響a)光電離式傳感器的光電離燈要求經常進行清潔。由于燈的窗口直接與樣品氣體流接觸,因此窗口的狀況對于產生精確的讀數非常關鍵,不潔窗口與潔凈窗口產生的測量結果大不相同。清潔窗口的頻率取決于樣品氣體流的狀態(tài)。b)由于光電離式傳感器要求定期清潔且預期壽命有限