催化燃燒與紅外吸收原理可燃氣體探測器探討

陸國平

（巴斯夫中國有限公司，上海 200233）

隨著國家在健康、安全、環(huán)保（HSE）方面法律法規(guī)的健全，以及人們安全意識的加強，可燃氣體探測器的用量大幅提升。工業(yè)生產(chǎn)中為保障人身和設備安全，對生產(chǎn)裝置可能存在可燃氣體泄露以及工廠可能集聚可燃氣體的地方，設置可燃氣體探測器，對環(huán)境中出現(xiàn)的易燃易爆氣體濃度進行監(jiān)測和報警，使工作人員可以迅速采取相應措施，防止惡性事故發(fā)生。它作為火災和氣體報警系統(tǒng)（FGS)中獲取基礎數(shù)據(jù)的現(xiàn)場變送器，其選型的正確性和運行的可靠性至關重要[1]。當前，在煉油、石化、化工和醫(yī)藥等工業(yè)領域中，可燃氣體探測器常用的主要類型為低溫催化燃燒型和非色散紅外吸收型兩種。以下是筆者針對這兩種主流可燃氣體探測器從原理出發(fā)分析其技術特點，以期給選用者提供正確選型的參考。

1 低溫催化燃燒型

1.1 低溫催化燃燒原理

催化燃燒檢測原理圖參見圖1。低溫催化燃燒（以下簡稱，催化燃燒）檢測原理是利用可燃氣體在具有催化性能的燈絲原件-檢測元件（由約0.03 mm 的pt 鉑金絲繞制、在燒結氧化鋁載體外涂Pd-鈀-催化劑的小珠）上產(chǎn)生低溫無焰燃燒，燃燒的熱量導致元件的溫度升高，從而使元件的阻值增大，通過惠斯頓電橋檢測其阻值的變化（ΔR)，以達到檢測氣體濃度的目的[2]。圖2 為檢測元件（燈絲）的結構圖解。

圖1 催化燃燒檢測原理圖

圖2 檢測元件（燈絲）

在橋路中，R1 = R2 >> R，當可燃氣體在檢測元件上產(chǎn)生低溫無焰燃燒時，導致元件溫度升高，電阻增大，阻值變化（ΔR)。

輸出端的ΔV出≈ （ΔR / 4R）×Δ V入。

良好的線性是催化燃燒原理探頭的一個顯著特點。

1.2 環(huán)境條件補償

應該看到，可燃氣體在檢測元件上燃燒導致元件升高的溫度，這個溫度是檢測元件與周圍環(huán)境的熱平衡溫度，即當檢測元件從燃燒中“獲得”的熱量與其因溫度升高散發(fā)給周圍的熱量相等時的溫度；為了補償環(huán)境溫度和濕度等的變化對測量帶來偏差，因此，在橋路的相鄰一臂，配有一個與檢測元件靜態(tài)（指橋路通電，而無可燃氣體存在的狀態(tài)）性能相適配的、無催化性能的燈絲原件-補償元件（同樣由pt 鉑金絲繞制、但在燒結氧化鋁載體外涂Au 金-鈍化劑-的小珠）；它與檢測元件處于相同的環(huán)境，它不與被測可燃氣體反應，而是同步補償環(huán)境條件變化對檢測元件的影響。

1.3 被測氣體的“廣譜性”

從檢測原理上看，檢測元件阻值變化的源頭是燃燒的熱量，因此，原則上講，只要被測氣體能在催化小珠上（小珠“靜態(tài)”時的溫度約450℃）被燃燒而釋放出熱量，那它就能被檢測，這就是所謂的“廣譜性”。當然，在有多種可燃氣體存在的情況下，探測器無法區(qū)分被測氣體的種類和各自的濃度，它體現(xiàn)出的是綜合的效應。

1.4 濃度單位LEL

與我們常用體積濃度、摩爾濃度等氣體濃度單位不同，可燃氣體探測器采用“最低爆炸極限”LEL (Lower Explosive Limit)作為氣體濃度單位。上述已經(jīng)說明，催化燃燒原理探測器，檢測元件靈敏度取決于被測氣體燃燒的熱量。表1 列出了一些碳氫化合物的極限燃燒值[3]。

觀察表1 中所列數(shù)據(jù)，雖然它們的摩爾燃燒值差異很大（見表中第4 列）；但“極限燃燒值”相當接近（見表中第5 列）；意味著，相同100% LEL 濃度的不同氣體的燃燒熱，雖有差別，但很相近，因此，可燃氣體探測器采用氣體的最低爆炸極限的百分比，即100% LEL 作為被測氣體的濃度單位。

2 非色散紅外吸收型

2.1 非色散紅外吸收原理

與催化燃燒原理不同，非色散紅外吸收（以下簡稱，紅外吸收）原理是基于某些可燃氣體對某一頻段紅外線有明顯吸收能力，當被測可燃氣體（云）通過紅外線光路，可燃氣體將吸收部分紅外線，通過測量紅外線能量的減少，達到檢測氣體濃度的目的[4]。

表1 一些碳氫化合物的極限燃燒值

被測氣體吸收紅外能量，造成到達檢測器的紅外能量的減少，由朗伯-比耳定律表示為[5]：

式中 I0— 探測器發(fā)出的某一頻段（非色散）紅外線 的能量；對確定的探測器是確定的；

C — 被測氣體濃度；是被測參數(shù)；

l — 光路的長度；對確定的點式探測器也是確 定的；

k — 被測氣體對確定頻段紅外線的吸收系數(shù)。

公式表明，紅外能量的減少△I 與氣體濃度C 之間是嚴重的非線性關系，并隨不同的吸收系數(shù)k 而異，必須用專用軟件進行線性處理。

2.2 氣體的確認和線性化

根據(jù)以上公式，紅外能量的減少，與被測氣體對探測器確定頻段紅外輻射能的吸收系數(shù)k 相關。因此，在選用紅外吸收原理的氣體探測器前，必須明確被測氣體以及檢測環(huán)境的背景氣體，以便探測器選擇相應的k 值和線性化軟件。

2.3 紅外頻段的確定

碳氫化合物對特定頻段的紅外有較高吸收能力，而不同氣體所“敏感”的頻段會有所差異，探測器它所選用的紅外頻段，一是盡量多的“ 覆蓋”被測氣體；二是在此頻段氣體的紅外能量，不被存在于背景氣體中的二氧化碳、水蒸氣所吸收；一般探測器比較集中選用中波紅外，波長為 3.0 ～4.0 μm。

圖3 一個紅外吸收探測器的光路示意圖

2.4 光路

被測氣體是在“穿過”紅外線從發(fā)射（光源）到接收器（檢測器）間的光路中吸收部分能量的，如圖3所示。通常在平行的光路中有兩束光線，一束是能被被測氣體所吸收，而另一是不被氣體所吸收，它是補償電源、光源本身等對檢測光束可能帶來的偏差；雙光束可以來自單光源（即單光源雙光束），也有來自雙光源（雙光源雙光束比單光源更穩(wěn)定）從上述的公式中可以看到，與氣體接觸的光路長度L 愈長，靈敏度愈高。

在光路的行程中，會涉及透鏡鏡頭，它們與環(huán)境密切接觸，為避免起霧結露，探測器的熱光路技術是必須的；透鏡鏡頭在與被測氣體的接觸中會受到污染，多數(shù)探測器都具有光路受阻的故障報警，而有些探測器采取四光束雙補償來彌補光路中可能的偏差。

3 分析比較

3.1 故障自診斷

對于催化燃燒原理的探頭，由于檢測元件催化性能喪失而造成的探頭失效故障，傳感器無法實施對其的故障自診斷，它只能通過定期實際氣體的標定來判斷其有效性。

紅外吸收原理點式氣體探測器的故障均可由智能儀表的自診斷系統(tǒng)判別和代碼顯示，用戶在日常維護過程中可以做到有的放矢，從而降低勞動強度和維護成本。

3.2 局限性

催化燃燒是一個化學反應，受制于許多條件，表1 中所列的燃燒值是在一定條件下，氣體完全燃燒時所釋放的熱量，因此，被測氣體在催化小珠上能否完全燃燒、導致多高的溫升、能使催化小珠產(chǎn)生多大的阻值變化，除了與被測氣體的種類、濃度以及濃度變化梯度等相關外，還受背景氣體和環(huán)境狀況的影響，如在缺氧（小于10%含氧量）或存在能使催化劑中毒背景氣氛（如：硫、磷、硅、鉛、鹵化物等介質(zhì)）的情況下，催化元件可能出現(xiàn)反應阻緩或中毒而導致探頭靈敏度減低甚至喪失的現(xiàn)象，在類似的情況下，就不宜采用催化燃燒原理的探測器或需視具體情況選用某些有抗中毒功能的催化燃燒探頭[2]。

相比于催化燃燒原理，紅外吸收無化學反應發(fā)生，探測器在使用過程中不會有缺氧影響檢測和探頭受背景氣氛影響而中毒的局限。但從圖3 可知，透鏡在與被測氣體的接觸中會受到污染，這些污染會影響檢測效果。因此，用戶應選用具有光路受阻故障報警功能的探測器，使用過程中還應關注這類報警。此外，紅外吸收型可燃氣體探測器特別適用于對某一頻帶紅外光具有較強吸收能力的碳氫化合物，不適用被測氣體為氫氣的應用場合。

3.3 其他

與催化燃燒的化學反應不同，紅外吸收是一個物理過程，這種原理的探測器，具有高可靠性和穩(wěn)定性，耐高濃度可燃氣體沖擊而不會導致靈敏度降低等特有的優(yōu)點。而且紅外光源的發(fā)展也很快，已從傳統(tǒng)的是“燈絲燈泡（Filament Lamp）”，發(fā)展為具有高閃爍頻率的固態(tài)紅外光源；接受器從傳統(tǒng)的利用紅外線的熱效應轉換成電信號，到現(xiàn)在已有用固溶體薄膜的光電二極管替代，從而使其在長期工作穩(wěn)定性、壽命、能耗、快速響應等方面得到進一步提升。

4 結束語

應該說低溫催化燃燒原理和非色散紅外吸收原理這兩類可燃氣體探測器各有特點，使用中又各有利弊。從應用的角度看，關鍵是要根據(jù)氣體類別和應用場合正確選用。此外，催化燃燒型有面廣量大和價格的優(yōu)勢，紅外吸收型有方便使用和易于維護等優(yōu)勢。了解兩種原理的實質(zhì)，正確選用、定期維護保養(yǎng)和標定，是確保可燃氣體探測器可靠運行的關鍵。

[1] 陸國平.可燃氣體和有毒氣體監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].石油化工自動化，2005, 41(6):17-20.

[2] GB 50493-2009. 石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范[S].中國計劃出版社，2009.

[3] DAVID R.LIDE Editor-in-chief * HEAT OF COMBUSTION,《CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition,2003-2004).

[4] 王紹中，就地紅外原理可燃氣體探測變送器[J].《石油化工自動化》，1999，(1):59-60.

[5] DAVID R.LIDE Editor-in-chief * FLAMMABILITY OF CHEMICAL SUBSTANCES, 《CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition,2003-2004).