甲烷场所气体探测器的选型及安装研究 何志聪，蔡 响，陈佳志，罗 静 【摘 要】该文阐述甲烷场所气体探测器在使用中的主要问题，并对几类常用气 体探测传感器优缺点进行了比较，探讨了甲烷制造与运输厂、储存厂等场所甲 烷探测器的选择及安装使用等问题，为甲烷气体探测器的制造商、安装者、使 用群体以及验收检查等相关人员提供技术参考。 【期刊名称】鄂州大学学报 【年(卷),期】2018(025)006 【总页数】3 【关键词】甲烷；催化燃烧式；红外式；激光式 基金项目：湖北理工学院校级青年科研项目（18xj z09Q）；2018 年大学生创 新创业训练计划项目（10920075） 随着社会的不断发展，甲烷（CH4）作为爆炸性气体[1-2]，在燃料领域的应用 日益广泛。作为天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分甲烷探测器，当甲烷浓度 在 5%到 16%之间，碰到明火就会爆炸。甲烷也是一种温室气体，等量甲烷的 温室效应比二氧化碳大得多。一般情况下甲烷探测器，甲烷受热分解后会形成碳黑，它是 橡胶领域的核心物质，在氢氯酸、甲醛以及某些染料的生产等方面应用甚广。 甲烷经取代反应后形成的有机物是一类极佳的溶剂类物质。作为甲类易燃气体 的代表，甲烷场所的防火、防爆安全问题不得不引起人们的重视。

目前，测量甲烷的可燃气体探测器一般都安装在甲烷的制造与运输厂、储存厂 等场所，但通过对比最近几年的检测数据，发现某些设备的实际运行情况并未 达到人们的预期。本文分析了甲烷的性质、甲烷气体探测器在使用中的主要问 题，通过对比几类常用气体探测传感器特点，探讨甲烷场所气体探测器的选择 及安装使用等问题。 1 甲烷的性质 甲烷是自然界中分布极为广泛，最简单的有机化合物。在标准状况下，甲烷的 密度为 0.717g/L，甲烷分子是以碳原子为中心，四个氢原子为顶点的正四面体， 四个碳-氢键的长度和强度相同，键角均为 109°28′。 一般情况下，甲烷对人体并无害处，但一旦其浓度过高，会使空气中的含氧量 减少，严重时甚至使人窒息。甲烷无色、无味甲烷探测器，微溶于水，易溶于醇、乙醚。 甲烷的爆炸危险性见表 1。 2 甲烷气体探测器在使用中的主要问题 目前，在甲烷的制造与运输厂、储存厂等场所氢气报警器，虽然都安装有对应的探测器， 但普遍存在测量误差偏大、受潮湿和粉尘干扰严重和易中毒等问题。 （1）甲烷气体探测器测量误差偏大。某些可燃气体探测器在现场安装使用过程 中，会出现测量值不准、误差偏大等现象，严重影响了测试现场的安全性。

（2）甲烷气体探测器受潮湿和粉尘干扰严重。由于某些气体探测器的安装环境 恶劣，在潮湿与粉尘条件下，经过一定时间，气体探测器均出现了标定失效、 测量不准等问题。 （3）甲烷气体探测器易中毒。在实际的安装场所中往往并只有甲烷气体，通常 还混杂有丙烷、丁烷等烷烃类以及其他物质，由于某些气体探测器原理的限制， 在复合气体环境下，会出现“中毒”现象。 3 几种常用气体传感器 目前，市面上能对甲烷气体进行探测的传感器种类有很多，主要包括半导体式 气体传感器、催化燃烧式气体传感器、色谱式气体传感器、电化学式气体传感 器、红外式气体传感器以及激光式气体传感器。 3.1 半导体式气体传感器 早在 1931 年，P.Braver 等发现 CuO 的电导率会随着吸附的水蒸气而发生改变。 1948 年二氧化碳报警器，J.Gray 发现 CuO2 薄膜在 200℃左右存在气敏性，而低于 200℃则 不存在。1962 年，日本清山哲郎与田口尚义等对 ZnO、SnO2 薄膜的开创性 研究，才使气敏元件和传感器有了真正发展。 半导体式气体传感器中包含一种由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的 目标气体的气敏元件，利用目标气体在半导体表面发生化学反应（通常为氧化 还原反应），引起载流子运动为特征的电导率、伏安特性或表面电位变化，从而 达到知晓对应气体浓度的目的。

根据作用机理的不同可以分为表面电位型（采 用气敏元件吸附气体后界面电位或表面电位变化）、体积控制型（基于气敏元件 与对应气体发生反应后体积变化）和表面控制型（采用光敏元件吸附对应气体 后电导率改变）等。 半导体式气体传感器的气敏元件初始恢复特性曲线如图 1 所示。可以看到，使 用前的老化一般在几十分钟到 48 小时不等；经过冷置存放后的传感器，通电 瞬间传感器的气敏元件的电阻会急剧下降，后逐渐变大至稳定。 半导体式气体传感器[3]因低廉的价格而成为最常见的气体传感器，但由于稳定 性不足且对气体的选择性比较弱使其主要应用于民用领域。 3.2 催化燃烧式气体传感器 催化燃烧式气体传感器[4]的使用已超过 50 年，最初是用于监测采矿场中的甲 烷。催化燃烧是典型的气-固相催化反应，当目标可燃气体扩散到传感器的催化 燃烧室在起燃温度 200～300℃下目标气体与吸附氧发生反应（气体无焰燃烧）， 并放出大量的热，导致感温线圈（一般为铂丝线圈，φ0.025～φ0.5，结构图如 图 2 所示）电阻发生改变，通过检测感温线圈电阻的改变而实现对目标气体的 检测。 催化燃烧的实质是催化剂的活性组分使空气中的氧气活化，当活性氧与目标气 体分子接触发生了能量的传递，目标气体分子随之被活化，从而加快了氧化反 应的速率。

图 3 为催化燃烧式气体传感器的工作原理，其中，检测元件和补偿元件串联， 与外部放大器形成惠斯通电桥。 3.3 红外式气体传感器 红外式气体传感器的工作原理是利用气体分子对某一特定波长的红外辐射具有 强吸收，通过检测光强变化量，达到判断气体浓度的目的。其工作原理如图 4 所示。 对于波长范围为 2-10μm 的红外光，不同异核气体分子由于旋转和振动对不同 波长的红外光有特异吸收，当红外光透过目标气体时，通过检测红外光谱的缺 失及投射光强即可实现对气体浓度的监测。 3.4 激光式气体传感器 激光式气体传感器[5-6]，是基于可调谐半导体激光器对目标气体分子的“选频” 特性，实现对被测气体特性的测量。其工作过程是通过对激光二极管的注入电 流和目标温度进行控制，实现对

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