可燃氣體監(jiān)測及其監(jiān)測原理

　　一、可燃氣體監(jiān)測的重要性
 

　　可燃氣體在許多工業(yè)生產(chǎn)過程、日常生活場景(如使用天然氣的家庭環(huán)境)中廣泛存在。一旦可燃氣體泄漏并積聚到一定濃度，遇到火源就會引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如，在煤礦井下，瓦斯(主要成分是甲烷)泄漏可能導(dǎo)致礦難。因此，對可燃氣體進行有效監(jiān)測至關(guān)重要。
 

　　二、可燃氣體監(jiān)測的原理
 

　　(一)催化燃燒式
 

　　這種傳感器的工作原理基于可燃氣體在催化劑作用下的燃燒反應(yīng)。當(dāng)可燃氣體(如氫氣、一氧化碳、甲烷等)進入傳感器后，在催化劑(通常是鉑、鈀等貴金屬)的表面發(fā)生無焰燃燒。
 

　　燃燒過程會產(chǎn)生熱量，使傳感器的溫度升高。溫度的變化導(dǎo)致惠斯通電橋(由四個電阻組成的電路結(jié)構(gòu))中檢測元件的電阻值發(fā)生改變。通過測量電橋輸出的電壓變化，就可以確定可燃氣體的濃度。這種傳感器對大多數(shù)可燃氣體都比較敏感，響應(yīng)速度快，能夠檢測較低濃度的可燃氣體。不過，它的缺點是催化劑容易中毒，受到硫化物、硅烷等物質(zhì)的影響而失去活性。
 

　　(二)半導(dǎo)體式
 

　　半導(dǎo)體式傳感器主要利用某些金屬氧化物(如二氧化錫、氧化鋅等)半導(dǎo)體材料在接觸可燃氣體時，其表面的電子狀態(tài)會發(fā)生改變。當(dāng)可燃氣體吸附在半導(dǎo)體表面時，會和半導(dǎo)體材料發(fā)生氧化 - 還原反應(yīng)。
 

　　例如，對于二氧化錫半導(dǎo)體，在接觸可燃氣體(如乙醇氣體)后，會使二氧化錫中的氧離子減少，導(dǎo)致其電阻下降。通過檢測半導(dǎo)體電阻的變化來反映可燃氣體的濃度。這種傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、對多種可燃氣體有響應(yīng)。但是，它的靈敏度受環(huán)境溫度、濕度影響較大，并且選擇性相對較差，容易受到其他氣體的干擾。
 

　　(三)紅外吸收式
 

　　不同的氣體分子對特定波長的紅外光有吸收作用。對于可燃氣體，例如甲烷，它在 3.3 - 3.4μm 波長范圍內(nèi)有強烈的紅外吸收峰。紅外吸收式傳感器就是利用這一特性。
 

　　紅外光源發(fā)出的紅外光通過含有可燃氣體的氣室，可燃氣體吸收特定波長的紅外光后，到達探測器的光強度會減弱。根據(jù)朗伯 - 比爾定律(吸光度與氣體濃度和光程長度成正比)，通過測量光強度的變化就可以計算出可燃氣體的濃度。這種方法的優(yōu)點是精度高、抗干擾能力強，不受可燃氣體中毒的影響。不過，它的設(shè)備成本較高，對環(huán)境中的灰塵、水汽等因素比較敏感，需要定期維護。
 

　　三、可燃氣體監(jiān)測設(shè)備的組成部分
 

　　(一)傳感器探頭
 

　　這是可燃氣體監(jiān)測設(shè)備的核心部件，負責(zé)檢測可燃氣體的存在和濃度。根據(jù)不同的監(jiān)測原理，傳感器探頭的結(jié)構(gòu)和材料有所不同。如催化燃燒式傳感器探頭包含催化劑、加熱元件和檢測元件；半導(dǎo)體式傳感器探頭主要是金屬氧化物半導(dǎo)體材料；紅外吸收式傳感器探頭則有紅外光源、氣室和探測器。
 

　　(二)信號處理單元
 

　　傳感器探頭檢測到的信號(如電壓變化、電阻變化或光強變化等)通常很微弱，需要經(jīng)過信號處理單元進行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等操作。放大電路可以將微弱信號增強到合適的幅度，濾波電路用于去除信號中的噪聲干擾，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路則將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。
 

　　(三)顯示與報警單元
 

　　顯示單元用于直觀地向用戶展示可燃氣體的濃度信息?？梢允呛唵蔚臄?shù)字顯示屏，顯示實時濃度值；也可以是帶有圖形界面的顯示器，提供更詳細的濃度變化曲線等信息。報警單元在可燃氣體濃度超過設(shè)定的安全閾值時發(fā)出警報。警報方式包括聲光報警，如發(fā)出高分貝的蜂鳴聲和閃爍的燈光，提醒現(xiàn)場人員注意危險情況。
 

　　(四)數(shù)據(jù)傳輸與記錄單元
 

　　一些先進的可燃氣體監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心。通過有線(如 RS - 485、以太網(wǎng)等)或無線(如 ZigBee、Wi - Fi、4G/5G 等)通信方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同時，設(shè)備內(nèi)部通常還配備存儲單元，用于記錄一段時間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于事后分析事故原因、評估安全狀況等。
 

　　四、可燃氣體監(jiān)測的應(yīng)用場景
 

　　(一)工業(yè)領(lǐng)域
 

　　在石油化工行業(yè)，煉油廠、化工廠等場所存在大量的可燃氣體，如乙烯、丙烯、氫氣等?？扇細怏w監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測生產(chǎn)裝置、儲存罐區(qū)等區(qū)域的可燃氣體泄漏情況，確保生產(chǎn)安全。在煤礦行業(yè)，用于監(jiān)測瓦斯?jié)舛?，防止瓦斯爆炸事故?br /> 

　　(二)建筑領(lǐng)域
 

　　在建筑物中，特別是使用天然氣、液化石油氣等可燃氣體作為燃料的場所，如居民住宅、酒店、餐廳等，可燃氣體監(jiān)測設(shè)備安裝在廚房等位置，可以及時發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏，保護居民和使用者的生命財產(chǎn)安全。
 

　　(三)交通運輸領(lǐng)域
 

　　在汽車、船舶等交通工具中，對于使用天然氣或其他可燃氣體作為燃料的情況，需要監(jiān)測可燃氣體是否泄漏。例如，天然氣公交車內(nèi)安裝有可燃氣體監(jiān)測裝置，一旦發(fā)生泄漏可以及時采取措施，避免發(fā)生危險。