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甲烷場所氣體探測器的選型及安裝研究 何志聰，蔡 響，陳佳志，羅 靜 【摘 要】該文闡述甲烷場所氣體探測器在使用中的主要問題，并對幾類常用氣 體探測傳感器優缺點進行了比較，探討了甲烷制造與運輸廠、儲存廠等場所甲 烷探測器的選擇及安裝使用等問題，為甲烷氣體探測器的制造商、安裝者、使 用群體以及驗收檢查等相關人員提供技術參考。 【期刊名稱】鄂州大學學報 【年(卷),期】2018(025)006 【總頁數】3 【關鍵詞】甲烷；催化燃燒式；紅外式；激光式 基金項目：湖北理工學院校級青年科研項目（18xj z09Q）；2018 年大學生創 新創業訓練計劃項目（10920075） 隨著社會的不斷發展，甲烷（CH4）作為爆炸性氣體[1-2]，在燃料領域的應用 日益廣泛。作為天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分甲烷探測器，當甲烷濃度 在 5%到 16%之間，碰到明火就會爆炸。甲烷也是一種溫室氣體，等量甲烷的 溫室效應比二氧化碳大得多。一般情況下甲烷探測器，甲烷受熱分解后會形成碳黑，它是 橡膠領域的核心物質，在氫氯酸、甲醛以及某些染料的生產等方面應用甚廣。 甲烷經取代反應后形成的有機物是一類極佳的溶劑類物質。作為甲類易燃氣體 的代表，甲烷場所的防火、防爆安全問題不得不引起人們的重視。

目前，測量甲烷的可燃氣體探測器一般都安裝在甲烷的制造與運輸廠、儲存廠 等場所，但通過對比最近幾年的檢測數據，發現某些設備的實際運行情況并未 達到人們的預期。本文分析了甲烷的性質、甲烷氣體探測器在使用中的主要問 題，通過對比幾類常用氣體探測傳感器特點，探討甲烷場所氣體探測器的選擇 及安裝使用等問題。 1 甲烷的性質 甲烷是自然界中分布極為廣泛，最簡單的有機化合物。在標準狀況下，甲烷的 密度為 0.717g/L，甲烷分子是以碳原子為中心，四個氫原子為頂點的正四面體， 四個碳-氫鍵的長度和強度相同，鍵角均為 109°28′。 一般情況下，甲烷對人體并無害處，但一旦其濃度過高，會使空氣中的含氧量 減少，嚴重時甚至使人窒息。甲烷無色、無味甲烷探測器，微溶于水，易溶于醇、乙醚。 甲烷的爆炸危險性見表 1。 2 甲烷氣體探測器在使用中的主要問題 目前，在甲烷的制造與運輸廠、儲存廠等場所氫氣報警器，雖然都安裝有對應的探測器， 但普遍存在測量誤差偏大、受潮濕和粉塵干擾嚴重和易中毒等問題。 （1）甲烷氣體探測器測量誤差偏大。某些可燃氣體探測器在現場安裝使用過程 中，會出現測量值不準、誤差偏大等現象，嚴重影響了測試現場的安全性。

（2）甲烷氣體探測器受潮濕和粉塵干擾嚴重。由于某些氣體探測器的安裝環境 惡劣，在潮濕與粉塵條件下，經過一定時間，氣體探測器均出現了標定失效、 測量不準等問題。 （3）甲烷氣體探測器易中毒。在實際的安裝場所中往往并只有甲烷氣體，通常 還混雜有丙烷、丁烷等烷烴類以及其他物質，由于某些氣體探測器原理的限制， 在復合氣體環境下，會出現“中毒”現象。 3 幾種常用氣體傳感器 目前，市面上能對甲烷氣體進行探測的傳感器種類有很多，主要包括半導體式 氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、色譜式氣體傳感器、電化學式氣體傳感 器、紅外式氣體傳感器以及激光式氣體傳感器。 3.1 半導體式氣體傳感器 早在 1931 年，P.Braver 等發現 CuO 的電導率會隨著吸附的水蒸氣而發生改變。 1948 年二氧化碳報警器，J.Gray 發現 CuO2 薄膜在 200℃左右存在氣敏性，而低于 200℃則 不存在。1962 年，日本清山哲郎與田口尚義等對 ZnO、SnO2 薄膜的開創性 研究，才使氣敏元件和傳感器有了真正發展。 半導體式氣體傳感器中包含一種由金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料制成的 目標氣體的氣敏元件，利用目標氣體在半導體表面發生化學反應（通常為氧化 還原反應），引起載流子運動為特征的電導率、伏安特性或表面電位變化，從而 達到知曉對應氣體濃度的目的。

根據作用機理的不同可以分為表面電位型（采 用氣敏元件吸附氣體后界面電位或表面電位變化）、體積控制型（基于氣敏元件 與對應氣體發生反應后體積變化）和表面控制型（采用光敏元件吸附對應氣體 后電導率改變）等。 半導體式氣體傳感器的氣敏元件初始恢復特性曲線如圖 1 所示。可以看到，使 用前的老化一般在幾十分鐘到 48 小時不等；經過冷置存放后的傳感器，通電 瞬間傳感器的氣敏元件的電阻會急劇下降，后逐漸變大至穩定。 半導體式氣體傳感器[3]因低廉的價格而成為最常見的氣體傳感器，但由于穩定 性不足且對氣體的選擇性比較弱使其主要應用于民用領域。 3.2 催化燃燒式氣體傳感器 催化燃燒式氣體傳感器[4]的使用已超過 50 年，最初是用于監測采礦場中的甲 烷。催化燃燒是典型的氣-固相催化反應，當目標可燃氣體擴散到傳感器的催化 燃燒室在起燃溫度 200～300℃下目標氣體與吸附氧發生反應（氣體無焰燃燒）， 并放出大量的熱，導致感溫線圈（一般為鉑絲線圈，φ0.025～φ0.5，結構圖如 圖 2 所示）電阻發生改變，通過檢測感溫線圈電阻的改變而實現對目標氣體的 檢測。 催化燃燒的實質是催化劑的活性組分使空氣中的氧氣活化，當活性氧與目標氣 體分子接觸發生了能量的傳遞，目標氣體分子隨之被活化，從而加快了氧化反 應的速率。

圖 3 為催化燃燒式氣體傳感器的工作原理，其中，檢測元件和補償元件串聯， 與外部放大器形成惠斯通電橋。 3.3 紅外式氣體傳感器 紅外式氣體傳感器的工作原理是利用氣體分子對某一特定波長的紅外輻射具有 強吸收，通過檢測光強變化量，達到判斷氣體濃度的目的。其工作原理如圖 4 所示。 對于波長范圍為 2-10μm 的紅外光，不同異核氣體分子由于旋轉和振動對不同 波長的紅外光有特異吸收，當紅外光透過目標氣體時，通過檢測紅外光譜的缺 失及投射光強即可實現對氣體濃度的監測。 3.4 激光式氣體傳感器 激光式氣體傳感器[5-6]，是基于可調諧半導體激光器對目標氣體分子的“選頻” 特性，實現對被測氣體特性的測量。其工作過程是通過對激光二極管的注入電 流和目標溫度進行控制，實現對

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