催化式可燃气体探测器运行的概念以及LEL爆炸极限

首先来声明几个常见的概念。

1、可燃气体：能够与空气（或氧气）在一定浓度范围内均匀混合形成预混气，遇到火源会发生爆炸，燃烧过程中释放出大量能量的气体。可以检测的可燃气体包含烷类(如甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷等)、烃类(如多烷烃)、醇类(如甲醇、乙醇等)、醛类(如甲醛等)、苯类(如甲苯、二甲苯等)、乙炔、挥发性有机物等。常见可燃气体化学方程式如下所述：

甲烷：CH₄+2O₂==CO₂+2H₂O

小分子烷烃：

2C_nH_(2n+2)+(3n+1)O₂==2nCO₂+(2n+2)H₂O

小分子烯烃：

2C_nH_2n+3nO₂==2nCO₂+2nH₂O

小分子炔烃：

2C_nH_(2n-2)+(3n-1)O₂==2nCO₂+(2n-2)H₂O

硫化氢：2H₂S+3O₂==2SO₂+H₂O

氢气：2H₂+O₂==2H₂O

一氧化碳：2CO+O₂==2CO₂

2、体积百分比：即溶质占溶液中的体积之比，记为%vol，对于可燃气体而言，即可燃气体体积÷预混气体积=%vol

3、爆炸极限：当可燃性气体与空气混合，将形成空气可燃气混合气体，根据混合气体中可燃性气体的浓度，可将混合气体分成三个区域，即歉量区、爆炸区及富量区（见图1）。爆炸区的下限值，称爆炸下限（LEL）；爆炸区的上限值，称爆炸上限（UEL）。每种气体的最低爆炸极限与最高爆炸极限是确定的，可查阅有关手册。

图1

例如：甲烷（CH4）在空气中的爆炸下限（LEL）为5%vol，爆炸上限（UEL）为15%vol，低于5%vol（100%LEL）不会爆炸，高于15%vol（100%UEL）不会爆炸，在5%～15%vol之间会爆炸。

4、ppm浓度：溶质占溶液中的体积的百万分之比，对于气体而言，1ppm即为体积分数的百万分之一，即

1ppm=0.01%vol；

5%vol=1%LEL=500ppm（CH₄）。

催化燃烧探测器是一种常见的可燃气体探测器，采用惠斯通电桥原理，当检测到可燃气体时，气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，使元件升温，导致电阻发生变化使得电桥不平衡，此时电桥的输出信号与可燃气体的浓度成线性关系，进行转化就可测出可燃气体的浓度。

1、 电路的感应元件是由铂丝线圈上包以氧化铝和粘合剂形成球状，经烧结而成。其外表面敷有铂、钯等稀有金属的催化剂，习惯上称之为黑元件。反之其未涂覆或浸渍有铂、钯等稀有金属的催化剂，称之为白元件。通电后，铂丝的温度上升至工作温度，当空气中存在可燃气体时，由于催化剂作用产生无焰燃烧，感应元件温度升高，铂丝电阻会增大。如图2所示：

图2

2、将阻值相近的黑白元件搭配连接在惠斯通电桥中，组成工作电路。黑元件作为感应元件，白元件作为补偿元件，感应元件可以对可燃气体产生反应，补偿元件无反应，用于消除环境影响。如图3所示：

图3

设Rx为感应元件，R1与R2为补偿电阻，R为补偿元件。在未检测到可燃气体时，Rx为基础数值R₀，设φ_C=0，电源U_AC=φ_A-φ_C=φ_A =U₀。

则U_BD=φ_B-φ_D=U_BC-U_DC

=U_AC?Rx/（Rx+R1）-U_AC?R/（R2+R）

=U₀?【Rx/（Rx+R1）-R/（R2+R）】；

则此时感应元件和补偿元件阻值相同，使电压计U_BD=0，则φ_B=φ_D，R1/Rx=R2/R；

当检测到可燃气体时，Rx增加数值ΔR，在R不改变的前提下，U_BD将增大。

设铂丝的电阻温度系数为a，温度变化为Δt，燃烧焓变为ΔH，可燃气体体积分数为V，铂丝热容量为C；

则Δt?C=ΔH?V；

ΔR=R₀?a?Δt=R0?a?ΔH?V/C；

ΔR与可燃气体体积分数V成正比。

惠斯通电路元件的灵敏度很高，稳定性和线性变化也很好，制作简便，抗水蒸气干扰性能好。因此催化燃烧式的可燃气体探测器被广泛应用，常制作成便携式气体检测仪或者固定式的检测探头，气体采集方式常选择自由扩散式或者机器泵吸式。但该类型探测器仍存在以下不足：

1、催化燃烧反应无法分辨可燃气体的具体成分，无论是甲烷泄露，还是硫化氢泄露，或者两者皆有，探测器都只能无差别报警。

2、感应元件的化学反应需要有氧气参与，当氧气浓度低于16%时检测数值就会偏低，因此当可燃气体浓度太高时，无焰燃烧停止，铂丝电阻就不发生变化，仪器就无法正常显示数值。

3、铂丝（Pt）的金属活性容易受到硫（S）、磷（P）、铅（Pb）、锑（Sb）、硅（Si）、氯（Cl）等影响，减弱催化活性，称为感应元件的中毒。元件中毒会导致灵敏度降低，缩短探测器寿命。

4、目前的响应时间一般可达到＜30秒，误差准确度为±5%（F?S，满量程），最小分辨率一般为0.1%LEL即50ppm。对于一些条件严格的工况，这样的性能还不能满足要求。

5、依据相关国家或行业标准，在初次使用前，需要使用60%LEL的标准气体对探测器进行校准调零，之后使用10%、40%和60%LEL三种标准气体对探测器数值的算术平均值进行误差检定，再使用40%LEL的标准气体对探测器的精密度和响应时间进行检定。此后探测器的检定周期为1年，而探测器的使用寿命一般至3～5年。

转载自湖南赛西官网：https://www.hnsxkj.cn/news/114.html