可燃?xì)怏w是一種清潔能源，給我們的生活帶來(lái)了極大的便利。然而，一旦可燃?xì)怏w泄漏，其后果是不堪設(shè)想的?？扇?xì)怏w的泄漏很可能發(fā)生中毒、爆炸等危險(xiǎn)。因此，可燃?xì)怏w傳感器對(duì)我們的生活變得十分的重要了。

什么是可燃?xì)怏w?

可燃?xì)怏w是指能夠引燃且在常溫常壓下呈氣體狀態(tài)的物質(zhì)，能夠與空氣(或氧氣)在一定濃度范圍內(nèi)均勻混合形成預(yù)混氣，遇到火源會(huì)發(fā)生爆炸，燃燒過(guò)程中釋放出大量能量的氣體。

可燃?xì)怏w種類有很多，如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、天然氣、液化石油氣、城市煤氣、高爐煤氣等。

可燃?xì)怏w一旦泄漏，該如何發(fā)現(xiàn)它，避免事故發(fā)生呢?

可燃?xì)怏w傳感器的種類?

燃?xì)鈭?bào)警器，是一種燃?xì)獍踩婪懂a(chǎn)品，當(dāng)燃?xì)庠诳諝庵械臐舛瘸^(guò)設(shè)定值，可燃?xì)怏w傳感器便會(huì)被觸發(fā)產(chǎn)生報(bào)警?？扇?xì)怏w傳感器主要有氧化物半導(dǎo)體型、催化燃燒型、電化學(xué)式型以及紅外型。

01 氧化物半導(dǎo)體型可燃?xì)怏w傳感器

金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時(shí)，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時(shí)在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢(shì)壘升高，從而阻礙電子流動(dòng)(見(jiàn)圖1)。

在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體微晶粒的結(jié)合部位(晶界)才能形成電流。由氧吸附產(chǎn)生的勢(shì)壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動(dòng)，傳感器的電阻即緣于這種勢(shì)壘。在工作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體時(shí)，氧負(fù)離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢(shì)壘隨之降低(見(jiàn)圖2)，導(dǎo)致傳感器的阻值減小。

02 催化燃燒型可燃?xì)怏w傳感器

催化燃燒式氣體傳感器由對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的檢測(cè)元件(D)和不與可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的補(bǔ)償元件(C)2個(gè)部分構(gòu)成。如果存在可燃?xì)怏w的話，只有檢測(cè)元件表面可以燃燒，因此檢測(cè)元件溫度上升使檢測(cè)元件的電阻增加。

相反，因?yàn)檠a(bǔ)償元件不燃燒，其電阻不發(fā)生變化。這些元件組成惠斯通電橋回路，不存在可燃?xì)怏w的氛圍中，可以調(diào)整可變電阻(VR)讓電橋回路處于平衡狀態(tài)。然后，當(dāng)氣體傳感器暴露于可燃?xì)怏w中時(shí)，只有檢測(cè)元件的電阻上升，因此電橋回路的平衡被打破，這個(gè)變化表現(xiàn)為不均衡電壓(Vout)而可以被檢測(cè)出來(lái)。

03 電化學(xué)型可燃?xì)怏w傳感器

傳感器由貴金屬催化劑的檢測(cè)極、對(duì)極與離子傳導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)CO等可燃檢測(cè)對(duì)象氣體存在時(shí)，在檢測(cè)極催化劑上與空氣中的水蒸氣發(fā)生①式所示的反應(yīng)。

CO + H2O → CO2+ 2H+ + 2e- …①

檢測(cè)極與對(duì)極接通電流(短路)后，檢測(cè)極產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)與同時(shí)產(chǎn)生的電子(e-)分別通過(guò)離子傳導(dǎo)體與外部電線(引線)各自到達(dá)對(duì)極，在對(duì)極上與空氣中的氧之間發(fā)生②式所示的反應(yīng)。

(1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O …②

也就是說(shuō)此傳感器構(gòu)成了由①、②反應(yīng)式形成的③反應(yīng)式的全電池反應(yīng)，可以認(rèn)為是將氣體作為活性物質(zhì)的電池。

CO + (1/2)O2 → CO2 …③

當(dāng)做氣體傳感器使用時(shí)，接通檢測(cè)極與對(duì)極的電流，來(lái)測(cè)定其短路電流。

04 紅外型可燃?xì)怏w傳感器

紅外型可燃?xì)怏w傳感器， 運(yùn)用非色散紅外(NDIR)原理對(duì)空氣中存在的碳?xì)漕惪扇細(xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)。

NDIR(non-dispersive infrared)式氣體傳感器是通過(guò)由入射紅外線引發(fā)對(duì)象氣體的分子振動(dòng)，利用其可吸收特定波長(zhǎng)紅外線的現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行氣體檢測(cè)的。紅外線的透射率(透射光強(qiáng)度與源自輻射源的放射光強(qiáng)度之比)取決于對(duì)象氣體的濃度。用中波段紅外線照射氣體后，由于氣體分子的振動(dòng)數(shù)與紅外線的能級(jí)處于同一個(gè)光譜范疇，紅外線與分子的固有振動(dòng)數(shù)發(fā)生共振后，在分子振動(dòng)時(shí)被氣體分子所吸收，氣體濃度與紅外線透射率的關(guān)系符合朗伯-比爾定律。

如何選型?

對(duì)可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)，特別是針對(duì)家用場(chǎng)所，在可燃?xì)怏w較低的泄漏濃度時(shí)要求能快速的檢測(cè)出來(lái)，能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)報(bào)警即可。另外，燃?xì)鈭?bào)警器工作于一般的家庭，必須能滿足長(zhǎng)期免維護(hù)的要求，半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)過(guò)程僅存在氣體的吸附和脫附過(guò)程，廚房?jī)?nèi)嚴(yán)重的油煙極少存留于敏感材料表面，不會(huì)影響其實(shí)際使用壽命，因此，檢測(cè)下限較低、使用壽命較長(zhǎng)半導(dǎo)體氣體傳感器是家用報(bào)警器的最佳選擇。

催化燃燒氣體傳感器的精度較高，適合煤礦、石油、化工、燃?xì)獾阮I(lǐng)域的定量檢測(cè)。但其工作溫度高，催化劑易失活，同時(shí)周?chē)h(huán)境內(nèi)存在的膠黏劑、橡膠制品釋放出的有機(jī)硅、硫化物極易讓催化劑中毒，導(dǎo)致傳感器完全失效。在工業(yè)場(chǎng)所，一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體定期校檢報(bào)警器，調(diào)整放大倍數(shù)，防止催化傳感器靈敏度衰減導(dǎo)致精度大幅度變差。

針對(duì)人工煤氣和不完全燃燒過(guò)程中低濃度一氧化碳的檢測(cè)，因一氧化碳的高毒性，報(bào)警點(diǎn)一般不超過(guò)200ppm，為了防止誤報(bào)或漏報(bào)警，最好選用靈敏度和精度均較高的電化學(xué)氣體傳感器。

NDIR傳感器近幾十年來(lái)在作業(yè)環(huán)境安全和氣體檢測(cè)方面發(fā)揮了重要作用。當(dāng)催化燃燒式傳感器不適合使用時(shí)，NDIR傳感器則是另一項(xiàng)可靠的選擇。與催化燃燒式傳感器不同，NDIR傳感器不需要頻繁的重新校準(zhǔn)，而且它們不易中毒。