揭秘可燃气检测仪的完美拍档

作为生产和生活中的主要能源，可燃气体在工业生产和日常生活中随处可见。常见的可燃气体有氢气(H₂)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH₄)、丙烷(CH₃CH₂CH₃/C₃H₈)、乙烯(C₂H₄)、硫化氢(H₂S)等...而且，不少可燃性气体本身也是有毒有害气体，像一氧化碳(CO)、硫化氢(H₂S)、氯气(CL₂)等。

这些可燃气体一旦超过一定的浓度就有可能发生爆炸，引发火灾事故，对于它们的检测，要具体情况具体分析。

不同的应用场景对气体检测设备的要求不尽相同，对其核心元器件：气体检测仪也有不同的需求。如何为我们的检测设备选择一款合适的可燃气体检测仪呢？

Tips：气体检测仪是一种气体泄露浓度检测的仪器仪表工具，其中包括：点型气体报警器、手持式气体检测仪、便携式气体检测仪、移动式多组分气体检测仪等。主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类，气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。

在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面，气体检测仪常用于检测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否，或氧气的消耗量等。

那么可燃气体检测仪到底该如何选型？

可燃气体传感器主要测量原理有：半导体式、催化燃烧式、电化学式以及NDIR非色散红外式，分别适用于不同场景下的可燃气体检测。

1.半导体式                                                                                                                                                                                   

• 简单的架构：
  

STEP1

在洁净的空气中，氧化锡表面吸附的氧会束缚氧化锡中的电子，造成电子难以流动的状态。

STEP2

在泄漏的气体（还原性气体）环境中，表面的氧与还原气体反应后消失，氧化锡中的电子重获自由，受此影响，电子流动通畅。

（图 1：半导体式气体传感器检测原理）

• 半导体式气体传感器检测原理：

当氧化锡粒子在数百度的温度下暴露在氧气中时，氧气捕捉粒子中的电子后，吸附于粒子表面。结果，在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小，因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭（regional depletion）。

使氧气分压从零（flat band开始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的顺序上升时，能带结构与电子传导分布的变化如下图所示（[O-]：吸附的氧气浓度）。在容衰竭（volume depletion）状态下，电子耗尽层的厚度变化结束，产生费米能级转换pkT，电子耗尽状态往前推进则pkT增大，后退则pkT缩小。

• 随着吸附的氧气浓度增加半导体粒子的耗尽状态在推进：

能带结构：

（图 2：能带结构）

传导电子分布：

（图 3：传导电子分布）

使用了氧化锡的半导体式气体传感器，就是这样通过氧化锡粒子表面的[O-]的变化来体现电阻值R的变化。

置于空气中被加热到数百度的氧化锡粒子，一旦暴露于一氧化碳这样的还原性气体中，其表面吸附的氧气与气体之间发生反应后，使[O-]减少，结果是[e]S增大，R缩小。消除还原性气体后，[O-]增大到暴露于气体前的浓度，R也将恢复到暴露于气体前的大小。使用氧化锡的半导体式气体传感器就是利用这个性能对气体进行检测。

在一般家用场所，通常要求在可燃气体泄漏浓度较低时能够快速检测出来，实现单点报警，并且必须能满足长期免维护的要求，方便家庭使用。

半导体式可燃气体传感器检测下限较低、使用寿命较长，而且检测过程中仅存在气体的吸附和脱附过程，厨房内严重的油烟极少存留于敏感材料表面，不会对实际使用寿命产生影响，是家用报警器的最佳选择。

2.催化燃烧式                                                                                                                                                                                 

催化燃烧式气体传感器由对可燃气体进行反应的检测片（D）和不与可燃气体进行反应的补偿片（C）2个元件构成。如果存在可燃气体的话，只有检测片可以燃烧，因此检测片温度上升使检测片的电阻增加。

相反，因为补偿片不燃烧，其电阻不发生变化（图 4 测定电路）。这些元件组成惠斯通电桥回路（图 5 测试电路），不存在可燃气体的氛围中，可以调整可变电阻（VR）让电桥回路处于平衡状态。

然后，当气体传感器暴露于可燃气体中时，只有检测片的电阻上升，因此电桥回路的平衡被打破，这个变化表现为不均衡电压（Vout）而可以被检测出来。此不均衡电压与气体浓度之间存在（图 6 气体浓度与不平衡电压的关系）所示的比例关系，因此可以通过测定电压而检出气体浓度。

（图 4 测定电路）

            （图 5 测试电路）                                                   （图 6 气体浓度与不平衡电压的关系）

催化燃烧式气体传感器是目前世界上最广泛普及的传感器，它响应速度快，到爆炸下限浓度（LEL）为止，传感器的输出几乎与气体浓度呈正比例，所以精度和重复性很高。适合煤矿、石油、化工、燃气等领域的定量检测。

但催化燃烧类传感器工作温度高，催化剂易失活，同时周围环境内存在的胶黏剂、橡胶制品释放出的有机硅、硫化物极易让催化剂中毒，导致传感器失效。在工业场所，一般通过标准气体定期校检报警器，调整放大倍数，防止催化传感器灵敏度衰减导致精度大幅度变差。

3.电化学式                                                                                                                                                                                   

• 短路电流式质子导体CO传感器的工作原理：

（图 7 CO的阳极氧化反应和氧气阴极还原反应之典型分极曲线图）

TGS5xxx系列是一种利用短路电流作为传感器信号的质子导体一氧化碳(CO)传感器。

气敏层的基本组成部分包括：工作电极、对电极以及贴合于它们之间的质子导电膜。

当传感器置于洁净的空气中，工作电极与对电极之间没有通过外部导线连接时，即在开路条件下，工作电极和对电极上分别发生电化学反应(1)，使工作电极和对电极上都形成平衡电位(E1)

2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^- ⇄ H₂O　...(1)

将传感器置于CO与空气的混合气体中，处于开路条件时，在工作电极上，同时以相同的速度发生着CO的阳极氧化反应(2)和氧气的阴极还原反应(3)，由此形成局部电池。

CO + H₂O → CO₂ + 2H⁺ + 2e^-　...(2)

2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^- → H₂O　 ...(3)

结果,工作电极的电位从E1变为混合电位(EM)，正常情况下此时阳极电流   (2)和阴极电流电流   (3)的绝对值相等，处于稳定状态(图1)。到达工作电极的CO流入量受到扩散控制系统的限制(例如,TGS5xxx系列传感器中使用了不锈钢气体扩散控制片)，得到与CO浓度呈线性正比关系的扩散极限电流(图7 CO的阳极氧化反应和氧气阴极还原反应之典型分级曲线图)。由于在对电极上只发生了式(1)反应 ，所以对电极的电位仍然是E1。因此，这样的电位差型(混合电位型)传感器的灵敏信号可以由EM - E1给出，EM - E1信号与空气中CO浓度的对数呈比例关系。

当空气中存在CO时，通过外部导线将工作电极与对电极连接，形成短路状态后，如图1所示，两个电极的电位转变为介于E1和EM之间的一个相同值(Esc)。
由于工作电极的电位朝着使式(3)反应减速的方向变化，工作电极上消耗的质子逐渐趋少。因此，多余的质子将通过质子导电膜从工作电极向对电极转移，并且这些多余的质子数量与空气中的CO浓度成正比，它们在对电极上被式(3)的反应所消耗。这个过程就是等价电子作为短路电流(即传感器输出电流)通过外部导线从工作电极向对电极的流动，它也与CO浓度成直线性的比例关系(图8 短路电流式质子导体CO传感器的感应原理)。

（图 8 短路电流式质子导体CO传感器的感应原理）

将传感器移回至洁净空气中时，工作电极上只发生式(1)反应，由于两个电极之间的电位差消失，外部导线中电流无法通过。因此，本传感器对CO具有可逆的安培响应。

这种短路电流式CO传感器由于CO浓度与传感器输出电流之间呈线性关系，使其和传感器响应与空气中CO浓度对数成正比关系的电位差式CO传感器相比，可感应浓度更为精确。只要通过使用已知CO浓度的气体对输出电流进行校准，本传感器就可用于对CO浓度的定量检测。

通过外部电路的短路电流(传感器输出电流)与气体浓度呈式(4)所示的比例关系(图9 CO浓度与传感器输出电流的关系)。

（图 9 CO浓度与传感器输出电流的关系）

• 其中：

4.NDIR非色散红外式                                                                                                                                                                     

• NDIR（非色散型红外线）式气体传感器的工作原理：

NDIR(non-dispersive infrared)式气体传感器是通过由入射红外线引发对象气体的分子振动，利用其可吸收特定波长红外线的现象来进行气体检测的。红外线的透射率（透射光强度与源自辐射源的放射光强度之比）取决于对象气体的浓度。

（图 10 NDIR（非色散型红外线）式气体传感器的工作原理图）

传感器由红外线放射光源、感光素子、光学滤镜以及收纳它们的检测匣体、信号处理电路构成。在单光源双波长型传感器中，在2个感光素子的前部分别设置了具有不同的透过波长范围阈值的光学滤镜，通过比较可吸收检测对象气体波长范围与不可吸收波长范围的透射量，就可以换算为相应的气体浓度。因此，双波长方式可实现长期而又稳定的检测。

• 检测原理

用中波段红外线照射气体后，由于气体分子的振动数与红外线的能级处于同一个光谱范畴，红外线与分子的固有振动数发生共振后，在分子振动时被气体分子所吸收。

气体浓度与红外线透射率的关系可通过下述朗伯-比尔定律进行说明。对于NDIR式气体传感器来说，对象气体的吸光度ε与光程d是不变的，在与成为对象的气体吸收能（波长）一致的光谱范畴，通过测定红外线的透射率T，即可得到对象气体的浓度c。

（图 11 朗伯比尔定律(Lambert-Beer law)）

来自放射源的入射光强度I0，是通过使用不吸收红外线的零点气体校准后设定的。吸光度ε是利用已知浓度的对象气体进行校准后进行初始设定的。

• 特点：

因为红外线是根据目标气体固有的红外能量（波长）被吸收的，所以气体选择性非常高成为其最大的特长。即使在高浓度的对象气体中长时间进行暴露，也从原理上避免了灵敏度的不可逆变化。

红外型可燃气体传感器运用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的碳氢类可燃气体进行检测，具有选择性好、抗干扰能力强、不易中毒等优点，不需要频繁重新校准。近几十年来在工业安全和气体检测方面发挥了重要作用。

最后

当您在选择不同检测原理的气体检测仪时，需要先行确认所检测环境主要存在的气体成分，以及其它环境因素，是可燃性气体、有毒性气体或是其他，然后再来选配合适的气体检测仪，以满足安全的需求。

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