常用气体报警器的工作原理、性能及应用

张传远 于同珍 苏雪莲

(滨州市计量测试检定所,滨州 256606)

随着我国工业经济的快速发展，各种有害化学品、易燃、易爆气体的应用范围在不断扩大。这些有害、易燃、易爆气体在生产和使用中如果发生泄漏将会引起中毒、火灾和爆炸等重大事故。气体报警器是预防有毒、有害，易燃，易爆气体在生产和使用过程中发生泄漏时，具有报警功能的装置。在实际使用中，报警器设定报警下限为报警点，一旦发生泄漏，气体浓度达到报警下限(报警点)报警器会立刻报警，并断开电源，同时打开通风系统，使人员能够在一定时间内处置险情。报警器在使用过程中的准确可靠性，将直接关系到人们的生命、财产安全和自然环境的污染等严重问题。因此研究气体报警器的工作原理、性能及应用,确保其检测数据准确可靠和及时报警是十分必要的。

常用气体报警器按所使用的传感器主要分为电化学型[1]、半导体型[2,3]、催化燃烧型[2，3]、红外线吸收型[3]4种类型。

1 红外线型气体报警器

红外线型气体报警器利用不同气体对红外光选择吸收的特点,将一束红外光线同时分别穿过比较室(内装特定气体)与测量室(内部流过待测气体)，由于穿过测量室特定波长的光波被吸收,使两束光波的光强度产生差异,最后由电容微音器把光强度差异转换成电信号输出,检测出气体浓度。

红外线型气体报警器的测量灵敏度和精度较高、稳定性好、抗交叉气体干扰能力强,可以有效地分辨出气体的种类，准确测定气体浓度；但维护较为复杂,价格昂贵,适合实验室使用。

红外线型气体报警器主要用于二氧化碳、甲烷、氮氧化物、一氧化碳、氨气的检验测定。目前这类传感器的供应商基本在欧洲发达国家，中国在这一技术领域自2008年开始迅速发展。

2 半导体型气体报警器

半导体型气体报警器是利用一些金属氧化物半导体材料吸附气体后,其电阻率显著变化的特点,将半导体型气体传感器作为敏感元件,检测气体含量[2]。要求其敏感元件恒温在200℃左右时能快速响应,因此需要给其增加电热丝加热,并提供比较大的电流。

此类报警器价格低廉,并且不易损坏，一般使用寿命可达5年。尘埃、硫化氢、硅烷等一般不易造成传感器中毒，这一点是电化学气体传感器和催化燃烧型气传感器所不能实现的。半导体型传感器还可以实现“独一选择性”，如半导体一氧化碳传感器就只对一氧化碳敏感，但极其昂贵的电化学一氧化碳传感器却不具备此功能。

半导体型气体报警器缺点是设定的报警值容易发生漂移,运行时受外界环境影响较大。当温度、湿度甚至风变化较大时,对其精确测量有较大影响;容易受到酒精、氮氧化物、氢气、烷类等气体的交叉干扰,发生误报。因此半导体型气体报警器不适用于精度要求较高、温差变化较大的环境场合。

半导体型气体报警器的缺点可以有效用于甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醛、一氧化碳、煤气、硫化氢、氨气、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等多种气体的检验测定。目前这类传感器的主要供应商在日本，其次是中国、瑞士、韩国等国家。

3 催化燃烧型气体报警器

催化燃烧型气体报警器的传感器,有一对催化燃烧型检测元件,其中一个元件对燃烧气体非常敏感(该元件上涂有多层催化剂),另一个元件不敏感,用于补偿环境温度变化，这一对检测元件与另一对高精度电阻构成惠斯登电桥。当燃烧气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时,在催化剂的作用下敏感元件发生氧化反应,催化燃烧(阻燃,不会引燃外界可燃气体),气体燃烧时释放出热量,导致铂丝温度升高 (可达400～500℃),使其电阻值发生变化,造成电桥失衡,产生电信号。传感器将此模拟信号通过数模转换成数字信号,在浓度指示仪上显示,达到一定浓度时,连接的报警装置发出报警。

催化燃烧型气体报警器对低于气体爆炸下限浓度的气体,其输出信号接近线性,稳定性好，计量准确，响应迅速，使用寿命较长。另外，传感器的输出与环境的爆炸伤害直接相关，在安全检验方面使用范围广。但是催化燃烧型气体报警在可燃性气体规模内，无选择性。暗火工作，有引燃爆炸的伤害，大多元素有机蒸气对传感器都有毒化作用。此外当检测气体中含有硫化物、氯化物、氢气等时,对检测精度影响也较大。

目前这类传感器的主要供应商在中国、日本、英国。目前中国是这类传感器的最大用户(煤矿)，并且拥有最好的传感器生产技能。

4 电化学型气体报警器

电化学型气体报警器主要使用原电池型气体传感器和恒电位电解型气体传感器两大类。

4.1 原电池型气体传感器

原电池型气体传感器也称加伏尼电池型气体传感器、汽油电池型气体传感器、自觉电池型气体传感器，其工作原理类似电池，只是电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子经由过程电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的液体浓度直接相关。这类传感器可以有效地检验测定氧气、二氧化硫、氯气等。

4.2 恒电位电解型气体传感器

恒电位电解型气体传感器的结构是在电解池内安装3个电极,即工作电极、对电极和参比电极。工作时施以一定的极化电压,被测气体透过多孔四氟乙烯薄膜到达工作电极,发生氧化还原反应,传感器此时输出相应的电流,此电流与被测气体的浓度呈一定的函数关系,这个电流信号经采样变为电压信号放大后,经电压/电流转化电路,将变化的电压信号变为电流信号输出给主机,驱动不同的执行装置,完成声、光和电等检测与报警功能。

电化学型气体报警器体积小、重量轻，且具有较高的灵敏度，采用零功耗电化学传感器作为敏感元件,无需加热,非常适用于低功耗的检测电路，采用电池供电;在低浓度下线性较好,有很好的线性测量范围以及很高的选择性;抗交叉气体干扰能力很强。使用期限一般为3年,也有5年或更长时间。目前大多数气体报警器采用电化学式传感器，其缺点是电化学型气体报警器如果长期暴露在无氧气体样品、酒精、油漆等刺激性溶剂中会影响其灵敏度和寿命,甚至会失效,另外价格较贵。

目前这类传感器的供应商遍布全球，主要在德国、日本等发达国家，近几年新加入的供应商有英国、瑞士等。中国在电化学型传感器研究方面开始的也比较早，但是产业化进程相对较慢。

[1] JJG 695-2003 硫化氢气体检测仪检定规程[S].

[2] JJG 915-2008 一氧化碳检测报警器检定规程[S].

[3] JJG 693-2004 可燃气体检测报警器检定规程[S].