电厂中气体检测的传感器选型研究

雷俊　王胜辉　庄益诗　刘畅　王伟杰　牛成玉　梁东森　杨芳

摘 要：文章首先分析了电厂中存在的需要检测的气体，并分析它们的主要来源；其次，根据检测气体所需的方法，分析几种常用传感器的工作原理；最后，结合传感器和需要检测的气体的特性，给出了气体检测需要的传感器类型。

关键词：电力系统；气体传感器；传感器选型

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）25-0035-02

引言

气体和人们的生活息息相关，存在于各个领域。电力是人们生活的必须，在人类的各类活动中占据十分重要的位置。然而，在电力生产过程中会产生多种危险气体，这些气体危害十分大，轻则引起中毒，重则引起爆炸，给国家和人民生活造成严重损失。为了避免和减少损失，必须对电力系统中产生的可燃及有毒气体进行监测。我们首先要清楚需要监测的气体，其次，我们必须找到合理的监测方法，最后需要了解监测用的传感器的传感器选型及工作原理。

1 气体来源

在电力系统，需要监测的常见气体有：氢气、可燃气体、硫化氢、氨气、六氟化硫、氧气、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等。

（1）氢气。由于氢具有良好的传热性能和散热性能，氢冷发电机组利用氢气这一特点，发电机将氢气作为冷却介质来使用，在发电机处和制氢站需对氢气泄露进行检测。

（2）可燃气体。燃气是现在多个场所使用的主要燃料能源，在电厂的锅炉房、供热房都使用燃气做为燃料。另外在发电机组、燃气调压站、燃气罐装区都存在可燃气体，这些地方必须对可燃气体进行泄露检测，以排除这些潜在的危险源。另外，电厂都有自己的燃油仓储区，这些地方也有可燃气体产生，也必须对可燃气体的泄露进行检测。

（3）氨气。电厂存在大量的供水管，供水系统长时间易产生腐蚀，所以在锅炉加水时，需加入氨水调节水的酸碱度，并加入除氧剂进行化学除氧，防止供水系统被腐蚀。在电厂的脱硫和脱硝环节，氨还被用做还原剂来使用，因此，电厂存在制氨场所和氨气存储区，由于氨气危险性极大，泄露会引起中毒和爆炸事件，所以必须对其进行检测。

（4）二氧化硫，氮氧化物。电力行业燃煤机组脱硫脱硝工程中的产物中存在大量没有处理完全的二氧化硫，氮氧化物，为了防止对空气造成污染，需要对其含量进行检测，超标时调节工艺和配料，减少二氧化硫，氮氧化物的产生。

（5）有毒有害气体（如一氧化碳、硫化氢等）和氧气。电力生产过程中，有限空间场所比较多，例如：电缆隧道、通信电缆管井、污水处理井、暖气通道等，这些空间由于相对密闭易产生有毒有害气体，这些场所又是工人常进入的地方，在人进入之前必须对有毒有害气体进行检测，以防止中毒。这些地方由于缺乏空气流通，易造成缺氧，同时必须对氧气进行检测。

（6）六氟化硫。六氟化硫具有良好的绝缘性能、稳定的理化性能和优异的灭弧性能，被广泛应用于高压设备中，例如：高压开关、高压变压器、封闭组合电容器、高压传输线等。尤其在电厂的高压变压器中应用最多，但是六氟化硫是目前发现的六种温室气体之一，在全球每年生产的六氟化硫气体中，至少有一半以上用于电力工业，还在不断的增长当中，而且增速惊人，对它需严格检测，防止泄露对空气污染。

2 检测方法

对电厂中的常见气体，现在检测方法最为实用的是利用传感器法。传感器是把某种特定物质转化为电信号的一种转换器，其中，气体传感器是众多传感器中较为成熟的一种。

国外研究气体传感器已经有40多年的历史，品种达到了几百种，以往的研究重点主要是煤气和可燃气体，并取得了可喜的成绩，这些传感器基本已趋于成熟，随着社会经济的进步和科学的发展，人类探索的领域也逐步增多，涉及电力、石油、石化、冶金、化工等众多领域。随着众多领域的开发，提高人民生活水平的同时，也给人民生存带来了众多潜在的威胁，例如：中毒事件的发生，爆炸事件的发生和严重的环境污染，严重影响人类的生存和健康。这些危险事件产生的主要因素是由气体引起的，所以对气体传感器的研究课题也提出了新的挑战，需要研究多种类的气体传感器，并且要求这些气体传感器具有高的灵敏度和选择性，以满足新形势下对传感器的需求。

气体传感器可以把空气中的某种特定气体在空气中的含量定性和定量的检测出来，并转化为可检测的电信号，它是气体检测仪器的核心器件。我国的学者从70年代就开始研究气体传感器，在探索新技术、新材料和新器件上取得了较大的发现，并且制造出了使用性比较强的低成本气体传感器。由于气体传感器在检测气体泄漏方面具有选择性好，使用简单、检测快捷等优点。在电厂的气体泄露检测上大多使用传感器法，配上电子元件，做成直观的气体报警器。

3 气体传感器工作原理

气体传感器是一个比较大的学科，从每种传感器的基本工作原理，到它的基本应用特性，再加上应用场所，根据检测对象性质，来选择不同类型的传感器。目前常见的气体传感器类型有半导体式传感器、催化燃烧式传感器、电化学式传感器、红外传感器等[1]，下面介绍几种传感器的工作原理。

（1）半导体式传感器。半导体气体传感器是利用敏感材料吸附气体后，引起半导体的特性发生变化，通过检测变化的强度，找出和气体对应的线性关系，来检测气体的浓度。目前最为成熟的半导体式气体传感器是金属氧化物气体传感器[2]，它是现在应用最为广泛的传感器之一。

半导体气体传感器中，电阻式的半导体气体传感器最为成熟，它是利用金属氧化物材料作为敏感器件，利用阻值变化来展现被检测气体的浓度。最近，又通过在半导体内掺杂适量贵金属催化剂来提高传感器的灵敏度和选择性，常用的贵金属有Pt、Pb、Au，最近又通过改变传感器的工作温度来改善传感器的灵敏度和选择性，这样使得半导体传感器检测下限扩展到ppm级。

（2）催化燃烧式传感器。催化燃烧式气体传感器的工作原理是利用敏感材料在一定的电流驱动下，达到一定的温度，当遇到可燃气体时，在气敏材料的表面發生氧化燃烧或者在催化剂的作用下发生氧化燃烧，当电阻式发生燃烧时，温度急剧升高，导致电阻丝的阻值发生变化，通过测试电阻丝的电阻变化来确认被测试气体的浓度。近年来，为了提高催化燃烧气体传感器的灵敏度，在电阻丝上涂覆催化剂， 使得传感器在环境温度下非常稳定，并能对大多数可燃气体反应。endprint

（3）电化学式传感器。根据电化学反应的基本原理设计而成，在固定的工作条件下，核心检测器件会对被测气体选择性催化，将气体直接氧化或者还原产生电流，产生的电流信号可以通过仪器读出，在测试范围内信号与气体浓度呈现良好的线性关系，可以根据下面的公式准确检测出被测气体浓度。

（4）红外气体传感器。利用红外线的物理性质来进行测

量，红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路，其中，光学系统为反射式。检测元件为热敏检测元件，热敏元件是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

气体分子在红外区有各自明显的吸收谱线， 在此波段的吸收最为强烈，衰减最剧烈。当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。出射光强I与入射光强I0和气体的浓度之间的关系遵循公式：

I=I0exp（-αCL）

式中：α-气体吸收系数；L-吸收路径的长度；C-气体的浓度。

通过检测I和I0可得到气体的浓度C。这是利用光谱吸收检测气体浓度的原理，非分光技术的采用则可有效地消除光路干扰这一因素。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

4 气体传感器选型原则

电厂中不同场所需要检测的气体种类不同，所以在选择检测仪表时，我们需要首先根据检测气体不同选择不同类型的仪表，选择仪表时最为主要的就是看传感器，我们要根据传感器以下特性来选择合适的传感器[3-4]。

（1）稳定性。稳定性是传感器在其检测量程内响应的稳定性，主要通过零点漂移和跨度漂移来衡量。零点漂移是在没有目标气体时传感器输出稳定的信号。跨度漂移是在一定的气体浓度下，其输出响应值能稳定在一定的区间内。

（2）灵敏度。灵敏度是指传感器对被测气体的输出响应信号大小的能力，主要由传感器的结构和技术原理决定。选择时主要考虑传感器对被测气体的危险阀值的系数灵敏度。

（3）选择性。选择性是传感器对某一特定气体的分辨能力，也就是对某一气体响应值特别大，而对其他气体响应值特别小。电厂中存在多种气体，所以传感器的选择性是测量准确的基础。

（4）重复性。重复性是传感器对某一特定气体浓度多次测量情况下，响应值在一定的区间内。重复性是考察传感器精度的重要指标。

根据上述传感器的特性，在电厂中检测气体时，主要分为以下几个种类，即检测气体的有毒性、爆炸下限和含氧量。对于可燃气体主要采用半导体传感器和催化燃烧傳感器，当检测管道的轻微泄露时大多采用半导体传感器，当检测气体的爆炸下限时大多采用燃烧传感器。对于硫化氢、氨气、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有毒气体和氧气主要采用灵敏度较高的电化学气体传感器。对于六氟化硫这种易分解的气体主要采用红外型气体传感器。掌握这些传感器选型原则后，会保证电厂中的气体检测的准确性、可靠性和及时性。

参考文献：

[1]刘崇进，郑大 .气体传感器的发展概况和发展方向[J].计算机测量与控制，1997，7.

[2]李松，Martin Jaegle.金属氧化物气体传感器阵列的制备[J].传感器学报，2015.

[3]何道清.传感器与传感器技术[M].北京：科学出版社，2003.

[4]王雪文，张志勇.传感器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.endprint