不同类型可燃气对催化燃烧型气体报警器计量示值的影响分析

谢延斌

（克拉玛依市质量与计量检测所 新疆克拉玛依 834000）

1 前言

可燃气体报警器作为一种安全防护类型的计量仪器，按照国家相关要求，需要实行周期性检定。目前检定执行JJG 693—2011《可燃气体检测报警器》[1]，其中规程5.1.2.1 条有如下要求：气体报警器检定要采用与仪器检测气体种类相同的气体标准物质，若仪器未注明所测气体种类，可以采用异丁烷或者丙烷气体标准物质。根据实际的计量检定需要，有必要分析和讨论采用不用类型可燃气体标准物质检测已知检测对象的可燃气体报警器时，会对报警器的计量性能特别是计量示值产生怎样的影响，并从中找寻规律。

2 工作原理

因催化燃烧型可燃气体报警器在工业上使用更加广泛，因此本文以该类型报警器为对象，开展相关讨论和分析。

对于气体报警器而言，其核心部件为测量传感器，催化燃烧型报警器的传感器是由一个带催化剂的敏感元件和一个不带催化剂的补偿元件组成的惠斯顿电桥测量电器[2]，详见图1。

图1 中的Rx为敏感元件，是一个表面涂有催化剂的铂丝电阻，R1为补偿元件，R3、R2为一定阻值的标准电阻，R3与Rx同时置于测量室。 在新鲜空气中，通过R1的补偿作用使电桥平衡，即满足R1Rx=R3R2，此时信号输出端UDB=0；一旦空气中有可燃气体进入测量室， 会直接接触到涂有催化剂的敏感元件Rx。 在催化剂的作用下，可燃气与一同进入的空气中氧气发生无焰燃烧，此时敏感元件Rx的温度就会上升。 由于金属的阻值会随着金属温度的升高而增大，所以就会在原Rx的基础上增加一个ΔRx阻值，导致电桥失去平衡，从而产生不平衡电压，即UDB≠0。 不平衡电压UDB 的大小与ΔRx的大小成正比，而ΔRx又与可燃气体催化燃烧时放出的热量直接相关，热量的大小取决于可燃气的种类、浓度。 由于报警器在出厂时通常会明确检测气体的种类，所以ΔRx的大小就与被检气体的浓度形成了一一对应关系。即一定浓度的被检可燃气体催化燃烧后造成敏感元件Rx增加一定大小的阻值ΔRx，产生对应的不平衡电压UDB，而不平衡电压UDB 通过O/A 转换后，最终成为测量数据显示在报警器的屏幕上，从而将测量数据与被测气体的浓度关联起来。

图1 惠斯顿电桥

3 问题探讨

从上述工作原理可知，催化燃烧型报警器在测量可燃气浓度时首先要明确被测可燃气体的种类，然后才能对确定的气体开展测量。但在实际生产中，部分企业在报警器的使用和选型过程并没有充分考虑现场工作环境，造成部分选型的报警器并不适用于实际现场。例如，一些炼化企业安装的可燃气体报警器统一为甲烷气体报警器，但实际生产环境中的泄漏气体并不是甲烷，常见的有氢气以及碳四以下的烃类气体。 这样以甲烷气体出厂标定后的报警器进入现场开展实际测量，可能会无法准确反映现场泄漏气体的实际浓度值。另外，由于检定机构的计量检定人员一般情况下并不了解现场的实际泄漏气体情况，对送检来的报警器往往依据仪器铭牌标明的气体开展计量检定，这样就造成检定后的报警器无法精准地适用于现场，出具的检定报告也无法证明报警器的实际性能，这对企业用户和计量检定机构都会造成潜在的安全风险与法律责任。

对此，本文将选取炼厂常见的氢气、甲烷、碳四轻烃（异丁烷）3 种标准气体为检测样本，用同一台甲烷气体报警器分别进行试验检测，记录报警器对不同气体的测量示值，并对数据进行分析探讨，找寻其中的影响及其内在的规律。

4 测量试验

试验选用梅思安品牌，型号为DF-8500C，量程为（0～100）%爆炸下限（LEL），出厂编号为 160700330的固定式甲烷气体报警器。 并选择以称重法混合的空气中的氢气、甲烷、异丁烷3 种标准气体，准确度等级均为二级，相对扩展不确定度为Urel=2%，k=2，每种气体分别取 10% LEL、40% LEL、60% LEL 3 个浓度值的标准气各1 瓶，严格按照JJG 693—2011 的操作要求开展试验，试验数据详见表1。

表1 3 种标准气体的测量试验数据

从试验数据可以看出，由于试验用的报警器检测对象是甲烷，用甲烷标准气体开展计量测试，平均示值与标准气体的浓度基本一致，而氢气和异丁烷的平均示值明显与标准气体的浓度值偏差较大，其中氢气平均示值与标准气浓度相比明显增大，异丁烷与氢气正好相反。所以，用同一台催化燃烧型报警器测量相同浓度下的不同可燃气得到的结果差异较大，另外从试验数据看，如果以甲烷为基准，相同浓度下，氢气的测量示值大概为甲烷的1.2～1.3 倍，异丁烷大概为甲烷的0.72～0.75 倍。

5 数据分析

分析数据产生的原因还需从传感器的工作原理出发[3]，可燃气体报警器的传感器采用无焰催化燃烧技术，报警器的示值与燃烧热量相关，而热量的大小一是与被测量气体的种类有关（气体种类决定了燃烧状况）；二是与气体浓度有关。

尽管可燃性气体的种类不同，LEL 浓度也各自不同，但是对于碳氢化合物而言，每克分子的燃烧热与 LEL 浓度的相乘积基本相同，即 C1·Q=常数（C1为爆炸下限浓度，Q 为每克分子的燃烧热），此法不适用于乙炔、二氧化硫等少数可燃性气体，这仅为可燃性气体的等热值特性。

虽然不同可燃气存在等热值特性，但对于同一台报警器，传感器催化元件的材质和性能已经确定，而传感器所处的测量室狭小，会造成不同种类的可燃气出现不同的燃烧状况，特别是对分子中碳原子较多的碳氢化合物，由于无焰催化燃烧后会有大量的碳颗粒沉积在元件表面，阻碍了元件表面催化剂与可燃气体分子的接触，从而造成催化燃烧效率低下，放热量不足，降低了传感器的灵敏度，也就造成相同浓度下的不同可燃气体在同一台催化燃烧型报警器上出现不同的计量示值[4]。 在本文的试验中，氢气不含碳元素，催化燃烧过程不会造成催化剂表面碳沉积问题，所以报警器的灵敏度相对较大，示值显示较高；而异丁烷相对于甲烷而言存在较大的燃烧碳沉积现象，影响了报警器的灵敏度，所以示值偏低。

另据相关文献[5]，对于同一台催化燃烧型报警器通入相同浓度不同的可燃气，会得到一系列不同的示值。而以甲烷为基准，各种气体的示值与甲烷的示值之比，称为交叉灵敏度系数。部分可燃气对某品牌催化燃烧型可燃气体报警器的交叉灵敏度系数详见表2。

表2 相同浓度不同可燃气在某一品牌催化燃烧型报警器上的交叉灵敏度

从表2 中可以看出，除了氢气外，随着分子中碳原子的增加，交叉灵敏度总体呈现出下降的趋势，即分子碳原子越多的可燃气，相同浓度下的测量示值越小，这是因为分子碳原子越多，燃烧碳沉积现象越严重。 但需要注意的是不同厂家生产的报警器交叉灵敏度不同，同一厂家不同型号的报警器交叉灵敏度也会不同，同型号不同批次的报警器交叉灵敏度都有可能不同。所以在实际的计量检定中，原则上要用报警器铭牌上对应的被测气体开展计量检定，而在实际计量检定中，如果没有对应的标准气体，需要采用其他标准气体进行替代校准时，需要认真查阅仪器的技术说明书或咨询厂家，找到替代气体种类的交叉灵敏度，然后通过理论计算，最终确定被校仪器的计量示值。

6 结论

一种可燃气体报警器虽然能够测量多种可燃性气体，但实际的选型和使用应结合现场实际明确测量对象。

在报警器的计量检定过程中，应以报警器铭牌规定的测量对象来选择标准气体开展计量检定。 对于同一台催化燃烧型报警器，相同浓度的不同可燃气测量示值不同，气体分子中的碳原子越多，测量示值会越低。

在报警器检定的实际工作中，要充分掌握不同可燃气的交叉灵敏度系数，通过试验不断积累各品牌报警器的数据，才能在真正意义上保障报警器计量检定的可靠性。