气体报警器检测准确性关键问题的研究

陈默

（大庆油田技术监督中心，黑龙江 大庆 163000）

在石油化工、燃气和轻工等众多行业中，气体报警器作为一种安全防护的计量工具，得到了广泛的运用。并且随着对安全防护意识的不断加强，越来越多使用天然气和煤气灶的用户选择了安装气体报警器。根据检测需求和环境选择合适的报警器，并按照正确合理的方法使用报警器才能保障报警器检测结果的准确性和可靠性，起到安全防护的作用。因此，对气体报警器的基本工作原理和影响结果准确度的因素进行研究分析，将有助于报警器技术的更新和进步。

1 气体报警器

1.1 气体报警器的检定装置

气体报警器的检定装置有手动和自动检定两种，手动检定装置的主要构成部件有标气瓶、减压器、气体流量计和报警器。标气瓶中装有由按照一定比例和浓度配制的气体，在计量检定环节不可缺少。减压器的功能是把高气压气体转化成低气压气体，以保证气体稳定输出。气体流量计主要用于测量输出气体的流量速度。气体报警器是检定装置的主要装置，报警器中的传感器可将检测到的气体的浓度数值转化为电参量，最终以数字的形式呈现在报警器中。为了保证检测结果的准确性，手动检定装置一般需要重复操作，并测定多种不同参数，在工作效率方面具有一定局限。

相比手动检定装置，自动装置在检测结果准确性和效率方面都占有较大优势，因此，对于众多加工生产行业和家庭报警器的安装，自动检定装置更受青睐，且具有更大的市场价值。自动检测装置主要由气体流量控制、图像数据采集处理器和计算机控制三大模块组成。气体流量控制模块包括标气瓶、减压器、气体流量计和气体电磁阀，前三者的功能与手动检测装置的一致。

电磁阀是一种自动化元件，可通过电路更加精确地控制流体。当电磁阀接收到计算机电信号时，可快速借助阀体的移动控制导气孔。气体报警器中气体流量控制模块一般与可检测的气体呈比例，即检定装置可用于检测几种不同类别的气体，一般就具有几个气体流量控制模块。图像数据采集处理模块主要是采集报警器显示的带有气体浓度数字的图像，并将图像信号传送到计算机。计算机控制模块的功能则是接收信号、做出判断和输出指令。

1.2 气体报警器分类

根据气体报警器的检测对象，可分为催化燃烧式、电化学式和光离子化报警器等不同类别。催化燃烧式气体报警器和红外线警报器2种主要针对可燃气体的检测。电化学式气体报警器既可用于检测可燃气体，如CH4等，也可用于检测有毒有害的气体，如CO和NO等。光离子化报警器可用于检测苯气、VOCs等有毒有害气体。

根据气体报警器的使用场所，报警器可分为便携式报警器和固定式报警器2种，前者一般结构设计轻巧，易于携带，适用于一些需要不定时检测环境中气体含量的工作场所。固定式报警器则因缺少变动性，只能用于固定的工作场所。

1.3 气体报警器的工作原理

气体报警器组成部件主要有探测器和报警控制器，探测器中装有传感器，用于检测气体浓度，将气体浓度信息转化为电信号参量，并传送至报警控制器。当警报控制器接收到探测器传送的信号后，会进一步将电信号参量转化为数字信息，并显示在报警器上。

对于不同的气体检测对象，传感器选择不同，其具体的工作原理也不相同。催化燃烧式传感器具有成本低、适用范围广和输出信号线性关系好等优点，2个固定电阻、1个检测元件和1个补偿元件共同组成了测量电桥。检测元件和补偿元件都由多孔陶瓷珠构成，但检测元件表面附着催化剂，而补偿元件没有。当被检测气体扩散到达检测元件时，在检测元件表面催化剂和一定温度条件下迅速发生无焰燃烧，产生的热量致使元件内铂丝的电阻升高，造成电桥失去平衡，进而输出表征可燃气体浓度的电信号。

电化学式传感器的组成部件主要有薄膜、电解池、参考电极、反电极和测量电极等，其工作原理如下：被检测气体通过薄膜扩散进入电解池中，在测量电极上发生化学反应产生电流，此电流信号与进入电解池的气体浓度呈现一定线性关系。将电流信号进行放大、补偿和校正等处理，可准确输出代表被检测气体浓度的数字信息。相较催化燃烧式传感器，电化学式传感器具有检测限低、灵敏度高和重复性好等优点，但是电化学式传感器对检测环境要求较高，在过高温度、过低温度和低湿环境中均不适用。

光离子化警报器中传感器的工作原理示意图，如图1所示，惰性气体在真空条件下放电产生紫外线，紫外线的能量使得离子室中的待测气体分子发生电离，所产生的正负离子在电极电压作用下产生电流，电流的大小与离子室中的分子浓度呈正比。光离子化传感器具有灵敏度高、检测限低等优点。

图1 光离子化传感器示意图

2 影响气体报警器检测准确性的因素

2.1 标准气体物质

根据规定，标气瓶中气体需要与待检测气体的类别保持一致，标气瓶未标明可选用丙烷或异丁烷等气体作为标准气体。同一个报警器对相同浓度的不同气体会呈现不同的检定结果，因此，选择合适标准气体物质是保证检测结果准确度的重要前提条件。

2.2 检测环境

检测环境中湿度、温度、灰尘和其他气体等因素都会干扰报警器的检测结果，对于户外的气体报警器，需要注意灰尘和风沙对检测结果的干扰。对于户内的报警器，根据传感器的选择注意把控室内的温度和湿度，同时，注意其他有害气体的影响。含有卤素元素的有机物、硫化氢或有机硅等气体化合物会在传感器表明吸附，吸附严重会致使传感器中毒无法使用。

2.3 报警器质量

随着气体报警器相关研究的不断深入，市场上报警器的类别越来越多，其质量随之出现良莠不齐的现象。报警器的质量关乎检测过程的稳定性和检测结果的准确性，而影响报警器质量的因素主要有组成部件完好性和生产材质等。因此，生产企业或个人顾客在选择购买报警器的时候，可借助专业人士的判断和建议选择合适生产材质的报警器。

2.4 通气流量控制和气体罩

进入报警器中传感器的气体流量大小会直接影响传感器检测气体的稳定性和灵敏度，因此，选择合适的气体流量对保证传感器检测结果准确性具有一定意义。在报警器的实际运行过程中，一些客观因素如检测人员经验不足、气体罩的使用和环境温湿度等均能导致气体流量不稳定，降低结果的准确度。

为了减少外界环境中有毒有害空气对气体检测的干扰，在气体报警器实际工作中，会采用气体罩作为辅助工具。在室内，气罩可有效防止有毒有害气体干扰标准气体物质的浓度检测。在户外，气罩可减少风沙和灰尘对检测结果的影响。但是，气体罩的使用与否和尺寸大小与检测结果的关系还没有明确的判断依据，需要进行深入研究。

3 气体报警器检测准确性的关键问题

3.1 标准气体物质和平衡气

气体检测过程中，标准气体多由目标检测气体和平衡力混合组成，平衡气体多选用空气或N2。对于同一个标准气体，选择不同平衡气体作为底气，所得结果可能不同。对于催化燃烧式的报警器，待测气体到达检测元件发生无焰燃烧需要O2的参与，然而，标准瓶中气体不断向报警器输出进入传感器，产生的压强差使得环境中空气无法进入传感器。因此，催化燃烧式传感器应当选用空气作为平衡气体，以保证待测气体的充分燃烧。

对于光离子化传感器，如果采用空气为平衡气，其中的O2会吸收部分紫外线，造成的能量损失使得离子室中的待测气体分子不能充分电离，从而导致传感器输出的电流信号产生偏差，不能代表真实的气体浓度，因此用氮气作为平衡气体是光离子化传感器的上佳选择。

3.2 标准气体的气流量

由上述内容已知标准气体的流量与检测结果的准确性密切相关，但是相关国家规程中，对于报警器气体流量没有严格的控制。因此，就影响标准气体流量的因素，以及各因素对检测结果准确度的影响程度进行研究分析，将有助于选择合适的标准气体流量，以提高结果准确度。对于检测人员操作不当所引起的气体流量不稳定的问题，可选择操作熟练、经验丰富的员工参与现场气体检测或指导。针对环境温湿度等因素，可安装相应的监测装置，以便实时监测和控制环境的温湿度。对于气体罩，可根据待测气体，选择材质合理、大小尺寸合适的气体罩。

对于不同传感器的报警器，为了探测不同传感器对检测不同气体浓度的准确度，可通过实验进行检测。实验设置如下：针对不同传感器的报警器，选择配制一系列浓度梯度的待测气体，如100、200、300……1000ml/min，在其他客观条件如环境温湿度保持一致的情况下进行实验。对于不同浓度气体，可选择多测几次求平均值，以减少测量的误差。实验完成后，需要对数据进行整理统计，将报警器显示的气体浓度数值和实际配制的浓度数据进行对比分析。通过数据分析可有效判断气体流量大小对检测准确度的影响，进而有助于选择合适的气体流量调控参考范围。

3.3 管道和阀门等部件的生产材质

报警器的材质是影响报警器质量的重要因素，因此，生产企业和个人商家在购买报警器时，应当注意气体管道和阀门等部件的生产材质是否具有防腐和防吸附等特点性能。针对不同的待测气体和检测要求，购买时需选择不同材质。对于硫化氢、氯气、苯和环氧乙烷等有毒有害气体，使用硅胶材质的管路容易造成气体被吸附在管道内壁，使得报警器标定浓度与实际浓度之间产生较大偏差。对于硫化氢等具有氧化还原特性的气体，能与铜质管壁或阀门发生化学反应，造成管壁或阀门被腐蚀，这对管壁或阀门的密封性有极大的损害。因此，对于具有腐蚀性的气体，可选用不锈钢材质的管道和阀门，如若使用铜质的管道或阀门零件，需要定期检查、定期更换。

3.4 气体标定罩的使用

气体标定罩连接着传感器和标准气体的管路，在气体检测中起着防止气体扩散、维持气体流动恒速和避免标准气体与检测人员过多接触等作用。然而，在气体报警器生产加工过程中，大多生产商家并未根据报警器配置相应的标定罩，并且在实际气体检测中，也存在标定罩遗失和未能正确使用等问题。

对于气体罩的使用和尺寸未有标准做出具体的规定，为了了解气体标定罩对检测结果准确度的影响，吴灿林等人固定气体类别、浓度等客观条件因素，对一款可燃气体报警器分别在不使用标定罩、标准罩、小尺寸罩和大尺寸罩四种情况下所得的检测结果进行了对比分析（其中不同尺寸的标定罩都由同一厂家订制），对比结果发现，检测用标准罩时，检测结果准确度最高，其次，分别是不带罩、带小罩，带大罩的结果偏差最大。分析原因可能是不带罩的情况下，传感器和气体输送管道直接接触，使得气体与传感器的接触面积减小，并且外部空气也会影响待测气体与传感器的接触，最终导致检测结果出现偏差。

采用大尺寸的标定罩时，待测气体和传感器之间的距离会被加大，这不仅会导致部分标准气体扩散到外部环境，减少与传感器接触的标准气体的浓度，还会加大环境中气体的干扰。采用小尺寸的标定罩同样会导致标准气体与传感器接触面积减少，并且还会造成气体短时间内发生聚集，使得结果偏大。而标定罩大多是生产厂家根据实验推算的最合理的尺寸大小，能有效保证检测结果的准确度。综上，标定罩尺寸大小会直接影响传感器与待测气体的接触面积，因此，在购买和选择使用标定罩时，需注重标定罩尺寸大小的选择。

4 结语

气体报警器类别较多，传感器不同其工作原理也各不相同，但影响检测结果准确性的因素大致相同，主要有标准气体物质、环境因素、材质、流量控制和气体罩等。在选择购买和日常维护气体报警器的过程中，需要注意报警器的材质、标定罩的尺寸选择以及各部件的定期检查和易损伤零件的定期更换。对于气体报警器的实际使用，需要注意标准气体和平衡气的选择、气体流量的控制和标定罩的正确使用。如有需要，可定期对传感器的检测灵敏度和检测准确度进行实验探究，以保证气体报警器的精确度。影响气体报警器检测准确度的因素还有很多，继续深入探索对报警器技术的进步和发展具有重要意义。