可燃气体监测及其监测原理

　　一、可燃气体监测的重要性
 

　　可燃气体在许多工业生产过程、日常生活场景(如使用天然气的家庭环境)中广泛存在。一旦可燃气体泄漏并积聚到一定浓度，遇到火源就会引发火灾甚至爆炸，造成严重的人员伤亡和财产损失。例如，在煤矿井下，瓦斯(主要成分是甲烷)泄漏可能导致矿难。因此，对可燃气体进行有效监测至关重要。
 

　　二、可燃气体监测的原理
 

　　(一)催化燃烧式
 

　　这种传感器的工作原理基于可燃气体在催化剂作用下的燃烧反应。当可燃气体(如氢气、一氧化碳、甲烷等)进入传感器后，在催化剂(通常是铂、钯等贵金属)的表面发生无焰燃烧。
 

　　燃烧过程会产生热量，使传感器的温度升高。温度的变化导致惠斯通电桥(由四个电阻组成的电路结构)中检测元件的电阻值发生改变。通过测量电桥输出的电压变化，就可以确定可燃气体的浓度。这种传感器对大多数可燃气体都比较敏感，响应速度快，能够检测较低浓度的可燃气体。不过，它的缺点是催化剂容易中毒，受到硫化物、硅烷等物质的影响而失去活性。
 

　　(二)半导体式
 

　　半导体式传感器主要利用某些金属氧化物(如二氧化锡、氧化锌等)半导体材料在接触可燃气体时，其表面的电子状态会发生改变。当可燃气体吸附在半导体表面时，会和半导体材料发生氧化 - 还原反应。
 

　　例如，对于二氧化锡半导体，在接触可燃气体(如乙醇气体)后，会使二氧化锡中的氧离子减少，导致其电阻下降。通过检测半导体电阻的变化来反映可燃气体的浓度。这种传感器的优点是结构简单、成本低、对多种可燃气体有响应。但是，它的灵敏度受环境温度、湿度影响较大，并且选择性相对较差，容易受到其他气体的干扰。
 

　　(三)红外吸收式
 

　　不同的气体分子对特定波长的红外光有吸收作用。对于可燃气体，例如甲烷，它在 3.3 - 3.4μm 波长范围内有强烈的红外吸收峰。红外吸收式传感器就是利用这一特性。
 

　　红外光源发出的红外光通过含有可燃气体的气室，可燃气体吸收特定波长的红外光后，到达探测器的光强度会减弱。根据朗伯 - 比尔定律(吸光度与气体浓度和光程长度成正比)，通过测量光强度的变化就可以计算出可燃气体的浓度。这种方法的优点是精度高、抗干扰能力强，不受可燃气体中毒的影响。不过，它的设备成本较高，对环境中的灰尘、水汽等因素比较敏感，需要定期维护。
 

　　三、可燃气体监测设备的组成部分
 

　　(一)传感器探头
 

　　这是可燃气体监测设备的核心部件，负责检测可燃气体的存在和浓度。根据不同的监测原理，传感器探头的结构和材料有所不同。如催化燃烧式传感器探头包含催化剂、加热元件和检测元件；半导体式传感器探头主要是金属氧化物半导体材料；红外吸收式传感器探头则有红外光源、气室和探测器。
 

　　(二)信号处理单元
 

　　传感器探头检测到的信号(如电压变化、电阻变化或光强变化等)通常很微弱，需要经过信号处理单元进行放大、滤波、模数转换等操作。放大电路可以将微弱信号增强到合适的幅度，滤波电路用于去除信号中的噪声干扰，模数转换电路则将模拟信号转换为数字信号，以便后续的数据分析和处理。
 

　　(三)显示与报警单元
 

　　显示单元用于直观地向用户展示可燃气体的浓度信息。可以是简单的数字显示屏，显示实时浓度值；也可以是带有图形界面的显示器，提供更详细的浓度变化曲线等信息。报警单元在可燃气体浓度超过设定的安全阈值时发出警报。警报方式包括声光报警，如发出高分贝的蜂鸣声和闪烁的灯光，提醒现场人员注意危险情况。
 

　　(四)数据传输与记录单元
 

　　一些先进的可燃气体监测设备能够将监测数据传输到远程监控中心。通过有线(如 RS - 485、以太网等)或无线(如 ZigBee、Wi - Fi、4G/5G 等)通信方式，将数据发送出去。同时，设备内部通常还配备存储单元，用于记录一段时间内的监测数据，这些数据可以用于事后分析事故原因、评估安全状况等。
 

　　四、可燃气体监测的应用场景
 

　　(一)工业领域
 

　　在石油化工行业，炼油厂、化工厂等场所存在大量的可燃气体，如乙烯、丙烯、氢气等。可燃气体监测系统可以实时监测生产装置、储存罐区等区域的可燃气体泄漏情况，确保生产安全。在煤矿行业，用于监测瓦斯浓度，防止瓦斯爆炸事故。
 

　　(二)建筑领域
 

　　在建筑物中，特别是使用天然气、液化石油气等可燃气体作为燃料的场所，如居民住宅、酒店、餐厅等，可燃气体监测设备安装在厨房等位置，可以及时发现燃气泄漏，保护居民和使用者的生命财产安全。
 

　　(三)交通运输领域
 

　　在汽车、船舶等交通工具中，对于使用天然气或其他可燃气体作为燃料的情况，需要监测可燃气体是否泄漏。例如，天然气公交车内安装有可燃气体监测装置，一旦发生泄漏可以及时采取措施，避免发生危险。