催化燃烧与红外吸收原理可燃气体探测器探讨

1、催化燃烧与红外吸收原理可燃气体探测器探讨陆国平（巴斯夫中国有限公司，上海 200233）摘 要 工业生产中得到广泛应用的可燃气体探测器主要有两种不同检测原理，即低温催化无焰燃烧和非色散红外吸收原理。文章分析了催化燃烧原理适应性、温度补偿的实现、线性输出的机理以及它依赖氧气、某些气体使其丧 失催化性能等应用局限性；同时，分析红外吸收原理中红外波长的选择，光路、光源和吸收器等对探测器性能的 影响；并指出两种原理各有特点和优点，针对不同场合正确选型，使可燃气体探测器可靠运行，保障环境安全。 关键词 可燃气体；可燃气体探测器；催化燃烧；非色散红外吸收中图分类号：TP 732.2文献标识码：A文章编号：

2、2095-817X（2014）03-0061-004的 2。图 2 为检测元件（灯丝）的结构图解。随着国家在健康、安全、环保（HSE）方面法律法规的健全，以及人们安全意识的加强，可燃气体探 测器的用量大幅提升。工业生产中为保障人身和设备 安全，对生产装置可能存在可燃气体泄露以及工厂可 能集聚可燃气体的地方，设置可燃气体探测器，对环 境中出现的易燃易爆气体浓度进行监测和报警，使工 作 人 员 可 以 迅 速 采 取 相 应 措 施， 防 止 恶 性 事 故 发生。 它作为火灾和气体报警系统（FGS) 中获取基础数据的 现场变送器，其选型的正确性和运行的可靠性至关重 要 1。当前，在炼油、石化、化

3、工和医药等工业领域中， 可燃气体探测器常用的主要类型为低温催化燃烧型和 非色散红外吸收型两种。以下是笔者针对这两种主流 可燃气体探测器从原理出发分析其技术特点，以期给 选用者提供正确选型的参考。R1INOUTR1=R2 精密电阻（变送器侧）；R 检测 =R 补偿 =R（传感器侧，无 可燃气体时）；IN：输入 V 入；OUT：输出 V 出图 1 催化燃烧检测原理图1低温催化燃烧型1.1低温催化燃烧原理催化燃烧检测原理图参见图 1。低温催化燃烧（以 下简称，催化燃烧）检测原理是利用可燃气体在具有 催化性能的灯丝原件 - 检测元件（由约 0.03 mm 的 pt 铂金丝绕制、在烧结氧化铝载体外涂 P

4、d- 钯 - 催化剂的 小珠）上产生低温无焰燃烧，燃烧的热量导致元件的 温度升高，从而使元件的阻值增大，通过惠斯顿电桥 检测其阻值的变化（R)，以达到检测气体浓度的目氧化铝小球图 2 检测元件（灯丝）在桥路中，R1 = R2 >> R，当可燃气体在检测元件 上产生低温无焰燃烧时，导致元件温度升高，电阻增大， 阻值变化（R)。收稿日期 ：2014-05-05作者简介 ：陆国平（1961），男，工程师，主要从事工程管理等 方面的工作。检测元件催化剂铂金丝R2补偿检测 Chemical and Pharmaceutical Engineering 2014，35(3)输出端的 V 出 （

5、R / 4R）× V 入。良好的线性是催化燃烧原理探头的一个显著特点。1.2环境条件补偿 应该看到，可燃气体在检测元件上燃烧导致元件升高的温度，这个温度是检测元件与周围环境的热平 衡温度，即当检测元件从燃烧中“获得”的热量与其 因温度升高散发给周围的热量相等时的温度；为了补 偿 环 境 温 度 和 湿 度 等 的 变 化 对 测 量 带 来 偏 差， 因此， 在桥路的相邻一臂，配有一个与检测元件静态（指桥 路 通 电， 而 无 可 燃 气 体 存 在 的 状 态 ） 性 能 相 适 配的、 无催化性能的灯丝原件 - 补偿元件（同样由 pt 铂金丝 绕制、但在烧结氧化铝载体外涂 Au

6、金 - 钝化剂 - 的小 珠）；它与检测元件处于相同的环境，它不与被测可燃 气体反应，而是同步补偿环境条件变化对检测元件的 影响。1.3被测气体的“广谱性” 从检测原理上看，检测元件阻值变化的源头是燃烧的热量，因此，原则上讲，只要被测气体能在催化 小珠上（小珠“静态”时的温度约 450）被燃烧而释 放出热量，那它就能被检测，这就是所谓的“广谱性”。 当然，在有多种可燃气体存在的情况下，探测器无法 区分被测气体的种类和各自的浓度，它体现出的是综 合的效应。1.4浓度单位 LEL与我们常用体积浓度、摩尔浓度等气体浓度单位 不同，可燃气体探测器采用“最低爆炸极限”LEL (Lower Explosi

7、ve Limit) 作 为 气 体 浓 度 单 位。 上 述 已 经 说 明， 催化燃烧原理探测器，检测元件灵敏度取决于被测气 体燃烧的热量。表 1 列出了一些碳氢化合物的极限燃烧值 3。观察表 1 中所列数据，虽然它们的摩尔燃烧值差 异 很 大（ 见 表 中 第 4 列 ）； 但“ 极 限 燃 烧 值 ” 相 当 接 近（见表中第 5 列）；意味着，相同 100% LEL 浓度的 不同气体的燃烧热，虽有差别，但很相近，因此，可 燃气体探测器采用气体的最低爆炸极限的百分比，即100% LEL 作为被测气体的浓度单位。表 1一些碳氢化合物的极限燃烧值（5）=（3）×（4）5 12被测气

8、体吸收红外能量，造成到达检测器的红外能量的减少，由朗伯 - 比耳定律表示为 5：-k.c.l I = I 0 (1- e)式中 I 0 探测器发出的某一频段（非色散）红外线的能量；对确定的探测器是确定的；C 被测气体浓度；是被测参数；l 光路的长度；对确定的点式探测器也是确 定的；k 被测气体对确定频段红外线的吸收系数。 公式表明，红外能量的减少 I 与气体浓度 C 之间是严重的非线性关系，并随不同的吸收系数 k 而异， 必须用专用软件进行线性处理。2.2气体的确认和线性化 根据以上公式，红外能量的减少，与被测气体对探测器确定频段红外辐射能的吸收系数 k 相关。因此， 在选用红外吸收原理的气体

9、探测器前，必须明确被测 气体以及检测环境的背景气体，以便探测器选择相应 的 k 值和线性化软件。2.3红外频段的确定 碳氢化合物对特定频段的红外有较高吸收能力，而不同气体所“敏感”的频段会有所差异，探测器它 所选用的红外频段，一是尽量多的“ 覆盖”被测气体；2非色散红外吸收型2.1非色散红外吸收原理与催化燃烧原理不同，非色散红外吸收（以下简称， 红外吸收）原理是基于某些可燃气体对某一频段红外 线有明显吸收能力，当被测可燃气体（云）通过红外 线光路，可燃气体将吸收部分红外线，通过测量红外 线能量的减少，达到检测气体浓度的目的 4。（1）（2）（3）（4）气体名称分子式 （爆炸下限100% LEL

10、）摩尔燃烧热（kJ · mol-1）极限燃烧热（kJ甲烷CH45.0% vol890.844.5乙烯C2H42.7% vol1 411.238.1乙烷C2H63.0% vol1 560.746.8丙烯C3H62.0% vol2 058.041.2丙烷C3H82.1% vol2 219.046.6丁烷C4H101.6% vol2 877.646.0戊烷C H1.4% vol3 509.049.1己烷C6H141.1% vol4 163.245.8庚烷C7H161.05% vol4 817.050.6萘C10H80.9% vol5 156.346.4甲醇CH3OH6.0% vol726.

11、143.6乙醇C2H5OH3.3% vol1 366.845.1丙醇C3H7OH2.2% vol2 021.344.5丙酮C3H6O2.5% vol1 789.944.7甲醛CH2O7.0% vol570.740.0乙醛C2H4O4.0% vol1 166.946.7·62·化 工 与 医 药 工 程2014年 第35卷 第3期 6月30日出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2014，35(3)检测滤镜光源光路接收器气体云补偿滤镜分光镜透镜镜头图 3 一个红外吸收探测器的光路示意图3.2 局限性催化燃烧是一个化学反应，受制于许

12、多条件，表1 中所列的燃烧值是在一定条件下，气体完全燃烧时所 释放的热量，因此，被测气体在催化小珠上能否完全 燃烧、导致多高的温升、能使催化小珠产生多大的阻 值变化，除了与被测气体的种类、浓度以及浓度变化 梯度等相关外，还受背景气体和环境状况的影响，如 在缺氧（小于 10% 含氧量）或存在能使催化剂中毒背 景气氛（如：硫、磷、硅、铅、卤化物等介质）的情 况下，催化元件可能出现反应阻缓或中毒而导致探头 灵敏度减低甚至丧失的现象，在类似的情况下，就不 宜采用催化燃烧原理的探测器或需视具体情况选用某 些有抗中毒功能的催化燃烧探头 2。相比于催化燃烧原理，红外吸收无化学反应发生， 探测器在使用过程中不

13、会有缺氧影响检测和探头受背 景气氛影响而中毒的局限。但从图 3 可知，透镜在与 被测气体的接触中会受到污染，这些污染会影响检测 效果。因此，用户应选用具有光路受阻故障报警功能 的探测器，使用过程中还应关注这类报警。此外，红 外吸收型可燃气体探测器特别适用于对某一频带红外 光具有较强吸收能力的碳氢化合物，不适用被测气体 为氢气的应用场合。3.3其他 与催化燃烧的化学反应不同，红外吸收是一个物理过程，这种原理的探测器，具有高可靠性和稳定性， 耐高浓度可燃气体冲击而不会导致灵敏度降低等特有 的优点。而且红外光源的发展也很快，已从传统的是 “灯丝灯泡（Filament Lamp）”，发展为具有高闪烁频

14、率 的固态红外光源；接受器从传统的利用红外线的热效二是在此频段气体的红外能量，不被存在于背景气体中的二氧化碳、水蒸气所吸收；一般探测器比较集中 选用中波红外，波长为 3.0 4.0 m。2.4光路 被测气体是在“穿过”红外线从发射（光源）到接收器（检测器）间的光路中吸收部分能量的，如图 3 所示。通常在平行的光路中有两束光线，一束是能被 被测气体所吸收，而另一是不被气体所吸收，它是补 偿电源、光源本身等对检测光束可能带来的偏差；双 光束可以来自单光源（即单光源双光束），也有来自双 光源（双光源双光束比单光源更稳定）从上述的公式 中可以看到，与气体接触的光路长度 L 愈长，灵敏度 愈高。在光路的

15、行程中，会涉及透镜镜头，它们与环境 密切接触，为避免起雾结露，探测器的热光路技术是 必须的；透镜镜头在与被测气体的接触中会受到污染， 多数探测器都具有光路受阻的故障报警，而有些探测 器采取四光束双补偿来弥补光路中可能的偏差。3分析比较3.1故障自诊断对于催化燃烧原理的探头，由于检测元件催化性 能丧失而造成的探头失效故障，传感器无法实施对其 的故障自诊断，它只能通过定期实际气体的标定来判 断其有效性。红外吸收原理点式气体探测器的故障均可由智能 仪表的自诊断系统判别和代码显示，用户在日常维护 过程中可以做到有的放矢，从而降低劳动强度和维护 成本。2014年 第35卷 第3期 6月30日出版化 工

16、与 医 药 工 程·63·Chemical and Pharmaceutical Engineering 2014，35(3)参考文献应转换成电信号，到现在已有用固溶体薄膜的光电二极管替代，从而使其在长期工作稳定性、寿命、能耗、 快速响应等方面得到进一步提升。1陆国平 . 可燃气体和有毒气体监控系统的发展趋势 J. 石油化工自动化，2005, 41(6):17-20.GB 50493-2009. 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规 范 S. 中国计划出版社，2009.DAVID R.LIDE Editor-in-chief * HEAT OF COMBUSTION,

17、CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition,2003-2004). 王绍中，就地红外原理可燃气体探测变送器 J.石油化工自动 化，1999，(1):59-60.D AV I D R . L I D E E d i t o r- i n - c h i e f * F L A M M A B I L I T Y O F CHEMICAL SUBSTANCES, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition,2003-2004).24结束语3应该说低温催化燃烧原理和非色散红外吸收原

18、理这两类可燃气体探测器各有特点，使用中又各有利弊。 从应用的角度看，关键是要根据气体类别和应用场合 正确选用。此外，催化燃烧型有面广量大和价格的优势， 红外吸收型有方便使用和易于维护等优势。了解两种 原理的实质，正确选用、定期维护保养和标定，是确 保可燃气体探测器可靠运行的关键。45Combustible Gas Detector - Inquire into Low Temperature CatalyticBurning & Infrared Absorption TypesLu Guoping（BASF (China) Co., Ltd, Shanghai, 200233）Abs

19、tract: There are two inspection principles, low temperature catalytic burning and infrared absorption, for combustible gas detectorswhich have been widely applied in industries. In this paper, for catalytic burning principle, adaption, realization of temperature compensation, mechanism of linear out

20、put and limitation that catalytic feature may be lost for some medium were analyzed. At the same times, for infrared absorption principle, the selection of infrared wave length and influences of light way, light source and absorber were also analyzed. It was indicated that two principles have their pros and cons respectively, it needs to