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）

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。

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Pd-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（ΔR)，以达到检测气体浓度的目的[2]。图2 为检测元件（灯丝）的结构图解。

图1 催化燃烧检测原理图

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（ΔR)。

输出端的ΔV出≈ （ΔR / 4R）×Δ 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 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 Explosive 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。

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]。

表1 一些碳氢化合物的极限燃烧值

被测气体吸收红外能量，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]：

式中 I0— 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；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 μm。

图3 一个红外吸收探测器的光路示意图

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。

3.2 局限性

催化燃烧是一个化学反应，受制于许多条件，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率的固态红外光源；接受器从传统的利用红外线的热效应转换成电信号，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。

4 结束语

应该说低温催化燃烧原理和非色散红外吸收原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。

[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.

[2] 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.

[3] DAVID R.LIDE Editor-in-chief * HEAT OF COMBUSTION,《CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition,2003-2004).

[4] 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.

[5] DAVID R.LIDE Editor-in-chief * FLAMMABILITY OF CHEMICAL SUBSTANCES, 《CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition,2003-2004).