双探头传感器可燃气体报警器的设计

常季成

(中国石油化工股份有限公司东北油气分公司，吉林 长春 130000）

关键字：安全；双探头传感器；报警器

可燃气体报警器，随着使用时间推移，存在器件老化的情况，导致报警器损坏。据统计，造成此情形的，90%以上是由于报警器的传感器失灵所致[1]。可燃气体报警器属于国家强制检定项目，检定周期为一年。而可燃气体报警器失灵随时存在，很有可能存在报警器检定时好使，但过了一段时间报警器就会失效故障的情况。在此期间内，无法有效的对可燃气体进行监控，一旦危险气体发生泄露，就会造成严重的安全事故[2]。因此必须采取有效措施，解决可燃气体报警器使用寿命问题，延长使用周期，提高安全系数。针对此现状，本文设计了一种双探头传感器可燃气体报警器。

1 催化燃烧型传感器原理及结构设计

1.1 催化燃烧型检测原理

催化燃烧型传感器是低成本的可燃气体探测传感器，具有输出信号线性度好、抗干扰性强等优点。该传感器使用催化载体型气敏元件作为可燃气体浓度的检测器。催化燃烧式传感器的工作原理如图1所示。利用气敏元件与环境中可燃气体发生无焰燃烧后气敏电阻温度发生改变，进而通过温度的变化换算出可燃气体的浓度[3]。

图1 催化燃烧式传感器原理示意图

传感器由催化燃烧型检测元件、补偿元件及电阻、组成，4个元件共同构成惠斯通电桥[4]。检测元件铂丝上烧结一层陶瓷载体，而后再涂复催化活性物。当可燃气体扩散到传感器的催化燃烧室时，在到室内催化剂的作用下，会发生无焰燃烧。进而导致铂丝表面发生氧化反应，由此产生的热量使铂丝温度升高，完全燃烧且热辐射可以忽略，温度升高使相应的电阻阻值发生变化。如图1所示，桥臂段2只固定阻值的电阻。由于铂丝的变化造成电桥失衡，形成电势差，产生电压，即由燃烧的化学反应转化为机器可识别的电信号。电阻增量与可燃气体浓度成正比，从而可以得到可燃气体的浓度。

1.2 催化燃烧型传感器结构设计

使用催化燃烧型传感器测量可燃气体在空气的含量，结构设计主要包括探测器（检测元件）和平衡器（补偿元件）[5]。探测器由包含一颗多孔耐火珠催化剂及埋置其中的铂丝线圈构成。平衡器的构成和探测器类似，但是平衡器中的多孔耐火珠不具备催化作用。具体的结构设计如图2所示。

图2 催化燃烧式传感器结构设计图

探测器（检测元件） 和平衡器（补偿元件）放置在惠斯通电桥电路中，如果探测器的阻力与平衡器不同，将导致电流信号输出[6]。500～550°C的恒定直流电压通过搭桥对元件加热，只有在探测器（检测元件）上可燃气体才能被氧化，温度升高会导致电阻增大，产生的信号值与可燃气体的浓度成比例。平衡器（补偿元件） 作用就是帮助平衡报警器四周温度、压力和湿度等参数[7]。

2 双波长红外传感器原理及结构设计

2.1 双波长红外传感器检测原理

双波长红外传感器可实现多种方式进行气体检测，但总体结构都包括红外光源、气室和双通道红外接收器、滤波片等部分，基本的检测原理如图3所示。

图3 双波长红外传感器测量原理图

双波长红外传感器检测可燃气体时，测量通道的滤波片只允许可燃气体特征波长的红外光通过，其余特征波长的红外光被过滤掉，参比通道的滤波片只允许设定波长的红外光通过，固定双通道红外接收器可接收到这些红外光[8]。红外光源发出的红外光在通过气室时可燃气体被吸收，到达双通道红外接收器时，输出的参比信号反映出光源变化，测量信号反映出被测可燃气体浓度变化，通过比较参比通道、测量通道的信号的差值，可算出可燃气体的浓度值[9]。

2.2 双波长红外型传感器结构设计

双波长红外传感器主要由光学结构和信号处理电路两部分构成，并安装在可燃气体报警器外壳中，形成具有独立结构的传感器，用于实现对可燃气体的检测。光学结构包括红外光源、双通道红外接收器、气室及温度传感器四部分。信号处理电路负责对光电信号进行处理，为控制器提供输出端口。外壳具备二次屏蔽作用，避免外界电磁等干扰，并起到防腐蚀和防撞击的作用[10]。具体的结构如图4所示。

图4 双波长红外型传感器结构设计图

通过查阅资料和试验可知，可燃气体吸收红外光的能力较弱。在设计传感器结构时，需要考虑延长光路长度。通过在传感器尾端添加一个镀金球反射镜，镀金球反射镜的作用有两点：一是光路长度在原有气室的基础上延长1倍，以便增强可燃气体对红外光的吸收作用，保证红外光在气室内的衰减能有效区分出可燃气体浓度的变化。二是球面反射镜表面镀金，以确保红外接收器接收到足够的光强。为了让反射的红外光尽可能多的到达双通道红外接收器上，以增强接收器接收到的信号强度，接收器前端设置锥形集光器是为了进行反射光汇聚。

可燃气体报警器检测的可燃气体多为烷烃类气体，所以在光源的选择上尽可能采用结构的红外光源。采用抛物面聚光镜对发出的红外光进行聚焦和准直，在光源处加装窗口片，窗口片的作用是为了让所需波长的红外光透过，并且能减少气室内气体流动对红外光的干扰，以增强光源的稳定性[11-12]。双波长红外型传感器在设计时，在气室内安装了温度探测头，实时探测气室内温度变化，以便设计算法对温度进行补偿，消除温度对气体浓度测试的影响，保证传感器测量数据的准确性和可靠性。

3 双探头可燃气体报警器的结构

3.1 双探头传感器检测原理

报警器在结构设计上采用双探头传感器模式。由于传感器是仪器仪表设备的核心部件，传统的报警器只安装一个传感器。然而在可燃气体报警器检定周期内，单探头的报警器由于器件老化或其他意外情况的发生，会导致传感器失灵，可燃气体报警器也就会失去检测报警的功能。此时如果发生可燃气体泄漏，报警器就起不到任何保护的作用，存在极大的安全隐患。为了避免此类情况的发生，在原有设计结构的基础上增加一个传感器。多了一个传感器，就多了份保险，提高了安全系数，设计图如图5所示，名称叫做双探头可燃气体报警器。该报警器由催化燃烧型传感器、双波长红外传感器、控制电路板、数码显示屏、声光报警器等结构部件构成。

图5 双探头可燃气体报警器的结构图

3.2 双探头传感器结构设计

报警器各结构部件发挥各自作用形成统一整体。首先，可燃气体在与空气混合后，经自然扩散进入传感器，传感器的过滤罩会初步滤掉灰尘杂质；然后经过透气膜滤除掉水分和灰尘；最后进入传感器内部进行电化学反应和光电反应。经过传感器内部处理后，主控电路会接收到两个传感器的电信号，但不同时起作用。两路信号中优先级较高的会先触发主控电路，当一路检测数据有效时，另一路被主控电路关断。检测的有效电信号经过滤波、放大、模数转换后把模拟信号转化为数字信号，输送到数据处理模块。数据处理模块根据事先建立的数据模型换算出可燃气体的浓度值。温度探测器也将探测到的被测气体的温度输入到数据处理模块。数据处理模块对所测得的数据进行温度补偿后，得到真实的被测气体浓度值。当浓度值达到预设值时，主控会向驱动声光报警器发送指令。收到指令后声光报警器开始报警，同时在数字显示器上能够实时显示出检测的可燃气体的浓度值，便于现场巡检人员记录数据并检查安全生产有无异常。同时可以对报警器内部增加通讯模块，将检测的数据远传到控制终端，显示实时数据，方便值班人员随时监测现场数据防止异常发生，保证安全生产，大大降低了安全隐患[13]。

3.3 双探头可燃气体报警器的优势

催化燃烧型传感器具备选择性特征，可以燃烧的都可以通过检测[14]。此传感器具有计量准确、稳定可靠、响应迅速等优点。但是检测气体中含有硫、硅、磷等元素时，会使催化燃烧型传感器中毒，使传感器部分或完全丧失敏感性。

红外线型传感器具有高可靠性和稳定性，能够耐高浓度的检测气体，不随检测浓度的增强而降低灵敏度。克服了催化燃烧型传感器易中毒的缺点，在氧化环境下可以使用。但是，不适用于被测气体为氢气的现场条件。

为适应不同环境下对不同可燃气体的全面检测，设计出了这种双探头传感器。两个传感器可以在不同环境下优势互补，当其中一只传感器失灵时，另外一只会起到检测作用，始终保证报警器始终能够正常稳定的工作，有效的避免了安全事故的发生。所以在可燃气体报警器检测周期内，采用双探头传感器的报警器可以使安全性能提升50%以上，在国家倡导安全生产、安全工业、安全红线的大背景下具备良好的应用前景。

4 结论

论述了催化燃烧型、双波长红外型传感器的原理和设计结构。不同环境中两种传感器灵敏度不同，都存在着一定的弊端。提出了双探头传感器可燃气体报警器的设计方案，并对这种报警器的设计结构及原理和进行阐述[15]。详细分析了它的优势，证明了此方案可适用于不同环境下不同可燃气体的检测。降低了报警器发生故障的可能性，有效的提升了现场安全系数，为日后可燃气体报警器的发展方向提供了宝贵的经验。