可燃氣體傳感器原理及其在原油儲罐火災(zāi)報警系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘要】本文詳細論述了氣體檢測傳感器的種類及其工作原理。通過靜態(tài)方程的推導(dǎo)分析傳感器的工作特性，例如檢測范圍、補償電阻的作用等問題予以解釋。以及可燃氣體傳感器在油庫原油儲罐消防報警中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】可燃氣體；火災(zāi)報警；傳感器

Combustible gas sensor application in giving an alarm in crude oil storage tank fire control

Feng Cuicui

（SINOPEC Pipeline Transport Sub-company Huangdao oil storage，Qingdao，Shandong，266500）

Abstract：This paper introduces the principle and characteristics of combustible gas sensor . According to deducing the static equation we can understand the performance characteristics ， such as detection range and And combustible gas sensor application in giving an alarm in crude oil storage tank fire control

Keywords：Combustible gas；Fire alarm；Sensor

1、引言

石油、石化等工業(yè)環(huán)境中可燃或有毒氣體泄露，氣體探測器檢測到氣體濃度達到爆炸或報警器設(shè)置的臨界點時，報警器就會發(fā)出報警信號，以提醒工作人員采取安全措施，防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)、中毒事故的發(fā)生，從而保障安全生產(chǎn)。

2、氣體檢測傳感器的種類

氣體傳感器如從檢測原理上分，大體上可分為三大類：

（1）利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如半導(dǎo)體式（表面控制型、體積控制型、表面電位型）、催化燃燒式、固體熱導(dǎo)式等；

（2）利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱傳導(dǎo)式、光干涉式、紅外吸收式等；

（3）利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固體電解質(zhì)式等。

工業(yè)報警器因為需要定量的測量，所以多選用催化燃燒傳感器和電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器一般只是應(yīng)用到定量測量毒性氣體的場合，而對于可燃氣體的泄露，一般都采用催化燃燒傳感器。催化燃燒傳感器的優(yōu)點：1、對可燃氣體下限以下氣體濃度的測量，其輸出呈線性；2、對于爆炸下限以下濃度測量時，能輸出數(shù)十毫伏的電信號，靈敏度高。

3、催化燃燒傳感器工作原理及工作特性

催化燃燒式可燃氣體報警器的探頭是由一對催化燃燒式檢測元件組成。其中測量元件由帶孔的金屬罩保護，對可燃氣體非常敏感，該元件上涂有多層催化劑，鉑絲線圈對催化劑進行加熱，使可燃氣接觸元件后達到一定的氧化狀態(tài)，同時把可燃氣體在催化劑作用下無焰燃燒生成的熱量檢測出來。補償元件由金屬罩密封，對可燃氣不敏感，但它處在與檢測元件相同的工作環(huán)境，起著對非可燃氣體環(huán)境變化（環(huán)境溫度變化、濕度變化、風(fēng)速變化以及電源電流電壓變化）而引起的催化元件阻值變化補償作用。其測量原理圖如圖1：

傳感器工作時，在恒流源作用下，有電流流過電橋四個臂。無可燃氣體時，電橋輸出平衡；有可燃氣體時，可燃氣體與氧氣在測量元件表面進行無焰燃燒，放出熱量被元件吸收引起元件溫度升高，使鉑絲電阻增大，這樣就破壞原來電橋平衡，輸出一個與可燃氣體濃度成正比的電信號，然后將此信號送入放大電路放大，軟件校準后計算電壓，并通過電壓比較器與預(yù)設(shè)值比較，最終判斷是否報警，實現(xiàn)對可燃氣體濃度的監(jiān)測。其原理框圖如圖2：

圖2 可燃氣體報警器原理框圖

載體熱催化元件是利用甲烷與氧氣在元件表面反應(yīng)的熱效應(yīng)來檢測甲烷濃度的。元件在工作過程中的熱力學(xué)關(guān)系決定了它的工作特性，工作時元件置于檢測氣室中，通工作電流，對于補償元件由于工作電流加熱功率轉(zhuǎn)換后所獲得的熱量Q。

補償元件損耗的熱量，包括周圍空氣帶走的熱量Q1，元件向周圍空間輻射散熱Q2，元件鉑絲通過引線傳導(dǎo)散熱Q3，設(shè)環(huán)境溫度為T0，補償元件溫度為Ti，熱導(dǎo)功率與溫度梯度成正比，與熱導(dǎo)面積成反比。

式中α1、α2——分別為空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)和鉑絲的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

S1、S3——分別為元件和鉑絲的截面積；

Ti、T0——分別為元件的溫度和環(huán)境的溫度；

A——輻射系數(shù)；

δ——斯芯潘常數(shù)，δ=5.6686×10-12。

補償元件達熱平衡時，

對于測量元件，由于有甲烷產(chǎn)生燃燒，產(chǎn)生反應(yīng)熱，電阻也有一個相應(yīng)的增加量，設(shè)鉑電阻的溫度系數(shù)為αt，監(jiān)測元件作為絕對黑體處理，A=1，而，故測量元件熱平衡方程：

式中αt——金屬絲電阻溫度系數(shù)；

——元件獲得的熱量；

——甲烷燃燒生成的熱量；

——引起的溫升；

——引起的電阻變化；

I——元件通過的電流；

R——元件通過的電阻。

由上式可見，熱傳導(dǎo)和熱輻射是工作元件的熱損耗。它們的情況決定了元件工作特性。隨著加熱電流的增加，元件溫度逐漸上升，開始輻射熱較小，熱傳導(dǎo)損耗是耗熱的主要部分。由于輻射熱與溫度4次方成正比，隨溫度升高，輻射散熱所占的比重逐漸增大。當溫度升高到400℃以后，輻射散熱超過傳導(dǎo)熱而成為主要部分。溫度繼續(xù)升高，輻射熱迅速增加，當溫度超過620℃時，由于輻射散熱作用，元件溫度進一步增加就比較困難。溫度620℃對應(yīng)甲烷濃度是4%（工作電流0—340mA）。因此，4%以后濃度再增加，元件輸出的增加量將明顯減少，這就引起元件對高濃度CH4進行檢測時呈非線性，誤差大。

4、可燃氣體傳感器在油庫原油儲罐消防報警中的應(yīng)用

可燃氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)主要是針對可燃氣體濃度的異常升高進行實時測量，顯示濃度變化并進行報警。由可燃氣體傳感器和控制卡組成[1]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

圖3 可燃氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，可燃氣體傳感器分別布設(shè)在各個探測點上，控制卡接收傳感信號，并做數(shù)據(jù)處理，輸出兩級報警控制信號，一路提供給顯示儀表進行聲光報警，一路提供給計算機系統(tǒng)進行集中控制。

根據(jù)可燃氣體傳感器的工作原理，制成可燃氣體濃度監(jiān)測報警系統(tǒng)，實時監(jiān)測氣體濃度變化、顯示并進行超限報警，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于原油儲罐消防火災(zāi)可燃氣體報警系統(tǒng)中，其安裝應(yīng)用如下：

某油庫管轄著38座儲油罐，29臺輸油泵，幾百個閥門。擁有消防控制子站4座，總控制室1座。消防自動控制系統(tǒng)PLC采用Siemens公司的S7-300系列，操作站用HMI接口軟件為Citect 6.0。

在原油儲罐罐前閥、2個攪拌器、排污口，輸油泵進、出口距離5米處安裝可燃氣體傳感器，共220余路，對原油儲罐、輸油泵可燃氣泄漏進行監(jiān)控[2]。傳感信號傳入消防自動控制系統(tǒng)，具有聲光報警功能，操作人員確認后啟動消防自動控制系統(tǒng)，對發(fā)生火災(zāi)原油儲罐進行滅火作業(yè)。

4、結(jié)論

氣體傳感器探頭可以安裝在充滿可燃、易爆、有毒、有害氣體的環(huán)境中，尤其在生產(chǎn)、運輸?shù)葓鏊??？扇細怏w報警器可以更早的探測到有毒有害和可燃氣體的存在，當氣體超過了報警極限后，發(fā)出報警信號，起到提前預(yù)防的作用。應(yīng)該注意的是，有報警信號產(chǎn)生，并不代表即時發(fā)生火災(zāi)，其只說明空氣中可燃、有毒氣體濃度已經(jīng)達到報警設(shè)定值，需要操作人員到現(xiàn)場確認具體情況再相應(yīng)采取行動，當空氣中可燃氣體濃度降到報警預(yù)設(shè)值以下，報警器自動恢復(fù)到監(jiān)控狀態(tài)[3]。

參考文獻

[1]石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范（GB50493）

[2]李鳳霞，王毅，可燃氣體報警器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].河南化工，2010.03（27）：50～51

[3]丁瑞金，正確認識可燃氣體傳感器的性能[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2006（04）：72～75

作者簡介

馮翠翠，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)自動化專業(yè)，現(xiàn)任中石化管道儲運分公司黃島油庫儀表主辦，從事儀器儀表管理工作。

身份證號：230231198502010327