催化燃燒式、半導(dǎo)體式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的檢定

任志偉　王 瑞　朱 蘭 / 蘇州市計(jì)量測(cè)試研究所

催化燃燒式、半導(dǎo)體式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的檢定

任志偉王 瑞朱 蘭 / 蘇州市計(jì)量測(cè)試研究所

0　引言

可燃?xì)怏w檢測(cè)儀主要用于檢測(cè)易燃易爆氣體，如天然氣、煤氣、甲烷、乙烷、丙烷、氫氣、丙酮、一氧化碳、苯等，廣泛應(yīng)用于化工、石化、電子冶金等領(lǐng)域以及民用安全檢測(cè)。可燃?xì)怏w檢測(cè)儀屬于安全防護(hù)檢測(cè)設(shè)備，是強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具，必須定期、定點(diǎn)檢定，以保證儀器的計(jì)量性能穩(wěn)定可靠。

可燃?xì)怏w檢測(cè)儀按傳感器與易燃?xì)怏w反應(yīng)的原理主要可分為催化燃燒式傳感器、半導(dǎo)體傳感器兩種主要傳感器形式。由于傳感器的工作原理不同，檢定時(shí)產(chǎn)生誤差原因的種類(lèi)也有所不同，因此在檢定前必須仔細(xì)閱讀說(shuō)明書(shū)和檢定規(guī)程，檢定時(shí)采取正確有效的方法對(duì)儀器進(jìn)行檢定。

1　可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)與工作原理

催化燃燒式傳感器是采用催化燃燒法來(lái)測(cè)量可燃?xì)怏w或蒸汽在空氣中的含量。儀器的測(cè)量范圍一般從零到該氣體爆炸的最低氣體濃度。當(dāng)傳感器接收到含有可燃?xì)怏w的混合氣體時(shí)，可燃?xì)怏w在電極間進(jìn)行無(wú)焰燃燒，使鉑絲電阻增大，電極電壓信號(hào)發(fā)生變化。該電壓信號(hào)與可燃?xì)怏w的濃度成正比。由于傳感器電橋輸出的電壓與氣體濃度成線性，且響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，催化燃燒式氣體檢測(cè)儀大量應(yīng)用于天然氣、煤氣、烷類(lèi)及汽油、醇類(lèi)、酮類(lèi)、苯類(lèi)等可燃?xì)怏w濃度的檢測(cè)和安全報(bào)警。

半導(dǎo)體傳感器是將半導(dǎo)體氧化物SnO2、ZnO等燒結(jié)成厚膜狀，涂覆在電極表面，在150～300 ℃條件下，被測(cè)可燃?xì)怏w主要是還原型氣體，例如：甲烷、乙醇、丙烷、氫氣、一氧化碳、甲醇、丙酮等。當(dāng)這些氣體到達(dá)半導(dǎo)體表面，并與吸附在表面的氧發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，伴隨著電荷轉(zhuǎn)移使半導(dǎo)體材料的電阻發(fā)生變化，通過(guò)材料阻值的變化，對(duì)電信號(hào)處理，獲得對(duì)可燃?xì)怏w的濃度。由于半導(dǎo)體傳感器制造成本低，靈敏度高，故此類(lèi)可燃?xì)怏w報(bào)警儀在某些領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

2　催化燃燒式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的檢定

在開(kāi)啟催化燃燒式檢測(cè)儀的檢定工作前，必須認(rèn)真閱讀說(shuō)明書(shū)和檢定規(guī)程。由于傳感器為催化燃燒式，零點(diǎn)檢定時(shí)必須使用高純空氣，不可使用氮?dú)?。同時(shí)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氣體的使用，也必須采用空氣中標(biāo)準(zhǔn)氣體，且標(biāo)準(zhǔn)氣體中氧濃度不應(yīng)過(guò)低，以免標(biāo)準(zhǔn)氣體不能在傳感器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)。對(duì)于標(biāo)定罩的使用，擴(kuò)散式標(biāo)定罩側(cè)壁或是出氣孔一側(cè)應(yīng)有回流出氣孔，且出氣孔的大小應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)器流量相匹配，防止罩內(nèi)氣壓高于環(huán)境氣壓。連接泵吸式檢測(cè)儀時(shí)，采用三通，其中一路連接流量計(jì)，通過(guò)觀察流量計(jì)的流量確保泵吸入的氣體全為標(biāo)準(zhǔn)氣體。由于催化燃燒式氣體傳感器響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間較快，所以只要保證標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的氣流通過(guò)，其檢定結(jié)果可靠性通常較高。

3　半導(dǎo)體式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的檢定

半導(dǎo)體可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的檢定一直以來(lái)都是可燃?xì)怏w檢測(cè)儀檢定人員較為困擾的計(jì)量?jī)x器。主要是由于半導(dǎo)體傳感器對(duì)氣體的選擇性差，對(duì)測(cè)試環(huán)境要求嚴(yán)格，長(zhǎng)期使用后線性較差。具體影響檢定結(jié)果的主要因素及應(yīng)對(duì)措施有以下四個(gè)方面。

3.1溫度的影響

溫度是影響半導(dǎo)體傳感器最主要的因素。因?yàn)槟壳安捎玫陌雽?dǎo)體材料只有在一定溫度下，氣體才能與半導(dǎo)體材料發(fā)生反應(yīng)，且溫度的高低決定著材料的靈敏度和選擇性。即使傳感器本身的加熱電壓穩(wěn)定，環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響其靈敏度。檢定時(shí)通入氣體的氣流會(huì)降低敏感材料表面的溫度，從而降低其靈敏度。所以通氣時(shí)，氣流流量在符合檢定規(guī)程的前提下，應(yīng)以較小的流量檢定，以減少散熱。對(duì)于擴(kuò)散式要保證通氣時(shí)間有60 s以上，確保其溫度穩(wěn)定。

3.2濕度的影響

在氣體與半導(dǎo)體材料反應(yīng)過(guò)程中，水參與其氧化還原反應(yīng)，這就需要環(huán)境保持一定的濕度。當(dāng)傳感器環(huán)境濕度與標(biāo)準(zhǔn)氣體濕度相差較大時(shí)，應(yīng)將此因素帶來(lái)的示值誤差考慮到結(jié)果中。

3.3敏感材料比表面積的影響

當(dāng)半導(dǎo)體傳感器長(zhǎng)期處于油煙或粉塵等環(huán)境下時(shí)，即使有過(guò)濾罩的保護(hù)，半導(dǎo)體傳感元件表面也會(huì)附著油污或粉塵，使其與氣體接觸面積減少，致其靈敏度降低，即使通過(guò)調(diào)試標(biāo)定后能達(dá)到檢定合格，在短期內(nèi)隨著敏感材料表面情況的惡化，示值仍會(huì)發(fā)生漂移，所以檢定該環(huán)境中的報(bào)警器時(shí)，如遇檢定前不合格，建議多采取更換探頭或是縮短檢定周期。

3.4材料中毒的影響

當(dāng)半導(dǎo)體氣體傳感器吸附分子量較大的氣體時(shí)（如苯，酮類(lèi)等），其脫附較慢，或是脫附后發(fā)生漂移，稱(chēng)之為中毒。所以在此環(huán)境中檢定時(shí)，如果發(fā)生零點(diǎn)漂移，可以先用高純氮?dú)饣蚋呒兛諝鈱?duì)傳感器進(jìn)行“清洗”，幫助其脫附大分子氣體。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的檢定工作是一項(xiàng)較為系統(tǒng)、復(fù)雜的工作，由于可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的工作原理、工作環(huán)境、使用壽命以及本身質(zhì)量的不同，考慮其壽命以外，應(yīng)當(dāng)分析出誤差的來(lái)源，在符合檢定規(guī)程條件下，改善檢定方法，提高量值的可靠性和準(zhǔn)確性。在對(duì)可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的檢定過(guò)程中，檢定人員需嚴(yán)格按照檢定規(guī)程要求進(jìn)行檢定，不斷學(xué)習(xí)、了解可燃?xì)怏w檢測(cè)技術(shù)，以保證檢定結(jié)果的正確、科學(xué)、有效。

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