電廠中氣體檢測(cè)的傳感器選型研究

雷俊　王勝輝　莊益詩(shī)　劉暢　王偉杰　牛成玉　梁東森　楊芳

摘 要：文章首先分析了電廠中存在的需要檢測(cè)的氣體，并分析它們的主要來(lái)源；其次，根據(jù)檢測(cè)氣體所需的方法，分析幾種常用傳感器的工作原理；最后，結(jié)合傳感器和需要檢測(cè)的氣體的特性，給出了氣體檢測(cè)需要的傳感器類(lèi)型。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；氣體傳感器；傳感器選型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）25-0035-02

引言

氣體和人們的生活息息相關(guān)，存在于各個(gè)領(lǐng)域。電力是人們生活的必須，在人類(lèi)的各類(lèi)活動(dòng)中占據(jù)十分重要的位置。然而，在電力生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種危險(xiǎn)氣體，這些氣體危害十分大，輕則引起中毒，重則引起爆炸，給國(guó)家和人民生活造成嚴(yán)重?fù)p失。為了避免和減少損失，必須對(duì)電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的可燃及有毒氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。我們首先要清楚需要監(jiān)測(cè)的氣體，其次，我們必須找到合理的監(jiān)測(cè)方法，最后需要了解監(jiān)測(cè)用的傳感器的傳感器選型及工作原理。

1 氣體來(lái)源

在電力系統(tǒng)，需要監(jiān)測(cè)的常見(jiàn)氣體有：氫氣、可燃?xì)怏w、硫化氫、氨氣、六氟化硫、氧氣、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等。

（1）氫氣。由于氫具有良好的傳熱性能和散熱性能，氫冷發(fā)電機(jī)組利用氫氣這一特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)將氫氣作為冷卻介質(zhì)來(lái)使用，在發(fā)電機(jī)處和制氫站需對(duì)氫氣泄露進(jìn)行檢測(cè)。

（2）可燃?xì)怏w。燃?xì)馐乾F(xiàn)在多個(gè)場(chǎng)所使用的主要燃料能源，在電廠的鍋爐房、供熱房都使用燃?xì)庾鰹槿剂?。另外在發(fā)電機(jī)組、燃?xì)庹{(diào)壓站、燃?xì)夤扪b區(qū)都存在可燃?xì)怏w，這些地方必須對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行泄露檢測(cè)，以排除這些潛在的危險(xiǎn)源。另外，電廠都有自己的燃油倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)，這些地方也有可燃?xì)怏w產(chǎn)生，也必須對(duì)可燃?xì)怏w的泄露進(jìn)行檢測(cè)。

（3）氨氣。電廠存在大量的供水管，供水系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間易產(chǎn)生腐蝕，所以在鍋爐加水時(shí)，需加入氨水調(diào)節(jié)水的酸堿度，并加入除氧劑進(jìn)行化學(xué)除氧，防止供水系統(tǒng)被腐蝕。在電廠的脫硫和脫硝環(huán)節(jié)，氨還被用做還原劑來(lái)使用，因此，電廠存在制氨場(chǎng)所和氨氣存儲(chǔ)區(qū)，由于氨氣危險(xiǎn)性極大，泄露會(huì)引起中毒和爆炸事件，所以必須對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

（4）二氧化硫，氮氧化物。電力行業(yè)燃煤機(jī)組脫硫脫硝工程中的產(chǎn)物中存在大量沒(méi)有處理完全的二氧化硫，氮氧化物，為了防止對(duì)空氣造成污染，需要對(duì)其含量進(jìn)行檢測(cè)，超標(biāo)時(shí)調(diào)節(jié)工藝和配料，減少二氧化硫，氮氧化物的產(chǎn)生。

（5）有毒有害氣體（如一氧化碳、硫化氫等）和氧氣。電力生產(chǎn)過(guò)程中，有限空間場(chǎng)所比較多，例如：電纜隧道、通信電纜管井、污水處理井、暖氣通道等，這些空間由于相對(duì)密閉易產(chǎn)生有毒有害氣體，這些場(chǎng)所又是工人常進(jìn)入的地方，在人進(jìn)入之前必須對(duì)有毒有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，以防止中毒。這些地方由于缺乏空氣流通，易造成缺氧，同時(shí)必須對(duì)氧氣進(jìn)行檢測(cè)。

（6）六氟化硫。六氟化硫具有良好的絕緣性能、穩(wěn)定的理化性能和優(yōu)異的滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于高壓設(shè)備中，例如：高壓開(kāi)關(guān)、高壓變壓器、封閉組合電容器、高壓傳輸線等。尤其在電廠的高壓變壓器中應(yīng)用最多，但是六氟化硫是目前發(fā)現(xiàn)的六種溫室氣體之一，在全球每年生產(chǎn)的六氟化硫氣體中，至少有一半以上用于電力工業(yè)，還在不斷的增長(zhǎng)當(dāng)中，而且增速驚人，對(duì)它需嚴(yán)格檢測(cè)，防止泄露對(duì)空氣污染。

2 檢測(cè)方法

對(duì)電廠中的常見(jiàn)氣體，現(xiàn)在檢測(cè)方法最為實(shí)用的是利用傳感器法。傳感器是把某種特定物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種轉(zhuǎn)換器，其中，氣體傳感器是眾多傳感器中較為成熟的一種。

國(guó)外研究氣體傳感器已經(jīng)有40多年的歷史，品種達(dá)到了幾百種，以往的研究重點(diǎn)主要是煤氣和可燃?xì)怏w，并取得了可喜的成績(jī)，這些傳感器基本已趨于成熟，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)探索的領(lǐng)域也逐步增多，涉及電力、石油、石化、冶金、化工等眾多領(lǐng)域。隨著眾多領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，提高人民生活水平的同時(shí)，也給人民生存帶來(lái)了眾多潛在的威脅，例如：中毒事件的發(fā)生，爆炸事件的發(fā)生和嚴(yán)重的環(huán)境污染，嚴(yán)重影響人類(lèi)的生存和健康。這些危險(xiǎn)事件產(chǎn)生的主要因素是由氣體引起的，所以對(duì)氣體傳感器的研究課題也提出了新的挑戰(zhàn)，需要研究多種類(lèi)的氣體傳感器，并且要求這些氣體傳感器具有高的靈敏度和選擇性，以滿(mǎn)足新形勢(shì)下對(duì)傳感器的需求。

氣體傳感器可以把空氣中的某種特定氣體在空氣中的含量定性和定量的檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的電信號(hào)，它是氣體檢測(cè)儀器的核心器件。我國(guó)的學(xué)者從70年代就開(kāi)始研究氣體傳感器，在探索新技術(shù)、新材料和新器件上取得了較大的發(fā)現(xiàn)，并且制造出了使用性比較強(qiáng)的低成本氣體傳感器。由于氣體傳感器在檢測(cè)氣體泄漏方面具有選擇性好，使用簡(jiǎn)單、檢測(cè)快捷等優(yōu)點(diǎn)。在電廠的氣體泄露檢測(cè)上大多使用傳感器法，配上電子元件，做成直觀的氣體報(bào)警器。

3 氣體傳感器工作原理

氣體傳感器是一個(gè)比較大的學(xué)科，從每種傳感器的基本工作原理，到它的基本應(yīng)用特性，再加上應(yīng)用場(chǎng)所，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象性質(zhì)，來(lái)選擇不同類(lèi)型的傳感器。目前常見(jiàn)的氣體傳感器類(lèi)型有半導(dǎo)體式傳感器、催化燃燒式傳感器、電化學(xué)式傳感器、紅外傳感器等[1]，下面介紹幾種傳感器的工作原理。

（1）半導(dǎo)體式傳感器。半導(dǎo)體氣體傳感器是利用敏感材料吸附氣體后，引起半導(dǎo)體的特性發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)變化的強(qiáng)度，找出和氣體對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，來(lái)檢測(cè)氣體的濃度。目前最為成熟的半導(dǎo)體式氣體傳感器是金屬氧化物氣體傳感器[2]，它是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一。

半導(dǎo)體氣體傳感器中，電阻式的半導(dǎo)體氣體傳感器最為成熟，它是利用金屬氧化物材料作為敏感器件，利用阻值變化來(lái)展現(xiàn)被檢測(cè)氣體的濃度。最近，又通過(guò)在半導(dǎo)體內(nèi)摻雜適量貴金屬催化劑來(lái)提高傳感器的靈敏度和選擇性，常用的貴金屬有Pt、Pb、Au，最近又通過(guò)改變傳感器的工作溫度來(lái)改善傳感器的靈敏度和選擇性，這樣使得半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)下限擴(kuò)展到ppm級(jí)。

（2）催化燃燒式傳感器。催化燃燒式氣體傳感器的工作原理是利用敏感材料在一定的電流驅(qū)動(dòng)下，達(dá)到一定的溫度，當(dāng)遇到可燃?xì)怏w時(shí)，在氣敏材料的表面發(fā)生氧化燃燒或者在催化劑的作用下發(fā)生氧化燃燒，當(dāng)電阻式發(fā)生燃燒時(shí)，溫度急劇升高，導(dǎo)致電阻絲的阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)試電阻絲的電阻變化來(lái)確認(rèn)被測(cè)試氣體的濃度。近年來(lái)，為了提高催化燃燒氣體傳感器的靈敏度，在電阻絲上涂覆催化劑， 使得傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)大多數(shù)可燃?xì)怏w反應(yīng)。endprint

（3）電化學(xué)式傳感器。根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)的基本原理設(shè)計(jì)而成，在固定的工作條件下，核心檢測(cè)器件會(huì)對(duì)被測(cè)氣體選擇性催化，將氣體直接氧化或者還原產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流信號(hào)可以通過(guò)儀器讀出，在測(cè)試范圍內(nèi)信號(hào)與氣體濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，可以根據(jù)下面的公式準(zhǔn)確檢測(cè)出被測(cè)氣體濃度。

（4）紅外氣體傳感器。利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)

量，紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路，其中，光學(xué)系統(tǒng)為反射式。檢測(cè)元件為熱敏檢測(cè)元件，熱敏元件是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。

氣體分子在紅外區(qū)有各自明顯的吸收譜線， 在此波段的吸收最為強(qiáng)烈，衰減最劇烈。當(dāng)光源的發(fā)射波長(zhǎng)與氣體的吸收波長(zhǎng)相吻合時(shí)，會(huì)發(fā)生共振吸收，其吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，通過(guò)測(cè)量光的吸收強(qiáng)度就可測(cè)量氣體的濃度。出射光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0和氣體的濃度之間的關(guān)系遵循公式：

I=I0exp（-αCL）

式中：α-氣體吸收系數(shù)；L-吸收路徑的長(zhǎng)度；C-氣體的濃度。

通過(guò)檢測(cè)I和I0可得到氣體的濃度C。這是利用光譜吸收檢測(cè)氣體濃度的原理，非分光技術(shù)的采用則可有效地消除光路干擾這一因素。

紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

4 氣體傳感器選型原則

電廠中不同場(chǎng)所需要檢測(cè)的氣體種類(lèi)不同，所以在選擇檢測(cè)儀表時(shí)，我們需要首先根據(jù)檢測(cè)氣體不同選擇不同類(lèi)型的儀表，選擇儀表時(shí)最為主要的就是看傳感器，我們要根據(jù)傳感器以下特性來(lái)選擇合適的傳感器[3-4]。

（1）穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是傳感器在其檢測(cè)量程內(nèi)響應(yīng)的穩(wěn)定性，主要通過(guò)零點(diǎn)漂移和跨度漂移來(lái)衡量。零點(diǎn)漂移是在沒(méi)有目標(biāo)氣體時(shí)傳感器輸出穩(wěn)定的信號(hào)。跨度漂移是在一定的氣體濃度下，其輸出響應(yīng)值能穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)。

（2）靈敏度。靈敏度是指?jìng)鞲衅鲗?duì)被測(cè)氣體的輸出響應(yīng)信號(hào)大小的能力，主要由傳感器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理決定。選擇時(shí)主要考慮傳感器對(duì)被測(cè)氣體的危險(xiǎn)閥值的系數(shù)靈敏度。

（3）選擇性。選擇性是傳感器對(duì)某一特定氣體的分辨能力，也就是對(duì)某一氣體響應(yīng)值特別大，而對(duì)其他氣體響應(yīng)值特別小。電廠中存在多種氣體，所以傳感器的選擇性是測(cè)量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。

（4）重復(fù)性。重復(fù)性是傳感器對(duì)某一特定氣體濃度多次測(cè)量情況下，響應(yīng)值在一定的區(qū)間內(nèi)。重復(fù)性是考察傳感器精度的重要指標(biāo)。

根據(jù)上述傳感器的特性，在電廠中檢測(cè)氣體時(shí)，主要分為以下幾個(gè)種類(lèi)，即檢測(cè)氣體的有毒性、爆炸下限和含氧量。對(duì)于可燃?xì)怏w主要采用半導(dǎo)體傳感器和催化燃燒傳感器，當(dāng)檢測(cè)管道的輕微泄露時(shí)大多采用半導(dǎo)體傳感器，當(dāng)檢測(cè)氣體的爆炸下限時(shí)大多采用燃燒傳感器。對(duì)于硫化氫、氨氣、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有毒氣體和氧氣主要采用靈敏度較高的電化學(xué)氣體傳感器。對(duì)于六氟化硫這種易分解的氣體主要采用紅外型氣體傳感器。掌握這些傳感器選型原則后，會(huì)保證電廠中的氣體檢測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性和及時(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉崇進(jìn)，鄭大 .氣體傳感器的發(fā)展概況和發(fā)展方向[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，1997，7.

[2]李松，Martin Jaegle.金屬氧化物氣體傳感器陣列的制備[J].傳感器學(xué)報(bào)，2015.

[3]何道清.傳感器與傳感器技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4]王雪文，張志勇.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.endprint