雙探頭傳感器可燃?xì)怏w報警器的設(shè)計

常季成

(中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司，吉林 長春 130000）

關(guān)鍵字：安全；雙探頭傳感器；報警器

可燃?xì)怏w報警器，隨著使用時間推移，存在器件老化的情況，導(dǎo)致報警器損壞。據(jù)統(tǒng)計，造成此情形的，90%以上是由于報警器的傳感器失靈所致[1]?？扇?xì)怏w報警器屬于國家強制檢定項目，檢定周期為一年。而可燃?xì)怏w報警器失靈隨時存在，很有可能存在報警器檢定時好使，但過了一段時間報警器就會失效故障的情況。在此期間內(nèi)，無法有效的對可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)控，一旦危險氣體發(fā)生泄露，就會造成嚴(yán)重的安全事故[2]。因此必須采取有效措施，解決可燃?xì)怏w報警器使用壽命問題，延長使用周期，提高安全系數(shù)。針對此現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種雙探頭傳感器可燃?xì)怏w報警器。

1 催化燃燒型傳感器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 催化燃燒型檢測原理

催化燃燒型傳感器是低成本的可燃?xì)怏w探測傳感器，具有輸出信號線性度好、抗干擾性強等優(yōu)點。該傳感器使用催化載體型氣敏元件作為可燃?xì)怏w濃度的檢測器。催化燃燒式傳感器的工作原理如圖1所示。利用氣敏元件與環(huán)境中可燃?xì)怏w發(fā)生無焰燃燒后氣敏電阻溫度發(fā)生改變，進(jìn)而通過溫度的變化換算出可燃?xì)怏w的濃度[3]。

圖1 催化燃燒式傳感器原理示意圖

傳感器由催化燃燒型檢測元件、補償元件及電阻、組成，4個元件共同構(gòu)成惠斯通電橋[4]。檢測元件鉑絲上燒結(jié)一層陶瓷載體，而后再涂復(fù)催化活性物。當(dāng)可燃?xì)怏w擴散到傳感器的催化燃燒室時，在到室內(nèi)催化劑的作用下，會發(fā)生無焰燃燒。進(jìn)而導(dǎo)致鉑絲表面發(fā)生氧化反應(yīng)，由此產(chǎn)生的熱量使鉑絲溫度升高，完全燃燒且熱輻射可以忽略，溫度升高使相應(yīng)的電阻阻值發(fā)生變化。如圖1所示，橋臂段2只固定阻值的電阻。由于鉑絲的變化造成電橋失衡，形成電勢差，產(chǎn)生電壓，即由燃燒的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為機器可識別的電信號。電阻增量與可燃?xì)怏w濃度成正比，從而可以得到可燃?xì)怏w的濃度。

1.2 催化燃燒型傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

使用催化燃燒型傳感器測量可燃?xì)怏w在空氣的含量，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括探測器（檢測元件）和平衡器（補償元件）[5]。探測器由包含一顆多孔耐火珠催化劑及埋置其中的鉑絲線圈構(gòu)成。平衡器的構(gòu)成和探測器類似，但是平衡器中的多孔耐火珠不具備催化作用。具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 催化燃燒式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

探測器（檢測元件） 和平衡器（補償元件）放置在惠斯通電橋電路中，如果探測器的阻力與平衡器不同，將導(dǎo)致電流信號輸出[6]。500～550°C的恒定直流電壓通過搭橋?qū)υ訜幔挥性谔綔y器（檢測元件）上可燃?xì)怏w才能被氧化，溫度升高會導(dǎo)致電阻增大，產(chǎn)生的信號值與可燃?xì)怏w的濃度成比例。平衡器（補償元件） 作用就是幫助平衡報警器四周溫度、壓力和濕度等參數(shù)[7]。

2 雙波長紅外傳感器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 雙波長紅外傳感器檢測原理

雙波長紅外傳感器可實現(xiàn)多種方式進(jìn)行氣體檢測，但總體結(jié)構(gòu)都包括紅外光源、氣室和雙通道紅外接收器、濾波片等部分，基本的檢測原理如圖3所示。

圖3 雙波長紅外傳感器測量原理圖

雙波長紅外傳感器檢測可燃?xì)怏w時，測量通道的濾波片只允許可燃?xì)怏w特征波長的紅外光通過，其余特征波長的紅外光被過濾掉，參比通道的濾波片只允許設(shè)定波長的紅外光通過，固定雙通道紅外接收器可接收到這些紅外光[8]。紅外光源發(fā)出的紅外光在通過氣室時可燃?xì)怏w被吸收，到達(dá)雙通道紅外接收器時，輸出的參比信號反映出光源變化，測量信號反映出被測可燃?xì)怏w濃度變化，通過比較參比通道、測量通道的信號的差值，可算出可燃?xì)怏w的濃度值[9]。

2.2 雙波長紅外型傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙波長紅外傳感器主要由光學(xué)結(jié)構(gòu)和信號處理電路兩部分構(gòu)成，并安裝在可燃?xì)怏w報警器外殼中，形成具有獨立結(jié)構(gòu)的傳感器，用于實現(xiàn)對可燃?xì)怏w的檢測。光學(xué)結(jié)構(gòu)包括紅外光源、雙通道紅外接收器、氣室及溫度傳感器四部分。信號處理電路負(fù)責(zé)對光電信號進(jìn)行處理，為控制器提供輸出端口。外殼具備二次屏蔽作用，避免外界電磁等干擾，并起到防腐蝕和防撞擊的作用[10]。具體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙波長紅外型傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

通過查閱資料和試驗可知，可燃?xì)怏w吸收紅外光的能力較弱。在設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)時，需要考慮延長光路長度。通過在傳感器尾端添加一個鍍金球反射鏡，鍍金球反射鏡的作用有兩點：一是光路長度在原有氣室的基礎(chǔ)上延長1倍，以便增強可燃?xì)怏w對紅外光的吸收作用，保證紅外光在氣室內(nèi)的衰減能有效區(qū)分出可燃?xì)怏w濃度的變化。二是球面反射鏡表面鍍金，以確保紅外接收器接收到足夠的光強。為了讓反射的紅外光盡可能多的到達(dá)雙通道紅外接收器上，以增強接收器接收到的信號強度，接收器前端設(shè)置錐形集光器是為了進(jìn)行反射光匯聚。

可燃?xì)怏w報警器檢測的可燃?xì)怏w多為烷烴類氣體，所以在光源的選擇上盡可能采用結(jié)構(gòu)的紅外光源。采用拋物面聚光鏡對發(fā)出的紅外光進(jìn)行聚焦和準(zhǔn)直，在光源處加裝窗口片，窗口片的作用是為了讓所需波長的紅外光透過，并且能減少氣室內(nèi)氣體流動對紅外光的干擾，以增強光源的穩(wěn)定性[11-12]。雙波長紅外型傳感器在設(shè)計時，在氣室內(nèi)安裝了溫度探測頭，實時探測氣室內(nèi)溫度變化，以便設(shè)計算法對溫度進(jìn)行補償，消除溫度對氣體濃度測試的影響，保證傳感器測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 雙探頭可燃?xì)怏w報警器的結(jié)構(gòu)

3.1 雙探頭傳感器檢測原理

報警器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用雙探頭傳感器模式。由于傳感器是儀器儀表設(shè)備的核心部件，傳統(tǒng)的報警器只安裝一個傳感器。然而在可燃?xì)怏w報警器檢定周期內(nèi)，單探頭的報警器由于器件老化或其他意外情況的發(fā)生，會導(dǎo)致傳感器失靈，可燃?xì)怏w報警器也就會失去檢測報警的功能。此時如果發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏，報警器就起不到任何保護的作用，存在極大的安全隱患。為了避免此類情況的發(fā)生，在原有設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個傳感器。多了一個傳感器，就多了份保險，提高了安全系數(shù)，設(shè)計圖如圖5所示，名稱叫做雙探頭可燃?xì)怏w報警器。該報警器由催化燃燒型傳感器、雙波長紅外傳感器、控制電路板、數(shù)碼顯示屏、聲光報警器等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成。

圖5 雙探頭可燃?xì)怏w報警器的結(jié)構(gòu)圖

3.2 雙探頭傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

報警器各結(jié)構(gòu)部件發(fā)揮各自作用形成統(tǒng)一整體。首先，可燃?xì)怏w在與空氣混合后，經(jīng)自然擴散進(jìn)入傳感器，傳感器的過濾罩會初步濾掉灰塵雜質(zhì)；然后經(jīng)過透氣膜濾除掉水分和灰塵；最后進(jìn)入傳感器內(nèi)部進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)和光電反應(yīng)。經(jīng)過傳感器內(nèi)部處理后，主控電路會接收到兩個傳感器的電信號，但不同時起作用。兩路信號中優(yōu)先級較高的會先觸發(fā)主控電路，當(dāng)一路檢測數(shù)據(jù)有效時，另一路被主控電路關(guān)斷。檢測的有效電信號經(jīng)過濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，輸送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)事先建立的數(shù)據(jù)模型換算出可燃?xì)怏w的濃度值。溫度探測器也將探測到的被測氣體的溫度輸入到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補償后，得到真實的被測氣體濃度值。當(dāng)濃度值達(dá)到預(yù)設(shè)值時，主控會向驅(qū)動聲光報警器發(fā)送指令。收到指令后聲光報警器開始報警，同時在數(shù)字顯示器上能夠?qū)崟r顯示出檢測的可燃?xì)怏w的濃度值，便于現(xiàn)場巡檢人員記錄數(shù)據(jù)并檢查安全生產(chǎn)有無異常。同時可以對報警器內(nèi)部增加通訊模塊，將檢測的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到控制終端，顯示實時數(shù)據(jù)，方便值班人員隨時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)防止異常發(fā)生，保證安全生產(chǎn)，大大降低了安全隱患[13]。

3.3 雙探頭可燃?xì)怏w報警器的優(yōu)勢

催化燃燒型傳感器具備選擇性特征，可以燃燒的都可以通過檢測[14]。此傳感器具有計量準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、響應(yīng)迅速等優(yōu)點。但是檢測氣體中含有硫、硅、磷等元素時，會使催化燃燒型傳感器中毒，使傳感器部分或完全喪失敏感性。

紅外線型傳感器具有高可靠性和穩(wěn)定性，能夠耐高濃度的檢測氣體，不隨檢測濃度的增強而降低靈敏度。克服了催化燃燒型傳感器易中毒的缺點，在氧化環(huán)境下可以使用。但是，不適用于被測氣體為氫氣的現(xiàn)場條件。

為適應(yīng)不同環(huán)境下對不同可燃?xì)怏w的全面檢測，設(shè)計出了這種雙探頭傳感器。兩個傳感器可以在不同環(huán)境下優(yōu)勢互補，當(dāng)其中一只傳感器失靈時，另外一只會起到檢測作用，始終保證報警器始終能夠正常穩(wěn)定的工作，有效的避免了安全事故的發(fā)生。所以在可燃?xì)怏w報警器檢測周期內(nèi)，采用雙探頭傳感器的報警器可以使安全性能提升50%以上，在國家倡導(dǎo)安全生產(chǎn)、安全工業(yè)、安全紅線的大背景下具備良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

論述了催化燃燒型、雙波長紅外型傳感器的原理和設(shè)計結(jié)構(gòu)。不同環(huán)境中兩種傳感器靈敏度不同，都存在著一定的弊端。提出了雙探頭傳感器可燃?xì)怏w報警器的設(shè)計方案，并對這種報警器的設(shè)計結(jié)構(gòu)及原理和進(jìn)行闡述[15]。詳細(xì)分析了它的優(yōu)勢，證明了此方案可適用于不同環(huán)境下不同可燃?xì)怏w的檢測。降低了報警器發(fā)生故障的可能性，有效的提升了現(xiàn)場安全系數(shù)，為日后可燃?xì)怏w報警器的發(fā)展方向提供了寶貴的經(jīng)驗。