浅谈可燃气体探测器的使用寿命
本文主要是谈可燃气体探测器的使用寿命，可燃气体探测器的使用寿命的长短是由传感器直接决定。可燃气体探测器有可燃气体探测器和有毒有害气体探测器之分，它们使用的传感器是不同的。可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器；可燃气体探测器有催化型、红外光学型两种类型。有毒有害气体探测器采用的是电化学式传感器。
【关键词】：可燃气体探测器 传感器 有毒有害气体探测器
【引 言】：随着工业化的发展，可燃/毒性气体已经成为我们在生产和生活中不得不面对的危险来源。包括石化企业、化工行业、恐怖袭击、危险品储运、垃圾填埋、城市污水处理、各类地下管线等等各个方面，我们可能在不知不觉中就会受到危险气体的威胁。
可燃气体探测器产品可单独用在气体泄漏场所探测报警，也可与各类火灾报警控制器连接，和其它种类火灾探测器一起构成总线制火灾报警系统，同时具有独立报警功能。独立式气体探测器带有输出控制点，用于控制通风换气设备(无源常开触点)及燃气管道关断阀(有源脉冲触点)。可燃气体探测器工作稳定，灵敏、可靠，使用寿命长，可广泛用于家庭、宾馆、公寓等存在可燃气体的场所进行安全监测；也可用于防爆场所。
可燃气体探测器的使用寿命和探测功能都是根据使用的传感器决定的，常见的传感器有催化燃烧传感器、半导体传感器、电化学传感器、红外气体传感器、光离子化传感器等等。
下面我们简单谈谈气体探测器中使用的传感器和使用寿命。
Catalytic combustion or Infrared 检测可燃气体： 催化燃烧式传感器或红外式传感器。这两种传感器主要用于检测可燃气体。
1、催化燃烧式传感器原理和使用寿命
气体扩散到传感器的催化燃烧室。燃烧室中两只传感器元件上的催化剂使可燃性气体进行无焰燃烧，产生热量。温度使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生微小的电压差信号，此信号与可燃气体浓度是成正比的的，从而达到检测可燃气体浓度的目的。
催化燃烧式传感器属于高温传感器，催化元件的检测元件是在铂丝线圈（φ0.025~φ0.05）上包以氧化铝和粘合剂形成球状，经烧结而成，其外表面敷有铂、钯等稀有金属的催化层，其结构如图所示：
对铂丝通以电流，使检测元件保持高温（300~400℃），此时若与可燃气体接触如甲烷气体，甲烷就会在催化剂层上燃烧，燃烧的实质是元件表面吸附的甲烷与吸附的氧离子之间的反应，反应完成后生成CO2和H2O解析，而气相中的氧由被元件吸附并解离，重新补充元件表面上的氧离子。
利用元件测量甲烷式基于在其表面测量甲烷燃烧反应放出的热量的原理，即燃烧使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值就上升。测量铂丝电阻值变化的大小就可以知道可燃气体的浓度。
在实际应用中常采用惠斯顿电桥测量电路，如图所示。电桥中黑元件既是检测元件，白元件为补偿元件，白元件与黑元件相比只缺少催化剂层，也就是说白元件遇到可燃气体不能燃烧，。有一些厂家将黑白元件封装在一个防爆网内，也有一些厂家分别封装。当空气中有一定浓度的可燃气体时，检测元件由于燃烧而电阻值上升，电桥失去平衡，由电压输出，起到检测作用。
可燃物在催化剂作用下燃烧。与直接燃烧相比，催化燃烧温度较低，燃烧比较完全。催化燃烧所用的催化剂为具有大比表面的贵金属和金属氧化物多组分物质。例如家用负载Pd或稀土化合物的催化燃气灶，可减少尾气中CO含量，提高热效率。负载0.2%pt的氧化铝催化剂，在500℃下，可将大多数有机化合物燃烧，脱臭净化到化学位移σ=1以下。催化燃烧为无焰燃烧，因此适用于安全性要求高的场合，如以H2和O2为原料的燃料电池、用汽油或酒精为原料的怀炉(催化剂为浸Pt石棉)等。如消除化工厂NOx的烟雾，可加燃料到烟雾中，通过负载型铂和钯催化剂，催化燃烧使NOx转化为N2气。 采用适当的催化剂，使用有害气体中的可燃物质在较低的温度下分解、氧化的燃烧方法。
气体探测器的传感器采用催化燃烧的方式检测气体，称为催化燃烧式传感器。
检测可燃气体的探测器一般使用催化燃烧式传感器，催化燃烧传感器可以对大部分的可燃气体产生响应。特定气体在测量桥上燃烧产生的热量就反映了它的燃烧热，而后者会随各类物质性质改变。所以，不同物质即使在相同浓度下也会产生不同的仪器读数。 要记住，仪器测量的是电阻的变化而不是浓度的变化！不同的气体在测量桥上的行为会有很大的不同。通常，较大的分子会产生更多的燃烧热。另一方面，较小的分子更容易进入测量头的烧结结构进行反应。催化燃烧式传感器，尤其是测量%LEL的传感器不适合于检测“较重的”或者长链的烷烃，特别是高闪点的物质。
催化燃烧式的传感器是应用最广泛的低成本可燃气体探测传感器，广谱可燃气体探测，气体选择差，易中毒，寿命一般为2年。
2、红外式传感器原理和使用寿命
红外气体传感器都有基本的组成部分：一个红外源（即白炽灯），探头（如热电池，烟火探头），选择适当波长的方法（如光带通过干扰过滤器）和样本元件。辐射从辐射源通过样本元件和波长选择器。波长选择对传感器的相对选择性有相当大的影响。未被样本吸收的辐射被探头测出，对样本中目标气体的浓度值提供测量的结果。样本中的另一个探头（或渠道）被设置成另一种波长，不会被样本中任何可能出现的波长稀释，这通常被用来提供参考测量值。
另一个增强红外传感器表现的元件是温度传感器。所有这些元件必须有温度附件来进行补偿，以提供准确的气体浓度值。温度传感器（通常是热敏电阻）应放在探头内或非常接近探头的地方。
红外传感器能在红外源和探头之间，为目标气体分子的测量提供有效的测量值。因而，输出信号不仅随气体浓度变化，而且受气压影响也会变化，为保证测量的高精确性，必需提供气压补偿。这就说明了具有更长的光学路径的传感器（辐射距离从辐射源到探头）有更高的灵敏性，需要更低的力学范围但增加的决议。
如果目标气体是一种气体，固定光路设备又处于在恒定气压下，则输出信号（及信号/声音比率）会随着气体浓度增加成类似于指数衰变的趋势，即红外传感器是固定地非线性传感器。测量的准确性随着气体浓度的增加降低。
上述各个组件的说明是非常典型的红外传感器，但在任何一个实用系统中都需要有支持电子。更常用的探测技术是使用放大设备来放大探头输出的极小的模拟信号，被放大的输出信号在被模拟过滤后能提高测量的准确性。
红外式传感器可探测碳氢类可燃气体，二氧化碳等。可以无氧环境工作，抗中毒，精度高，耗电低，寿命一般大于5年。
3、电化学式传感器的原理和使用寿命
电化学式传感器，用于检测有毒气体。电化学式包括定电位电解式和伽伐尼电池式氧气传感器。
电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。
在实际中，由于电极表面连续发生电化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会导致传感器性能退化。为改善传感器性能，人们引入了参考电极。
参考电极安装在电解质中，与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体分子与传感电极发生反应，同时测量反电极，测量结果通常与气体浓度直接相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。
电化学式传感器使用寿命一般为2-3年，须工作在有氧环境，不适用于高温、低温及低湿度环境。
半导体式传感器的原理和使用寿命
半导体式传感器，用半导体材料制成的传感器结构是一层沉积在硅片上的金属氧化物薄膜，是依靠在一种加热氧化物的表面吸收气体而工作的。氧化物表面对样品气体的吸收，从而导致金属氧化物电阻的变化，且能反映到样品气体的浓度变化上。传感器表面被加热到200-250度之间的一个恒定温度，以增加反应速率，降低环境温度变化所带来的影响。半导体传感器非常简单且很坚固，同时还是非常灵敏的，寿命更长，探测低浓度可燃气体及一些有毒气体，如硫化氢、一氧化碳等。
半导体式传感器的使用寿命，一般为3年。广谱可燃气体探测，气体选择性差，线性差，易惰化，需要定期活化。
光离子传感器的工作原理与使用寿命
PID传感器可以检测低浓度(0-10ppm，0-100ppm，0-1000ppm)挥发性有机化合物(VOC)，是一个高灵敏度、宽范围、广谱的传感器，可以看成一个低浓度LEL检测器。使用了一个紫外灯(UV)光源将有机物打成可被检测到的正负离子，探测喊叫检测到离子化的气体电荷并将其转化为电流信号，经放大及运算后，显示为气体的浓度值。PID传感器是非破坏性传感器，离子化检测后，气体重新还原为原来的气体或蒸汽。
使用寿命一般大于2年，主要用于探测低浓度挥发性有机化合物(VOC)，广谱，精度高，耗电低等特点。
3.Diffusion fuel cell 检测氧气：扩散燃烧单元(燃料电池)。即通常所说的伽伐尼电池式氧气传感器。用于氧气的检测。
伽伐尼电池式氧气传感器原理：塑料容器内一面装有对氧气透过性良好的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧粘着贵金属(铂，黄金，银等)阴电极，在容器另一面内侧或容器的空余部分形成阳极(用铅，镉等离子化倾向大的金属)。氧气在通过电解质时阴阳极发生氧化还原反应，使阳极金属离子化，释放出电子，产生电流。电流的大小与氧气的多少成正比。
结束语
气体探测器就是通过传感器，气体探测器可对安装现场环境中的气体泄漏部分进行有效的探测，最近有好几次的大火与爆炸都是由于气体泄漏所导致的，随着安全意识的提高，现在家庭、宾馆、公寓等都有装可燃气体探测器，进行安全监测；也可用于防爆场所，如油品类；化工类；煤气、燃气类；医药类；其他行业等领域都有所安装与使用。从面避免重大事故的发生。还需要定期对可燃气体探测器进行检查，传感器需要定期校准，达到使用年限，建议更换，做到真正防患于未燃。
