甲烷泄漏報(bào)警器是非常重要的燃?xì)獍踩O(shè)備，它是安全使用城市燃?xì)獾淖詈笠坏辣Ｗo(hù)。這么重要的儀器，你知道它的技術(shù)是怎么發(fā)展的，產(chǎn)品由何而來？怎么選購？

它的主要技術(shù)包括三類：半導(dǎo)體式、催化燃燒式、紅外光譜式傳感器。前二種為傳統(tǒng)甲烷傳感器，第三種為紅外吸收光譜檢測技術(shù)，成本適宜的主要技術(shù)包括非色散紅外（NDIR）、激光式（TDLAS），特別是激光式，批量應(yīng)用于燃?xì)忾y井的甲烷泄漏監(jiān)測始于2018年前后，屬于最新一代的甲烷泄漏監(jiān)測技術(shù)。

一、發(fā)展歷史

可燃?xì)怏w報(bào)警器最早出現(xiàn)于上世紀(jì)30年代，國外從20世紀(jì)30年代開始研究及開發(fā)氣體傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高;另一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌鲈鲩L受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。

60年代，日本九洲大學(xué)清山哲郎教授在進(jìn)行氧化物催化劑研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，氧化物半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨環(huán)境中還原性氣體的濃度而變化，反過來利用這一現(xiàn)象，便可通過測定氧化物半導(dǎo)體的電導(dǎo)率檢測環(huán)境中的還原性氣體的濃度，這就是人類最初的氣體傳感器，清山教授因此被人們尊稱為“化學(xué)傳感器之父”。不久，日本的田口先生又完全獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)這一科學(xué)現(xiàn)象，他在氧化物中添加微量的鉑和把等貴金屬、經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)制成半導(dǎo)體材料、它就是現(xiàn)在半導(dǎo)體傳感器的關(guān)鍵元器件。氣體傳感原理被發(fā)現(xiàn)后不久，很快在1963年5月，由日本新宇宙電機(jī)株式會(huì)社開發(fā)出了接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，次年12月改良產(chǎn)品問世。命名為“電子燃?xì)鈭?bào)警器”，這時(shí)的報(bào)警器已經(jīng)可以檢測燃?xì)狻⒁谎趸嫉葰怏w，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視、從功能上講，已經(jīng)較適合家庭使用了。隨著研究的不斷深入，1969年2月，日本的科研人員又開發(fā)出了世界上臺(tái)半導(dǎo)體式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器。

我國70年代初期開始研制可燃性氣體報(bào)警器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到各類危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加，逐漸擴(kuò)展到整個(gè)工商業(yè)可燃?xì)怏w監(jiān)測應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的氣體傳感器存在一定限制，特別是工作壽命問題，需要人工維護(hù)，增加了長期應(yīng)用成本，亟需一款測量準(zhǔn)確、可靠性高、維護(hù)性好的新一代氣體傳感器。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，由于光通訊發(fā)展的需要，半導(dǎo)體激光器和光纖元件發(fā)展迅速，性能大大提高，從通信領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展至傳感領(lǐng)域，為傳感領(lǐng)域設(shè)計(jì)了波長覆蓋近紅外波段、窄線寬、壽命長的DFB或VESCL半導(dǎo)體激光器，并在近幾年實(shí)現(xiàn)初步產(chǎn)業(yè)化，成本大幅度下降，使得TDLAS技術(shù)逐步應(yīng)用于科學(xué)和工程上的氣體探測。

國內(nèi)TDLAS激光氣體分析產(chǎn)品市場愈發(fā)成熟，部分廠家從芯片開始做起，實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化，激光器可靠性高，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)波長控制。圍繞核心器件，部分廠家研制激光甲烷傳感器模塊，配合用戶進(jìn)行二次開發(fā)，形成點(diǎn)式甲烷檢測儀、地下閥井可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)等甲烷檢測產(chǎn)品，并且有多個(gè)版本型號(hào)，可適用于自然擴(kuò)散式、泵吸式等客戶不同的集成產(chǎn)品型式，也可滿足客戶不同的環(huán)境溫度適用性要求，真正做到核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)自主可控，也可面向諸多領(lǐng)域定制化生產(chǎn)，滿足不同行業(yè)氣體監(jiān)測需要。

二、不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于應(yīng)用量最大的催化燃燒式傳感器，不光其優(yōu)缺點(diǎn)問題，應(yīng)用中還存在中毒、失效問題，不僅是測量漂移，而是無法測量，縮短傳感器應(yīng)用壽命。

該傳感器敏感元件表面涂覆有多層催化劑，當(dāng)敏感元件催化劑失效時(shí)，會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)怏w報(bào)警器失效，失效的因素主要包括燒結(jié)、焦化和中毒。

燒結(jié)是指敏感元件長期暴露在高溫下引起活性面積降低，從而導(dǎo)致催化能力下降；焦化是指有機(jī)烴反應(yīng)時(shí)，其烴鍵部分會(huì)因燃燒而產(chǎn)生焦炭，焦炭附著在催化劑表面，與外部空氣隔離導(dǎo)致催化劑失活。這種積碳反應(yīng)是催化劑失活的主要因素。最后中毒指的是比如硫酸鹽、H2S、鹵代烴物質(zhì)與催化劑反應(yīng)，造成催化劑活性失效。

催化燃燒式傳感器的元件由兩根阻值相同的超微鉑絲構(gòu)成，并在電路板形成電阻橋。氣體濃度不同造成電阻變化，產(chǎn)生電壓差。該方法在應(yīng)用場合濕度過大時(shí)，造成電阻變化，影響測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

由于上述問題，造成該傳感器應(yīng)用時(shí)需要人工定期維護(hù)，確定該傳感器工作準(zhǔn)確有效，浪費(fèi)了大量人力物力。

由于半導(dǎo)體、催化燃燒式敏感元件需要接觸待測氣氛，受到影響進(jìn)而影響了使用效果，劃歸為接觸式傳感器；紅外吸收光譜法通過光源（普通光源或者激光光源）照射待測氣氛，當(dāng)氣體中存在甲烷氣體時(shí)，甲烷氣體吸收光源特定波長能量，通過能量減小反演氣體濃度，因此是紅外光與氣體接觸，不受環(huán)境影響，所以劃分成非接觸式傳感器，其可靠性較接觸式大為提高。

紅外吸收光譜法因光源及后端解調(diào)方法不同，又分成了NDIR和TDLAS技術(shù)原理，與NDIR技術(shù)相比，TDLAS激光氣體分析產(chǎn)品的特點(diǎn)是采用了半導(dǎo)體激光器作為光源，替代了傳統(tǒng)的寬譜光源。激光器的線寬窄，光譜寬度小于氣體吸收譜線的寬度，所以解決了NDIR交叉干擾影響，特別是解決了甲烷測量時(shí)的水汽干擾，因此測量準(zhǔn)確性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

因此，TDLAS技術(shù)克服了傳統(tǒng)甲烷傳感器的各種缺點(diǎn)，擴(kuò)大了傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，采用非接觸式測量方法，不存在敏感元件的漂移和失效，因此理論上具備免校準(zhǔn)特點(diǎn)，可以節(jié)省大量維護(hù)人工，長期應(yīng)用時(shí)維護(hù)費(fèi)用低，因此具有極大的技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)品應(yīng)用優(yōu)勢。

我們匯總了各類傳感器技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：

各類傳感器技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

三、甲烷泄漏報(bào)警器主要應(yīng)用

傳感器應(yīng)用分為民用或者家用可燃?xì)怏w報(bào)警檢測和工商業(yè)可燃?xì)怏w報(bào)警檢測。民用可燃?xì)怏w報(bào)警器一般安裝在廚房，燃?xì)庑孤┑那闆r下，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，并同時(shí)聯(lián)動(dòng)燃?xì)庥?jì)量表外部設(shè)備，如燃?xì)庥?jì)量表電磁閥，自動(dòng)切斷燃?xì)忾y門，防止氣體泄漏繼續(xù)發(fā)生。一些報(bào)警可自動(dòng)聯(lián)動(dòng)開啟排氣風(fēng)扇，將可燃?xì)怏w排出室外，降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。受限于家用傳感器成本限制，多用半導(dǎo)體式、催化燃燒式傳感器。

工商業(yè)可燃性氣體報(bào)警器應(yīng)用場景與民用非常相似，氣體報(bào)警器安裝在工業(yè)、商業(yè)用戶燃?xì)夤艿赖倪B接閥門、調(diào)壓箱、燃?xì)忾y井等燃?xì)鈧鬏斎^程場景。不僅在燃?xì)忸I(lǐng)域，該傳感器還廣泛應(yīng)用在石油石化、化工廠、冶煉廠、鋼鐵廠、煤炭廠、熱電廠、鍋爐房、加氣站、輸油管道、航空航天、工業(yè)氣體過程控制、環(huán)境檢測、污水處理廠、地下燃?xì)夤艿罊z修、危險(xiǎn)場所安全防護(hù)、軍用設(shè)備檢測各種場所。

工商業(yè)領(lǐng)域?qū)淄闈舛葴y量準(zhǔn)確性、可靠性要求更高，應(yīng)用環(huán)境更加復(fù)雜，傳統(tǒng)采用催化燃燒式傳感器，但是部分應(yīng)用場景出現(xiàn)了誤報(bào)多、壽命短等問題，應(yīng)用效果較差，例如閥井、管廊。近年來TDLAS技術(shù)成本不斷下降，在上述領(lǐng)域已經(jīng)替代催化燃燒傳感器，并不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

綜上，本文闡述了不同技術(shù)的甲烷泄漏報(bào)警器優(yōu)缺點(diǎn)，希望對(duì)大家選擇合適的甲烷泄漏報(bào)警器有幫助。

審核編輯 黃昊宇