電廠中氣體檢測的傳感器選型研究

雷俊　王勝輝　莊益詩　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的氣體，并分析它們的主要來源；其次，根據檢測氣體所需的方法，分析幾種常用傳感器的工作原理；最后，結合傳感器和需要檢測的氣體的特性，給出了氣體檢測需要的傳感器類型。

關鍵詞：電力系統；氣體傳感器；傳感器選型

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0035-02

引言

氣體和人們的生活息息相關，存在于各個領域。電力是人們生活的必須，在人類的各類活動中占據十分重要的位置。然而，在電力生產過程中會產生多種危險氣體，這些氣體危害十分大，輕則引起中毒，重則引起爆炸，給國家和人民生活造成嚴重損失。為了避免和減少損失，必須對電力系統中產生的可燃及有毒氣體進行監測。我們首先要清楚需要監測的氣體，其次，我們必須找到合理的監測方法，最后需要了解監測用的傳感器的傳感器選型及工作原理。

1 氣體來源

在電力系統，需要監測的常見氣體有：氫氣、可燃氣體、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，氫冷發電機組利用氫氣這一特點，發電機將氫氣作為冷卻介質來使用，在發電機處和制氫站需對氫氣泄露進行檢測。

（2）可燃氣體。燃氣是現在多個場所使用的主要燃料能源，在電廠的鍋爐房、供熱房都使用燃氣做為燃料。另外在發電機組、燃氣調壓站、燃氣罐裝區都存在可燃氣體，這些地方必須對可燃氣體進行泄露檢測，以排除這些潛在的危險源。另外，電廠都有自己的燃油倉儲區，這些地方也有可燃氣體產生，也必須對可燃氣體的泄露進行檢測。

（3）氨氣。電廠存在大量的供水管，供水系統長時間易產生腐蝕，所以在鍋爐加水時，需加入氨水調節水的酸堿度，并加入除氧劑進行化學除氧，防止供水系統被腐蝕。在電廠的脫硫和脫硝環節，氨還被用做還原劑來使用，因此，電廠存在制氨場所和氨氣存儲區，由于氨氣危險性極大，泄露會引起中毒和爆炸事件，所以必須對其進行檢測。

（4）二氧化硫，氮氧化物。電力行業燃煤機組脫硫脫硝工程中的產物中存在大量沒有處理完全的二氧化硫，氮氧化物，為了防止對空氣造成污染，需要對其含量進行檢測，超標時調節工藝和配料，減少二氧化硫，氮氧化物的產生。

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

（6）六氟化硫。六氟化硫具有良好的絕緣性能、穩定的理化性能和優異的滅弧性能，被廣泛應用于高壓設備中，例如：高壓開關、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用最多，但是六氟化硫是目前發現的六種溫室氣體之一，在全球每年生產的六氟化硫氣體中，至少有一半以上用于電力工業，還在不斷的增長當中，而且增速驚人，對它需嚴格檢測，防止泄露對空氣污染。

2 檢測方法

對電廠中的常見氣體，現在檢測方法最為實用的是利用傳感器法。傳感器是把某種特定物質轉化為電信號的一種轉換器，其中，氣體傳感器是眾多傳感器中較為成熟的一種。

國外研究氣體傳感器已經有40多年的歷史，品種達到了幾百種，以往的研究重點主要是煤氣和可燃氣體，并取得了可喜的成績，這些傳感器基本已趨于成熟，隨著社會經濟的進步和科學的發展，人類探索的領域也逐步增多，涉及電力、石油、石化、冶金、化工等眾多領域。隨著眾多領域的開發，提高人民生活水平的同時，也給人民生存帶來了眾多潛在的威脅，例如：中毒事件的發生，爆炸事件的發生和嚴重的環境污染，嚴重影響人類的生存和健康。這些危險事件產生的主要因素是由氣體引起的，所以對氣體傳感器的研究課題也提出了新的挑戰，需要研究多種類的氣體傳感器，并且要求這些氣體傳感器具有高的靈敏度和選擇性，以滿足新形勢下對傳感器的需求。

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出來，并轉化為可檢測的電信號，它是氣體檢測儀器的核心器件。我國的學者從70年代就開始研究氣體傳感器，在探索新技術、新材料和新器件上取得了較大的發現，并且制造出了使用性比較強的低成本氣體傳感器。由于氣體傳感器在檢測氣體泄漏方面具有選擇性好，使用簡單、檢測快捷等優點。在電廠的氣體泄露檢測上大多使用傳感器法，配上電子元件，做成直觀的氣體報警器。

3 氣體傳感器工作原理

氣體傳感器是一個比較大的學科，從每種傳感器的基本工作原理，到它的基本應用特性，再加上應用場所，根據檢測對象性質，來選擇不同類型的傳感器。目前常見的氣體傳感器類型有半導體式傳感器、催化燃燒式傳感器、電化學式傳感器、紅外傳感器等[1]，下面介紹幾種傳感器的工作原理。

（1）半導體式傳感器。半導體氣體傳感器是利用敏感材料吸附氣體后，引起半導體的特性發生變化，通過檢測變化的強度，找出和氣體對應的線性關系，來檢測氣體的濃度。目前最為成熟的半導體式氣體傳感器是金屬氧化物氣體傳感器[2]，它是現在應用最為廣泛的傳感器之一。

半導體氣體傳感器中，電阻式的半導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，利用阻值變化來展現被檢測氣體的濃度。最近，又通過在半導體內摻雜適量貴金屬催化劑來提高傳感器的靈敏度和選擇性，常用的貴金屬有Pt、Pb、Au，最近又通過改變傳感器的工作溫度來改善傳感器的靈敏度和選擇性，這樣使得半導體傳感器檢測下限擴展到ppm級。

（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動下，達到一定的溫度，當遇到可燃氣體時，在氣敏材料的表面發生氧化燃燒或者在催化劑的作用下發生氧化燃燒，當電阻式發生燃燒時，溫度急劇升高，導致電阻絲的阻值發生變化，通過測試電阻絲的電阻變化來確認被測試氣體的濃度。近年來，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， 使得傳感器在環境溫度下非常穩定，并能對大多數可燃氣體反應。endprint

（3）電化學式傳感器。根據電化學反應的基本原理設計而成，在固定的工作條件下，核心檢測器件會對被測氣體選擇性催化，將氣體直接氧化或者還原產生電流，產生的電流信號可以通過儀器讀出，在測試范圍內信號與氣體濃度呈現良好的線性關系，可以根據下面的公式準確檢測出被測氣體濃度。

（4）紅外氣體傳感器。利用紅外線的物理性質來進行測

量，紅外線傳感器包括光學系統、檢測元件和轉換電路，其中，光學系統為反射式。檢測元件為熱敏檢測元件，熱敏元件是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發生變化，通過轉換電路變成電信號輸出。

氣體分子在紅外區有各自明顯的吸收譜線， 在此波段的吸收最為強烈，衰減最劇烈。當光源的發射波長與氣體的吸收波長相吻合時，會發生共振吸收，其吸收強度與該氣體的濃度有關，通過測量光的吸收強度就可測量氣體的濃度。出射光強I與入射光強I0和氣體的濃度之間的關系遵循公式：

I=I0exp（-αCL）

式中：α-氣體吸收系數；L-吸收路徑的長度；C-氣體的濃度。

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

紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優點。

4 氣體傳感器選型原則

電廠中不同場所需要檢測的氣體種類不同，所以在選擇檢測儀表時，我們需要首先根據檢測氣體不同選擇不同類型的儀表，選擇儀表時最為主要的就是看傳感器，我們要根據傳感器以下特性來選擇合適的傳感器[3-4]。

（1）穩定性。穩定性是傳感器在其檢測量程內響應的穩定性，主要通過零點漂移和跨度漂移來衡量。零點漂移是在沒有目標氣體時傳感器輸出穩定的信號。跨度漂移是在一定的氣體濃度下，其輸出響應值能穩定在一定的區間內。

（2）靈敏度。靈敏度是指傳感器對被測氣體的輸出響應信號大小的能力，主要由傳感器的結構和技術原理決定。選擇時主要考慮傳感器對被測氣體的危險閥值的系數靈敏度。

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

（4）重復性。重復性是傳感器對某一特定氣體濃度多次測量情況下，響應值在一定的區間內。重復性是考察傳感器精度的重要指標。

根據上述傳感器的特性，在電廠中檢測氣體時，主要分為以下幾個種類，即檢測氣體的有毒性、爆炸下限和含氧量。對于可燃氣體主要采用半導體傳感器和催化燃燒傳感器，當檢測管道的輕微泄露時大多采用半導體傳感器，當檢測氣體的爆炸下限時大多采用燃燒傳感器。對于硫化氫、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氣體傳感器。對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，會保證電廠中的氣體檢測的準確性、可靠性和及時性。

參考文獻：

[1]劉崇進，鄭大 .氣體傳感器的發展概況和發展方向[J].計算機測量與控制，1997，7.

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

[3]何道清.傳感器與傳感器技術[M].北京：科學出版社，2003.

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