雙探頭傳感器可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)

常季成

(中國(guó)石油化工股份有限公司東北油氣分公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

關(guān)鍵字：安全；雙探頭傳感器；報(bào)警器

可燃?xì)怏w報(bào)警器，隨著使用時(shí)間推移，存在器件老化的情況，導(dǎo)致報(bào)警器損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成此情形的，90%以上是由于報(bào)警器的傳感器失靈所致[1]。可燃?xì)怏w報(bào)警器屬于國(guó)家強(qiáng)制檢定項(xiàng)目，檢定周期為一年。而可燃?xì)怏w報(bào)警器失靈隨時(shí)存在，很有可能存在報(bào)警器檢定時(shí)好使，但過(guò)了一段時(shí)間報(bào)警器就會(huì)失效故障的情況。在此期間內(nèi)，無(wú)法有效的對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)控，一旦危險(xiǎn)氣體發(fā)生泄露，就會(huì)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(bào)警器使用壽命問(wèn)題，延長(zhǎng)使用周期，提高安全系數(shù)。針對(duì)此現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種雙探頭傳感器可燃?xì)怏w報(bào)警器。

1 催化燃燒型傳感器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 催化燃燒型檢測(cè)原理

催化燃燒型傳感器是低成本的可燃?xì)怏w探測(cè)傳感器，具有輸出信號(hào)線性度好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)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(wú)焰燃燒后氣敏電阻溫度發(fā)生改變，進(jìn)而通過(guò)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(cè)元件、補(bǔ)償元件及電阻、組成，4個(gè)元件共同構(gòu)成惠斯通電橋[4]。檢測(cè)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(kuò)散到傳感器的催化燃燒室時(shí)，在到室內(nèi)催化劑的作用下，會(huì)發(fā)生無(wú)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(shì)差，產(chǎn)生電壓，即由燃燒的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為機(jī)器可識(shí)別的電信號(hào)。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(jì)

使用催化燃燒型傳感器測(cè)量可燃?xì)怏w在空氣的含量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括探測(cè)器（檢測(cè)元件）和平衡器（補(bǔ)償元件）[5]。探測(cè)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(cè)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(jì)如圖2所示。

圖2 催化燃燒式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

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

2 雙波長(zhǎng)紅外傳感器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 雙波長(zhǎng)紅外傳感器檢測(cè)原理

雙波長(zhǎng)紅外傳感器可實(shí)現(xiàn)多種方式進(jìn)行氣體檢測(cè)，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(cè)原理如圖3所示。

圖3 雙波長(zhǎng)紅外傳感器測(cè)量原理圖

雙波長(zhǎng)紅外傳感器檢測(cè)可燃?xì)怏w時(shí)，測(cè)量通道的濾波片只允許可燃?xì)怏w特征波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)，其余特征波長(zhǎng)的紅外光被過(guò)濾掉，參比通道的濾波片只允許設(shè)定波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)，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(guò)氣室時(shí)可燃?xì)怏w被吸收，到達(dá)雙通道紅外接收器時(shí)，輸出的參比信號(hào)反映出光源變化，測(cè)量信號(hào)反映出被測(cè)可燃?xì)怏w濃度變化，通過(guò)比較參比通道、測(cè)量通道的信號(hào)的差值，可算出可燃?xì)怏w的濃度值[9]。

2.2 雙波長(zhǎng)紅外型傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙波長(zhǎng)紅外傳感器主要由光學(xué)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路兩部分構(gòu)成，并安裝在可燃?xì)怏w報(bào)警器外殼中，形成具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)的傳感器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)。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(hào)處理電路負(fù)責(zé)對(duì)光電信號(hào)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(zhǎng)紅外型傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

通過(guò)查閱資料和試驗(yàn)可知，可燃?xì)怏w吸收紅外光的能力較弱。在設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮延長(zhǎng)光路長(zhǎng)度。通過(guò)在傳感器尾端添加一個(gè)鍍金球反射鏡，鍍金球反射鏡的作用有兩點(diǎn)：一是光路長(zhǎng)度在原有氣室的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)1倍，以便增強(qiáng)可燃?xì)怏w對(duì)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(qiáng)。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(qiáng)接收器接收到的信號(hào)強(qiáng)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(bào)警器檢測(cè)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(duì)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(zhǎng)的紅外光透過(guò)，并且能減少氣室內(nèi)氣體流動(dòng)對(duì)紅外光的干擾，以增強(qiáng)光源的穩(wěn)定性[11-12]。雙波長(zhǎng)紅外型傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)，在氣室內(nèi)安裝了溫度探測(cè)頭，實(shí)時(shí)探測(cè)氣室內(nèi)溫度變化，以便設(shè)計(jì)算法對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，消除溫度對(duì)氣體濃度測(cè)試的影響，保證傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 雙探頭可燃?xì)怏w報(bào)警器的結(jié)構(gòu)

3.1 雙探頭傳感器檢測(cè)原理

報(bào)警器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(bào)警器只安裝一個(gè)傳感器。然而在可燃?xì)怏w報(bào)警器檢定周期內(nèi)，單探頭的報(bào)警器由于器件老化或其他意外情況的發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致傳感器失靈，可燃?xì)怏w報(bào)警器也就會(huì)失去檢測(cè)報(bào)警的功能。此時(shí)如果發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏，報(bào)警器就起不到任何保護(hù)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(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)傳感器。多了一個(gè)傳感器，就多了份保險(xiǎn)，提高了安全系數(shù)，設(shè)計(jì)圖如圖5所示，名稱叫做雙探頭可燃?xì)怏w報(bào)警器。該報(bào)警器由催化燃燒型傳感器、雙波長(zhǎng)紅外傳感器、控制電路板、數(shù)碼顯示屏、聲光報(bào)警器等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成。

圖5 雙探頭可燃?xì)怏w報(bào)警器的結(jié)構(gòu)圖

3.2 雙探頭傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

報(bào)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(kuò)散進(jìn)入傳感器，傳感器的過(guò)濾罩會(huì)初步濾掉灰塵雜質(zhì)；然后經(jīng)過(guò)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(guò)傳感器內(nèi)部處理后，主控電路會(huì)接收到兩個(gè)傳感器的電信號(hào)，但不同時(shí)起作用。兩路信號(hào)中優(yōu)先級(jí)較高的會(huì)先觸發(fā)主控電路，當(dāng)一路檢測(cè)數(shù)據(jù)有效時(shí)，另一路被主控電路關(guān)斷。檢測(cè)的有效電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，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(cè)器也將探測(cè)到的被測(cè)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(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，得到真實(shí)的被測(cè)氣體濃度值。當(dāng)濃度值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，主控會(huì)向驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器發(fā)送指令。收到指令后聲光報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警，同時(shí)在數(shù)字顯示器上能夠?qū)崟r(shí)顯示出檢測(cè)的可燃?xì)怏w的濃度值，便于現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員記錄數(shù)據(jù)并檢查安全生產(chǎn)有無(wú)異常。同時(shí)可以對(duì)報(bào)警器內(nèi)部增加通訊模塊，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到控制終端，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，方便值班人員隨時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(bào)警器的優(yōu)勢(shì)

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(guò)檢測(cè)[14]。此傳感器具有計(jì)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。但是檢測(cè)氣體中含有硫、硅、磷等元素時(shí)，會(huì)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(cè)氣體，不隨檢測(cè)濃度的增強(qiáng)而降低靈敏度。克服了催化燃燒型傳感器易中毒的缺點(diǎn)，在氧化環(huán)境下可以使用。但是，不適用于被測(cè)氣體為氫氣的現(xiàn)場(chǎng)條件。

為適應(yīng)不同環(huán)境下對(duì)不同可燃?xì)怏w的全面檢測(cè)，設(shè)計(jì)出了這種雙探頭傳感器。兩個(gè)傳感器可以在不同環(huán)境下優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，當(dāng)其中一只傳感器失靈時(shí)，另外一只會(huì)起到檢測(cè)作用，始終保證報(bào)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(bào)警器檢測(cè)周期內(nèi)，采用雙探頭傳感器的報(bào)警器可以使安全性能提升50%以上，在國(guó)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(zhǎng)紅外型傳感器的原理和設(shè)計(jì)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(bào)警器的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)這種報(bào)警器的設(shè)計(jì)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(shì)，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(cè)。降低了報(bào)警器發(fā)生故障的可能性，有效的提升了現(xiàn)場(chǎng)安全系數(shù)，為日后可燃?xì)怏w報(bào)警器的發(fā)展方向提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。