催化式可燃气体探测器运行的原理原来是这样子的啊

2020-07-17 14:04:18 湖南赛西 40

首先来声明几个常见的概念。


1、可燃气体:能够与空气(或氧气)在一定浓度范围内均匀混合形成预混气,遇到火源会发生爆炸,燃烧过程中释放出大量能量的气体。可以检测的可燃气体包含烷类(如甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷等)、烃类(如多烷烃)、醇类(如甲醇、乙醇等)、醛类(如甲醛等)、苯类(如甲苯、二甲苯等)、乙炔、挥发性有机物等。常见可燃气体化学方程式如下所述:

甲烷:CH4+2O2==CO2+2H2O

小分子烷烃:

2CnH(2n+2)+(3n+1)O2==2nCO2+(2n+2)H2O

小分子烯烃:

2CnH2n+3nO2==2nCO2+2nH2O

小分子炔烃:

2CnH(2n-2)+(3n-1)O2==2nCO2+(2n-2)H2O

硫化氢:2H2S+3O2==2SO2+H2O

氢气:2H2+O2==2H2O

一氧化碳:2CO+O2==2CO2


2、体积百分比:即溶质占溶液中的体积之比,记为%vol,对于可燃气体而言,即可燃气体体积÷预混气体积=%vol


3、爆炸极限:当可燃性气体与空气混合,将形成空气可燃气混合气体,根据混合气体中可燃性气体的浓度,可将混合气体分成三个区域,即歉量区、爆炸区及富量区(见图1)。爆炸区的下限值,称爆炸下限(LEL);爆炸区的上限值,称爆炸上限(UEL)。每种气体的最低爆炸极限与最高爆炸极限是确定的,可查阅有关手册。

可燃气体探测器

图1

例如:甲烷(CH4)在空气中的爆炸下限(LEL)为5%vol,爆炸上限(UEL)为15%vol,低于5%vol(100%LEL)不会爆炸,高于15%vol(100%UEL)不会爆炸,在5%~15%vol之间会爆炸。


4、ppm浓度:溶质占溶液中的体积的百万分之比,对于气体而言,1ppm即为体积分数的百万分之一,即

1ppm=0.01%vol;

5%vol=1%LEL=500ppm(CH4)。


催化燃烧探测器是一种常见的可燃气体探测器,采用惠斯通电桥原理,当检测到可燃气体时,气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧,使元件升温,导致电阻发生变化使得电桥不平衡,此时电桥的输出信号与可燃气体的浓度成线性关系,进行转化就可测出可燃气体的浓度。


1、 电路的感应元件是由铂丝线圈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剂,习惯上称之为黑元件。反之其未涂覆或浸渍有铂、钯等稀有金属的催化剂,称之为白元件。通电后,铂丝的温度上升至工作温度,当空气中存在可燃气体时,由于催化剂作用产生无焰燃烧,感应元件温度升高,铂丝电阻会增大。如图2所示:

可燃气体探测器

图2


2、将阻值相近的黑白元件搭配连接在惠斯通电桥中,组成工作电路。黑元件作为感应元件,白元件作为补偿元件,感应元件可以对可燃气体产生反应,补偿元件无反应,用于消除环境影响。如图3所示:

可燃气体探测器

图3


设Rx为感应元件,R1与R2为补偿电阻,R为补偿元件。在未检测到可燃气体时,Rx为基础数值R0,设φC=0,电源UACACA =U0

则UBDBD=UBC-UDC

=UAC•Rx/(Rx+R1)-UAC•R/(R2+R)

=U0•【Rx/(Rx+R1)-R/(R2+R)】;

则此时感应元件和补偿元件阻值相同,使电压计UBD=0,则φBD,R1/Rx=R2/R;

当检测到可燃气体时,Rx增加数值ΔR,在R不改变的前提下,UBD将增大。

设铂丝的电阻温度系数为a,温度变化为Δt,燃烧焓变为ΔH,可燃气体体积分数为V,铂丝热容量为C;

则Δt•C=ΔH•V;

ΔR=R0•a•Δt=R0•a•ΔH•V/C;

ΔR与可燃气体体积分数V成正比。


惠斯通电路元件的灵敏度很高,稳定性和线性变化也很好,制作简便,抗水蒸气干扰性能好。因此催化燃烧式的可燃气体探测器被广泛应用,常制作成便携式气体检测仪或者固定式的检测探头,气体采集方式常选择自由扩散式或者机器泵吸式。但该类型探测器仍存在以下不足:


1、催化燃烧反应无法分辨可燃气体的具体成分,无论是甲烷泄露,还是硫化氢泄露,或者两者皆有,探测器都只能无差别报警。


2、感应元件的化学反应需要有氧气参与,当氧气浓度低于16%时检测数值就会偏低,因此当可燃气体浓度太高时,无焰燃烧停止,铂丝电阻就不发生变化,仪器就无法正常显示数值。


3、铂丝(Pt)的金属活性容易受到硫(S)、磷(P)、铅(Pb)、锑(Sb)、硅(Si)、氯(Cl)等影响,减弱催化活性,称为感应元件的中毒。元件中毒会导致灵敏度降低,缩短探测器寿命。


4、目前的响应时间一般可达到<30秒,误差准确度为±5%(F•S,满量程),最小分辨率一般为0.1%LEL即50ppm。对于一些条件严格的工况,这样的性能还不能满足要求。


5、依据相关国家或行业标准,在初次使用前,需要使用60%LEL的标准气体对探测器进行校准调零,之后使用10%、40%和60%LEL三种标准气体对探测器数值的算术平均值进行误差检定,再使用40%LEL的标准气体对探测器的精密度和响应时间进行检定。此后探测器的检定周期为1年,而探测器的使用寿命一般至3~5年。


赛西新闻
家报介绍
可燃气体探测器
可燃气体报警器