可燃性气体检测与报警杂谈（连载一）

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可燃性气体检测与报警杂谈（连载一）

防爆防灾的基本要素 作者：蒋文振 石化化工企业由于可燃性气体泄漏而引起重大爆炸事故时有发生，对于如何防此类灾害的产生，早已引起人们重视。防灾的三个基本要素是： 1、  防止可燃性气体泄漏及其监视体制； 2、  设备防爆和消除引火源的措施； 3、  防火设备——消防器材，联动灭火设备。 以上三个要素缺一不可，其中安装可燃性气体报警器，建立对可燃性气体泄漏监视体制是近年来普遍引起重视的措施。日本在六十年代便已经由通产省制定和颁布了法定防灾规则，其中详细规定了各项防灾措施和技术细则。我国近年来，各企业亦已开始进行此项工作，并有一些具体规定和措施：例如规定新建装置必须安装报警器；各单位可有专款购置仪器设备等措施。但形式上安装了报警器并不完全等于有备无患，根据国内所见总的情况而言，目前报警器的管理工作尚待加强和完善；如有的单位虽装了报警器却无人管理维护；有时报警器工作正常，仪器亦有泄漏指示，因未明确职责而只得听之任之；更有甚者过去某单位还发生了已看到报警器指示出危险浓度，但由于没有明确的管理系统，失去 了抢险的时机而导致重大爆炸事故。以上事例说明：没有严格的管理，则报警器形同虚设。因此每与国内同行谈及此事，都认为目前迫切需要建立和加强报警器的管理体制，才能真正做到一旦发生可燃性气体泄漏，便能得到迅速的处理，防止灾害于未然。

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可燃性气体检测与报警杂谈（连载二）
接触燃烧式检测器（一）
    蒋文振

可燃性气体报警器通过内部的检测器，将可燃性气体浓度转换成电信号。各种检测器基本原理都是利用不同物理化学性质制成，目前国内外实用的可燃性气体报警器主要采用接触燃烧法和半导体检测两大类。现将接触燃烧式检测器介绍
如下：
此类检测器是由检测元件、补偿元件和精密电阻组成的电桥电路构成，按检测元件和补偿元件的制造工艺可分两种型式：第一种是不涂催化剂的检测元件，其具体结构是将纯铂丝绕成细的螺旋状、通电加热并经一种特殊工艺处理，使铂丝表面能够产生加剧氧化反应作用，以提高检测灵敏度。根据实验，其灵敏度是未经处理前的两倍以上。工作时铂丝元件被加热至红热状态，温度约550℃~600℃左右，（由于仪器内部有阻火及散热装置，所以不会引起爆炸）。如果将含有低浓度可燃性气体的空气通入检测室，则它将在铂丝表面燃烧从而改变元件的电阻值，△R与可燃气的浓度在一定范围内成比例关系，担负着将可燃性
气体转换成电信号的功能。由于这类元件不涂催化剂，所以遇到硫化物不易中毒。使用时应注意被测可燃气的浓度不应大于该气体的爆炸下限，以避免检测元件因过度燃烧而损坏。
实践证明此类检测器工作寿命是很长的。但要进一步提高检测灵敏度，则需 要采取一种涂有催化剂的检测元件。
接触燃烧式检测器（二）

接触燃烧式检测元件第二种型式是涂有催化剂的热线型载体催化元件，其工作原理是利用可燃性气体在催化元件上进行氧化反应产生无焰燃烧，并释放出燃烧热，使铂丝阻值升高而产生电信号。由于涂上催化剂，铂丝本身的加热温度可降低至400℃左右，检测灵敏度亦大为提高。元件的具体结构是用直径0.05mm
纯铂丝绕成体积很小的螺旋状线圈，上面涂以氧化铝等糊状混合物，通电加热焙烧成多孔质陶瓷载体，然后浸喷钯剂，并经一系列老化处理后制成。典型的元件其直径为1mm、呈球体形。测量元件和补偿元件的结构相同，差别仅是补偿元件的载体上不涂渍催化剂，并密封在仪器内不与外界气体接触，以补偿温度和电源波动的影响。但有的制造厂为了制造方便亦有将两者都涂渍催化剂，然后配对使用。
    在各种可燃性气体的爆炸下限范围内，接触燃烧式检测电路的输出信号与可燃性气体浓度成线性关系，且工作稳定、维修方便，所以得到普遍应用，目前国产防爆型固定安装式报警器都属于此类型。不足之处是钯催化元件遇到硫化物（≥100PPM）会中毒导致灵敏度降低；仪器中进入浓度较高的可燃性气体时（≥100%LEL）,由于燃烧过度会使钯剂失效。一般正常的工作寿命约一年左右。
上述涂喷钯剂的元件，以上文所说用铂丝本身催化作用所制成的元件，这二种接触燃烧式检测元件都属于催化型元件，都是依靠氧化反应进行工作的，因此导入仪器的被测气体不应存在缺氧状态，不能用氮气作为背景气配制标准气，否则将造成极大的测量误差。此外，亦不能导入浓度过高的可燃性气体，这样亦会使检测室内缺氧而导致燃烧不完全，仪器指示值反而很低并造成错觉，这些都是必需注意的。

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可燃性气体检测与报警杂谈（连载三）

                                       气敏半导体检测器

                                            蒋文振
    早在四十年代人们已发现了某些金属氧化物具有气敏特征，直至六十年代初才被应用于检测领域。具有气敏作用的金属氧化物较多，例如氧化锌（ZnO）、氧化铜(CuO) 、氧化铁  (Fe2O3)、 氧化锡(SnO2)等，材质亦有P型和N型之别，其中应用最广泛的是具有N型半导体特征的氧化锡气敏元件。

   气敏元件的检测机理是基于金属氧化物对气体的吸附效应，元件是一个多孔质烧结体，其电阻是由大量局部电阻组成，在纯净的氧、空气或是惰性气体中，其电阻值很大，当吸附可燃性气体或某些有毒、有害气体后，根据被测气体的浓度，其电阻值可从数百千欧姆下降到数千欧姆，并由检测电路的电流计表示出相应被测气体浓度。工作时气敏元件被加热到200℃~300℃左右，以加速气敏元件的吸附、脱附过程，并藉此造成检测室内部的热对流，使被测气体不断流进检测器。

   气敏检测器按材质和制造工艺亦分为多种类型，其共同的优点是灵敏度高，最低检测量可达PPM级，又因为它不依靠燃烧方式工作，即使输入高浓度的样气亦无烧毁之虞，工作寿命在3年以上。工作时不需借助于氧气，因此亦可检测惰性气体中的样气。亦可检测某些硫化氢、一氧化碳等有毒有害气体。此外，某些气敏元件在特定加热温度下，对特定被测气体具有最高的检测灵敏度，因此这类元件具有一定的检测选择性，选购时应根据安装现场情况考虑这一因素。

气敏元件另一特点是由于元件的吸附饱和效应使检测器输出刻度值与被测气体浓度呈对数关系，低浓度端刻度宽而稀，高浓度端狭而密，若不注意易造成读数错误。

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可燃性气体检测与报警杂谈（连载四）

                                 
什么是xx%LEL  
                                                                   蒋文振

        
在可燃性气体报警器面板上有一只指针式电流表，其刻度值是0~100%LEL。部分人员对此值究竟是代表什么有疑问，有时还误解成可燃气体的实际浓度，现试对此问题加以讨论。LEL是英文LowerExplosion Limit的缩写，简称爆炸下限。以下进一步用图表形式来说明爆炸下限和LEL的意义。
2007-7-28 21:46:35 上传
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混合气体的发热速度与散热速度的关系
   一、G2点：可燃性气体浓度为零；空气浓度为100%。
二、G1点：可燃性气体浓度为100%；空气浓度为零。
   三、可燃气浓度由G2向C1点逐渐增加，在此过程中只要具备燃烧条件，爆炸性混合物便进行燃烧,但尚未达到爆炸程度。其后，发热速度随着可燃气浓度的增长而接近K1点，如可燃气浓度继续增长且超过C1点，这时发热速度超过散热速度，爆炸性混合物迅速剧烈反应而产生爆炸。C1点浓度即称为可燃性气体的爆炸下限。可燃气报警器用0—100%LEL来表示G2 —G1点的浓度范围。例如乙烯的爆炸下限是2.7%，校准时如果注入乙烯浓度为2.7%的混合空气，应将报警器的指示值调整在恰好是100%LEL的刻度上。在实地应用时，如果可燃气报警器的指示是10%LEL，则乙烯的浓度实际上是.0.27%而不是10%使用时对此两种数值应避免混淆。由此可知：xx%LEL就是可燃性气体爆炸下限的百分浓度值。相反在C2 — G1 点之间,可燃气浓度高而空气浓度低,在具备燃烧条件之下,亦同样地仅能维持燃烧而不会产生爆炸,只有超过K2点时才会产生爆炸。C2点称为可燃性气体的爆炸上限(Higher Explosion Limit ),缩写成HEL。图中可燃气体浓度C1 —C2区域间，发热速度均大于散热速度，是该可燃气体的爆炸范围。

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可燃性气体检测与报警杂谈（连载五）

                           蒋文振
          二种不同类型检测器的比较

    目前固定安装式防爆型可燃性气体报警器有二种不同类型的检测器：接触燃烧式检测器和半导体检测器。根据数年来使用体会，现将这两种检测器的特性比较如下：
      接触燃烧式                                半导体式        
                                                
1、输出刻度成线性、读数精度高；     输出刻度不成线性。
2、稳定性好、环境温湿度影响小；            尚佳。（视电路补偿性能而定）
3、检测范围0~100%LEL；                   检测0~100%LEL  范围0~100%ppm
4、进入高浓度可燃气易烧坏；               进入高浓度可燃气不会烧坏。
5、遇到硫化物易中毒失效；             不会中毒失效。
6、必须有足够的氧气才能工作；                可在惰性气体或缺氧状态下工作。
7、寿命一年左右；                          寿命三年以上。
8、工作温度高，防爆结构复杂；       工作温度低防爆结构简单。
总的看来，接触燃烧式检测器在精度和稳定性方面特性较好，半导体检测器在寿命和灵敏度方面特性较好，目前在国外，半导体检测器已有日趋增多之势。此外，各种碳氢化合物的爆炸下限虽不同，但在爆炸下限浓度燃烧时所产生的热量却是基本相等，因此对接触燃烧式检测器而言，用一种标准样气校准后同样亦可测量其他碳氢化合物。但某些半导体检测器具有很高的选择性，在特定的加热电压下对某种气体具有最大的检测灵敏度。以上因素，应根据现场气体的组成情况，在选型时加以考虑。

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可燃性气体检测与报警杂谈（连载六）
                                                                          蒋文振
                           检测器设置点的讨论（一）
   
由于可燃性气体泄漏后在一定范围内成为空间浓度分布状态，而可燃气报警器仅能对空间某一点进行检测，因此必须通过较多的检测器组成监测网络，对空间可燃气的扩散状态和浓度分布情况进行综合监测，以便及早准确发现泄漏点。在哪些部位应设置检测器，某些国家有明文条令规定，其总的考虑依据有以下方面：
一、危险度评价：
包括：
1、物料性质——爆炸危险度、毒性、比重、着火温度、闪点、爆炸极限等；
2、物料量——生产处理量、贮槽容量；
3、工艺过程的危险性——温度、压力反应性质和速度等。
二、易泄漏部位的预测：
包括：
1、各种密封接口的结构和性质——例如阀门、压缩机、或其他有转动、联动和可动部件的设备；
2、由于材料的疲劳、腐蚀而容易导致损坏的部件——有金属或树脂材料、设备内部应力大小和耐用年数等因素；
3、机械性故障频度。
三、可燃气滞留地点的预测：
包括：
1、建筑物内——通风情况、槽、沟、凹陷处等；
2、室外——坑洼、排水沟、壁面障碍物等；
3、根据其它事故推测。
四、着火源的有无：
1、热源附近——锅炉、加热炉等；
2、施工现场、仪表操作室；
3、民宅、公路、工厂境界线附近；
4、静电发生处。综上所述，如果危险度高、易泄漏、易滞留、易引起事 故的着火源附近，都应考虑安装检测器。
回顾国内以往重大爆炸事故实例，在考虑、设计可燃气报警器设置点时，以上所提四个方面论点是值得借鉴的。
检测器设置点的讨论（二）
设置部位确定后，接着应考虑检测器的设置数量。设置数量与可燃气的扩散特性、比重及气象条件如风向、温度等有关，此外还与检测器的结构、取样方式及灵敏度有关。国外有专门论著，对来自石油化学装置所泄漏可燃气的流动扩散状态、浓度与检测距离之间的相互关系，给出了大量实地测试数据，为设计检测器设置数
量及安装位置提供了依据。认为：
一、从泄漏源流出的各种可染气，由于质量的差别而显示出各自特有的流动扩散状态：比重大于空气的向下侧流动，比重小于空气的则上升并逐渐稀释，以椭圆状体积向下风侧扩展流动。
二、检测器的安装高度以离地面或设备泄漏点0.2M~1M为最佳灵敏区，如果高于1.8M则有可能测不到泄漏气体。（实验条件：可燃气泄漏量5L/min~50L/min,泄放五分钟）检测器与泄漏点的最灵敏区是10M以内。有效检测距离是20M，大于20M则有可能测不到泄漏气体。（实验条件同上）通常是按室外装置区、储槽区每隔20M，室内设备群周围每隔10M设置一个检测器，计算检测器的设置数量。检测器的安装高度可选择离地面或设备泄漏点0.2~1.5M，其具体高度应视可燃气的比重、周围情况及设备泄漏点高度而定。如果能够事先进行实地测试以决定检测器安装距离和数量，则可燃气报警系统可以收到最佳效果。

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可燃性气体检测与报警杂谈（连载七）
                                         蒋文振
                                     现状与展望
在各级主管部门的重视与支持下，同时亦吸取以往重大事故的教训，可燃气检测与报警工作正在我国有关领域逐渐展开，其应用范围目前以石油化工行业为主，并扩展到涉及可燃气的其他行业直至生活领域。
在应用方面，新装置必须按装可燃气报警器；老装置亦必须选择重点逐步补充按装报警器，因之近年来在数量上增加较快。目前部分工厂的管理和应用效果较好，能根据报警器及早发现可燃气泄漏而避免了事故发生。但总的来看，各项管理工作尚待完善和加强：例如制定具有权威性、法定性的规定和技术细则；实行主管部门对下属工厂进行有效的具体指导和严格检查等。在应用上亦应从单点检测向系统检测、控制发展。
国外几个石化工业发达国家，也是通过多次重大爆炸事故教训才逐步重视和建立可燃气检测与报警工作的，在六十年代便已趋向完善，目前在此领域中的科研、制造和应用等方面仍在不断发展，法定的规章制度、技术细则亦不时有所修订补充。
在应用方面：由局部检测向整个装置、企业甚至更大范围内实行检测，组 成集中监视控制系统。此外，由于现代化城市住宅的增加；地下商市、旅馆及大厦不断兴起，为了减少火灾事故，可燃气报警器亦大量被用。广大用户对报警器提出了新的要求：例如仪器的小型化、提高可靠性、减少维护量、提高灵敏度、改进信号传递方式以降低电缆工程费用、防灾系统化的应用等。
在制造业方面：为了适应新的要求，不断研制了许多新型的报警器和报警系统：
1、检测元件仍以催化型元件和半导体气敏元件为主。此外，红外线检测器以其精度高、选择性好及测量范围宽的特点，亦已步入应用的行列，用它制成的可燃气报警器已由单点取样发展到多点取样，目前一台仪器用一个检测器、10点取样的防爆型红外线商品仪器已有问世。
2、 近年来出现了用微机控制的多点式控制器，最多可控制、显示和记录511个检测器的信号。有的商品采用微机控制、彩色显像管显示、以棒图显示各检测器的信号，超过报警浓度部分便显示红色棒图，由于取消大量二次仪表，故障率大为降低。这种系统不仅提供各检测点的可燃气泄漏信号，还同时对温度风向及风速等参数进行测量而组成综合防灾系统。
3、 不断研究和采用新技术：例如正在研究采用激光及其他新材料制成的检测器；为了降低信号传递的工程费用，正在研究利用载波技术，使一根信号母线能传递40个检测器的信号。