可燃气体报警器的故障分析

可燃气体报警器的故障分析

丁伟勇

南京高科消防机电工程有限公司电子系统分公司江苏南京210000

摘要：可燃性气体检测报警器对于确保广大居民的生命财产安全，避免各类诸如爆炸、煤炭中毒、火灾等人为可预防事故灾难的出现，有着极为重要的意义，是生产生活中所不可或缺的安全防护设备。本文催化燃烧式报警器的传感器为研究对象，详细分析了其故障原因以及预防措施。

关键词：可燃气；报警器；故障

一、使用可燃气体报警器的必要性

所谓的可燃气体监测预警装置是指可对周边环境中的可燃气浓度进行检测，并在其超过安全界线时及时发出预警的设备。其一直以来都是我国石化行业、有可燃气体生产厂和预防家庭火灾和爆炸必要的设备之一。在我国于2006年颁布实施的《建筑防火规范》中曾指出：“可燃气监测预警装置是各类可能产生可燃、易燃气体的生产场所必备的预警设备之一。”

家庭等用气环境的安全防护中，对于以甲烷为主要构成组分的气体危害性监测一直是其中极为关键的核心要点之一。其目的在于对生产、生活中的用气环境状况实现有效的实时监控，确保及时发现异常状况，并迅速实施具有针对性的防治手段，从而确保各项社会活动的有效进行。多年来，与这一问题相关的研究工作备受人们的关注，各项研究成果已在企业生产、家庭用气、环保监测等诸多方面得到了推广与普及。其中尤以便携式气体监测器最为典型，其因自身体积小、操作简便、安装工艺简单、可有效实现对周边环境的实时检测等优点，而在家庭用气的检测中得到了广泛的运用。

二、可燃气体报警器的传感器分类

传感器的功能可以检测空气中的可燃性气体的浓度，可燃气体浓度的变化引起的传感器电阻转换发生变化。因而报警传感器的原理即是通过探测空气中可燃气体浓度的变化，以实现检测和报警功能。依据传感器各异的工作原理，其可划分为化学检测与物理检测两种类别。其中前者指借由传感器内部发生的化学反应，对周边环境实现监控。划分为固体电解质型、聚合物型、接触燃烧型、半导体型、电化学型等多种类别。此外依据原理的不同亦可进一步分为三类：使用气体传感器的物理化学性质，半导体控制类型，催化燃烧，固体热导率等；可以使用气体传感器的物理特性：如热传导，光干涉式，红外吸收等；使用电化学气体传感器的属性：例如恒定电位电解，迎伐尼电池，膜离子电极，固定电解质类型等，具体分类详见图1

图1气体传感器分类

三、催化燃烧式气体传感器的工作原理

催化接触燃烧式气体传感器一般是在铂线圈上通过涂抹催化剂来实现对气体的检测，催化剂中的气体敏感组分多为铂或钯等贵重金属，整个敏感元件与不具备活性的基准部件相互组合后焊接到基座，从而组成接触燃烧式的传感器。当具有可燃性的气体同传感器发生接触时，具有气敏特性的材料就会发生氧化燃烧现象，使得传感器内部温度上升的同时致使其电阻性获得强化，而传感器正是利用这一特性对空气中可燃气体的含量进行甄别的。这种类型的传感器多用于探测可燃气体，同时其抗干扰能力较强，所以它被安置到大量的可燃气体的矿井隧道、石化、厨房、卫生间等经常接触可燃气体的场所。

催化燃烧式气体传感器的发展历史很长。早在1923年美国首次制作了裸铂金圈接触燃烧式气体传感器用于监测煤气含量检测，它便展示出了非常良好的发展前景。

1957年英国人发明的暴露表面线圈时已经有了新的进步，其注意到了催化剂载体材料的选择应用。由于这一设计不仅极大的提升了传感器的灵敏度更促使其感应的精准性更加稳定，至此世界各国纷纷效仿，开展类似的探究活动，但在研究中并未对其原理与结构进行彻底的颠覆。在我国相关的探究活动起始于上世纪50年代，在1958年，我国正式研发出以金属铂为核心成分的接触式传感器。催化燃烧式传感器的相对性能比较稳定，对环境温度和湿度要求不高，在保障安全、防止燃气引发的意外事故中起着至关重要的作用。所以将催化燃烧式传感器列为本文中主要研究对象，对催化燃烧式传感器在日常使用中发生故障导致中毒的原因进行分析、验证，并寻求预防措施，从而有效地防止传感器发生故障。

四、催化燃烧式气体传感器的故障原因

催化燃烧式传感器的元件由两根阻值相同的超微铂丝构成，被固定在两个小型不锈钢圆柱筒，两条电线一端接触，并在电路板形成电阻桥。利用超细铂丝上方的单体稳定剂和成孔剂来制备催化传感器元件，并具有高稳定性。当可燃气体通过隔爆片进入校样燃烧室，可燃气体利用催化剂在导线无焰燃烧，以产生热量，从而使电线电阻变大。由于吸人空气量差异，燃烧情况不同，产生的热量也不同，从而导致两条导线的不同电阻变化，促使原桥平衡电阻发生变化和电压差，与可燃气体成正比。探头电路将信号放大，敏感元件上可燃气体将产生无焰燃烧现象。在理论上，催化剂是通过降低活化能改变反应路径来实现对整个反应效率的显著提升。同时在整个反应过程中，催化剂是不会发生损耗的，这是因为其并未对原有的化学反应平衡造成破坏，未参与到反应中，其自身的属性未发生任何转变。但通过实际观测，发现在不间断的反应过程中催化剂的活性却出现了降低，这种情况称之为催化剂的失活，其缘由涉及到化学与物理反应过程，目前可以总结催化剂的失活诱因，主要有三种：烧结、焦化和中毒。

(一)烧结引起的催化剂失效。作为燃气中主要构成成分，甲烷在空气中一定温度条件下是属于惰性气体，但在与铂催化剂接触，通过活化能峰的快速反应产生二氧化碳和水。烧结老化形成原因是敏感元件由于长期暴露在高温下引起的活性面积降低，从而导致催化能力下降。

降低的活性部位，转成高温还原催化能力烧结该晶体，大大减少了比表面积，从而使载体变窄或堵塞细孔。与此同时，这种情况还会致使催化剂中烧结现象发生时，催化剂分子的分散活动降低。高温环境下也可导致催化剂出现升华现象，引发催化剂的烧结失活。

(二)焦化引起的催化剂失效。焦化造成的催化剂的失效：含有甲烷等有机烃结构的可燃化合物中，发生反应时其烃键部分会因燃烧而产生具有吸附性的焦炭，这些焦炭附着在催化剂的表层从而导致了催化剂表层同外部空气隔离，进而导致催化剂失活。催化剂积碳反应是催化剂失活的主要因素，碳沉积覆盖在催化剂的表面上，堵塞通道导致催化剂失活。

(三)中毒引发的催化失效。一旦有毒成分在催化剂表层发生无法逆转的吸附，则其会造成催化剂活性数值的永久性降低，进而引发失活现象。常见的可威胁催化剂活性的有毒成分多为SO：、CO以及反应后产物，都可以促成贵金属催化剂中毒，导致整体催化剂中毒。

五、保证催化燃烧式传感器正常使用的措施

（一）传感器同有机硅蒸汽发生接触，则会致使其彻底损坏，因此不可将传感器放置于富含有机硅的环境中。

（二）避免强腐蚀环境。强烈的腐蚀性气体不仅会对传感器的内部结构造成不可逆的损毁，更会致使其灵敏性的飞速下降。

（三）避免与碱性物质接触。各类含碱物质极易对传感器造成污染，从而使得其性能的降低。

（四）避免在各类高浓度气体中存放或使用。对传感器而言，其长期处于较高浓度的某气体环境，无论其使用与否都会造成性能的降低。因此传感器的存储应采用不含有机硅成分的密封袋进行。

（五）避免长期处于各种恶劣环境。传感器若一直处于高温、高湿度等恶劣环境，则其性能将受到不可逆转的削弱。

（六）避免高压。对于传感器的使用电压而言，必须确保其不超过标准工作电压±0．1V，此外所施加的工作电压切不可全部加载于加测元件上，从以免导致加热器的超载损坏。

结语：本文以可燃气体报警器传感器为研究对象，针对传感器故障问题，找出原因，提出了预防措施。为保证报警器在使用过程中的准确可靠性，对可燃气体报警器的传感器故障原因研究具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]陈玫玫．可燃性气体检测报警器的研制[D]．长春：吉林大学，2007.