可燃气体传感器如何选型？

iotsensor · 发表于 2020-9-3 14:31:04

可燃气体作为清洁能源在工业和居民生活中有了广泛的应用，可燃气体一旦发生泄露，可能发生中毒、爆炸等严重后果。近年来连续发生的多起燃气爆炸安全事故再一次给我们身边的燃气安全问题敲响了警钟。一次次惨痛的燃气安全事故告诉我们，采取有效的手段，提高燃气安全隐患的防范能力，加强对燃气泄漏以及燃烧产物的监控非常重要。
什么是可燃气体？

图源百科
可燃气体是指能够引燃且在常温常压下呈气体状态的物质，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。
可燃气体种类有很多，如甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）、氢气（H2）、一氧化碳（CO）、天然气、液化石油气、城市煤气、高炉煤气等。
可燃气体一旦泄漏，该如何发现它，避免事故发生呢？

图/各类气体爆炸极限
可燃气体传感器的种类？
燃气报警器，是一种燃气安全防范产品，当燃气在空气中的浓度超过设定值，可燃气体传感器便会被触发产生报警。可燃气体传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、电化学式型以及红外型。
一、 氧化物半导体型可燃气体传感器
金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动（见图1）。

半导体可燃气体传感器原理
在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低(见图2），导致传感器的阻值减小。

图/半导体可燃气体传感器
二、 催化燃烧型可燃气体传感器
催化燃烧式气体传感器由对可燃气体进行反应的检测元件（D）和不与可燃气体进行反应的补偿元件（C）2个部分构成。如果存在可燃气体的话，只有检测元件表面可以燃烧，因此检测元件温度上升使检测元件的电阻增加。
相反，因为补偿元件不燃烧，其电阻不发生变化。这些元件组成惠斯通电桥回路，不存在可燃气体的氛围中，可以调整可变电阻（VR）让电桥回路处于平衡状态。然后，当气体传感器暴露于可燃气体中时，只有检测元件的电阻上升，因此电桥回路的平衡被打破，这个变化表现为不均衡电压（Vout）而可以被检测出来。

图/催化燃烧型可燃气体传感器
三、电化学型一氧化碳传感器
传感器由贵金属催化剂的检测极、对极与离子传导体构成。当CO等可燃检测对象气体存在时，在检测极催化剂上与空气中的水蒸气发生式所示的反应。
CO + H2O CO2＋ 2H+ + 2e- …
检测极与对极接通电流（短路）后，检测极产生的质子(H+)与同时产生的电子（e-）分别通过离子传导体与外部电线（引线）各自到达对极，在对极上与空气中的氧之间发生式所示的反应。
（1/2）O2 + 2H+ + 2e- H2O …
也就是说此传感器构成了由、反应式形成的反应式的全电池反应，可以认为是将气体作为活性物质的电池。
CO + （1/2）O2 CO2 …
当做气体传感器使用时，接通检测极与对极的电流，来测定其短路电流。

图 / 电化学型一氧化碳传感器
四、 红外型可燃气体传感器
红外型可燃气体传感器，运用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的碳氢类可燃气体进行检测。
NDIR(non-dispersive infrared)式气体传感器是通过由入射红外线引发对象气体的分子振动，利用其可吸收特定波长红外线的现象来进行气体检测的。红外线的透射率（透射光强度与源自辐射源的放射光强度之比）取决于对象气体的浓度。用中波段红外线照射气体后，由于气体分子的振动数与红外线的能级处于同一个光谱范畴，红外线与分子的固有振动数发生共振后，在分子振动时被气体分子所吸收，气体浓度与红外线透射率的关系符合朗伯-比尔定律。

图/ 红外甲烷传感器IRM-AT
可燃气体传感器如何选型？
1.对可燃气体泄漏检测，特别是针对家用场所，在可燃气体较低的泄漏浓度时要求能快速的检测出来，能实现单点报警即可。另外，燃气报警器工作于一般的家庭，必须能满足长期免维护的要求，半导体传感器检测过程仅存在气体的吸附和脱附过程，厨房内严重的油烟极少存留于敏感材料表面，不会影响其实际使用寿命，因此，检测下限较低、使用寿命较长半导体气体传感器是家用报警器的最佳选择。
半导体气体传感器选型推荐

可燃气体传感器/天然气传感器TGS2611特点：
* 低功耗
* 对甲烷气体灵敏度高
* 使用寿命长、成本低
* 应用电路简单
可燃气体传感器/天然气传感器TGS2611配套模块：

甲烷气体预校准模块 - FSM-T-01 FSM-T-01是甲烷气体报警器的预校准模块。此模块采用TGS2611传感器配合优化的经典电路测量甲烷气体浓度，经过费加罗高精度的标定设备进行预校准，并以成熟的老化工艺生产。本模块设计旨在很大限度地为用户节省开发及生产成本，让用户可以更容易，更简单地制造出民用天燃气气体报警器。

可燃气体传感器/液化石油气传感器TGS2610特点：
* 低功耗
* 对LP、含LP成分的气体（丙烷、丁烷）灵敏度高
* 使用寿命长、成本低
* 应用电路简单
可燃气体传感器/液化石油气传感器TGS2610配套模块：

日本FIGARO 可燃气体预校准模块 - FSM-10H-01可燃气体传感器预校准模块 FSM-10H-01是一种搭载了费加罗半导体式传感器TGS2610-D00的模块，具有耐久性好、稳定性高的特点。此模块可提供与被检测浓度成比例的PWM输出（模块中带有一存储器，出厂前预标定数据存储其中），同时，模块还能够检测到传感器断线及短路故障。模块操作温度范围广。
2.催化燃烧气体传感器的精度较高，适合煤矿、石油、化工、燃气等领域的定量检测。但其工作温度高，催化剂易失活，同时周围环境内存在的胶黏剂、橡胶制品释放出的有机硅、硫化物极易让催化剂中毒，导致传感器完全失效。在工业场所，一般通过标准气体定期校检报警器，调整放大倍数，防止催化传感器灵敏度衰减导致精度大幅度变差。

催化燃烧式可燃气体传感器TGS6812特点：
* 线性输出
* 使用寿命长
* 对酒精灵敏度低
* 对氢气、甲烷与LP等物质有较高灵敏度
3.针对人工煤气和不完全燃烧过程中低浓度一氧化碳的检测，因一氧化碳的高毒性，报警点一般不超过200ppm，为了防止误报或漏报警，最好选用灵敏度和精度均较高的电化学一氧化碳传感器。

电化学一氧化碳传感器(CO传感器)TGS5042特点：
* 可电池驱动
* 对一氧化碳选择性/重复性高
* 对一氧化碳具有很高的线性输出特性
* 校准简便易行
* 使用寿命长
* 取得UL认证
* 满足UL2034，EN50291与RoHS的要求
4.NDIR传感器近几十年来在作业环境安全和气体检测方面发挥了重要作用。当催化燃烧式传感器不适合使用时，NDIR传感器则是另一项可靠的选择。与催化燃烧式传感器不同，NDIR传感器不需要频繁的重新校准，而且它们不易中毒。

红外甲烷传感器IRM-AT关键规格参数
温度信号             热敏电阻(NTC, R25 = 100kΩ, β= 3940 K)
工作温度范围       -20°C ~ +50°C (0~40°C线性补偿)
存储温度范围       -40°C ~ +75°C
湿度范围             0 ~ 95% rh 非凝结

图/可燃气体传感器选型导图