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催化燃烧与红外吸收原理可燃气体探测器探讨陆国平（巴斯夫中国有限公司，上海 200233）摘 要 工业生产中得到广泛应用的可燃气体探测器主要有两种不同检测原理，即低温催化无焰燃烧和非色散红外吸收原理。文章分析了催化燃烧原理适应性、温度补偿的实现、线性输出的机理以及它依赖氧气、某些气体使其丧 失催化性能等应用局限性；同时，分析红外吸收原理中红外波长的选择，光路、光源和吸收器等对探测器性能的 影响；并指出两种原理各有特点和优点，针对不同场合正确选型，使可燃气体探测器可靠运行，保障环境安全。 关键词 可燃气体；可燃气体探测器；催化燃烧；非色散红外吸收中图分类号：TP 732.2文献标识码：A文章编号：2095-817X（2014）03-0061-004的 [2]。图 2 为检测元件（灯丝）的结构图解。随着国家在健康、安全、环保（HSE）方面法律法规的健全，以及人们安全意识的加强，可燃气体探 测器的用量大幅提升。工业生产中为保障人身和设备 安全，对生产装置可能存在可燃气体泄露以及工厂可 能集聚可燃气体的地方，设置可燃气体探测器，对环 境中出现的易燃易爆气体浓度进行监测和报警，使工 作 人 员 可 以 迅 速 采 取 相 应 措 施， 防 止 恶 性 事 故 发生。 它作为火灾和气体报警系统（FGS) 中获取基础数据的 现场变送器，其选型的正确性和运行的可靠性至关重 要 [1]。当前，在炼油、石化、化工和医药等工业领域中， 可燃气体探测器常用的主要类型为低温催化燃烧型和 非色散红外吸收型两种。以下是笔者针对这两种主流 可燃气体探测器从原理出发分析其技术特点，以期给 选用者提供正确选型的参考。R1INOUTR1=R2 精密电阻（变送器侧）；R 检测 =R 补偿 =R（传感器侧，无 可燃气体时）；IN：输入 ΔV 入；OUT：输出 ΔV 出图 1 催化燃烧检测原理图1低温催化燃烧型1.1低温催化燃烧原理催化燃烧检测原理图参见图 1。低温催化燃烧（以 下简称，催化燃烧）检测原理是利用可燃气体在具有 催化性能的灯丝原件 - 检测元件（由约 0.03 mm 的 pt 铂金丝绕制、在烧结氧化铝载体外涂 Pd- 钯 - 催化剂的 小珠）上产生低温无焰燃烧，燃烧的热量导致元件的 温度升高，从而使元件的阻值增大，通过惠斯顿电桥 检测其阻值的变化（ΔR)，以达到检测气体浓度的目氧化铝小球图 2 检测元件（灯丝）在桥路中，R1 = R2 R，当可燃气体在检测元件 上产生低温无焰燃烧时，导致元件温度升高，电阻增大， 阻值变化（ΔR)。收稿日期 ：2014-05-05作者简介 ：陆国平（1961—），男，工程师，主要从事工程管理等 方面的工作。检测元件催化剂铂金丝R2补偿检测 Chemical and Pharmaceutical Engineering 2014，35(3)输出端的 ΔV 出 ≈ （ΔR / 4R）×Δ V 入。良好的线性是催化燃烧原理探头的一个显著特点。1.2环境条件补偿 应该看到，可燃气体在检测元件上燃烧导致元件升高的温度，这个温度是检测元件与周围环境的热平 衡温度，即当检测元件从燃烧中“获得”的热量与其 因温度升高散发给周围的热量相等时的温度；为了补 偿 环 境 温 度 和 湿 度 等 的 变 化 对 测 量 带 来 偏 差， 因此， 在桥路的相邻一臂，配有一个与检测元件静态（指桥 路 通 电， 而 无 可 燃 气 体 存 在 的 状 态 ） 性 能 相 适 配的、 无催化性能的灯丝原件 - 补偿元件（同样由 pt 铂金丝 绕制、但在烧结氧化铝载体外涂 Au 金 - 钝化剂 - 的小 珠）；它与检测元件处于相同的环境，它不与被测可燃 气体反应，而是同步补偿环境条件变化对检测元件的 影响。1.3被测气体的“广谱性” 从检测原理上看，检测元件阻值变化的源头是燃烧的热量，因此，原则上讲，只要被测气体能在催化 小珠上（小珠“静态”时的温度约 450℃）被燃烧而释 放出热量，那它就能被检测，这就是所谓的“广谱性”。 当然，在有多种可燃气体存在的情况下，探测器无法 区分被测气体的种类和各自的浓度，它体现出的是综 合的效应。1.4浓度单位 LEL与我们常用体积浓度、摩尔浓度等气体浓度单位 不同，可燃气体探测器采用“最低爆炸极限”LEL (Lower Explosive Limit) 作 为 气 体 浓 度 单 位。 上 述 已 经 说 明， 催化燃烧原理探测器，检测元件灵敏度取决于被测气 体燃烧的热量。表 1 列出了一些碳氢化合物的极限燃烧值 [3]。观察表 1 中所列数据，虽然它们的摩尔燃烧值差 异 很 大（ 见 表 中 第 4 列 ）； 但“ 极 限 燃 烧 值 ” 相 当 接 近（见表中第 5 列）；意味着，相同 100% LEL