摘 要：對可燃氣體探測器中傳感器的檢測原理、經(jīng)濟性、布線型式及探測器的輔助功能等進行分析，提出大型燃氣用戶建設可燃氣體探測系統(tǒng)時探測器的選型建議。
關鍵詞：大型燃氣用戶 可燃氣體探測器 傳感器 選型分析
Analysis on Type Selection of Combustible Gas Detectors for Large Gas Consumers
Abstract：The inspection principle and econo my of sensor in combustible gas detector，the wiring type and auxiliary functions of the detector are analyzed．The suggestions on type selection of the detectors during construction of combustible gas detection systems for large gas consumers are made．
Key words：large gas consumer；combustible gas detector；sensor；type selection analysis
1、概述
應用于大型燃氣用戶的可燃氣體探測系統(tǒng)通常探測器數(shù)量眾多、監(jiān)控范圍較大、空間結構復雜、一次性投入高、后期運營維護任務繁重。同時，目前市場上的可燃氣體探測相關產(chǎn)品品種繁多，性能參差不齊，價格跨度較大，用戶在選擇時非常困惑。筆者曾參與了首都機場能源系統(tǒng)、中關村地下能源管廊等幾個大型用戶的可燃氣體探測系統(tǒng)建設工作，這些用戶的探測器數(shù)量均在300個以上，針對其項目特點，著重對可燃氣體探測器進行分析，有針對性地提出選型、配置、安裝布置方案，既有效地發(fā)揮其監(jiān)測功能，又減少了用戶的經(jīng)濟投入，在一定程度上保證運營維護的方便。這幾個項目的探測系統(tǒng)幾年來運營良好，后期維護便利，切實解決了用戶的后顧之憂，得到用戶的高度認可。
2、可燃氣體探測器選型是系統(tǒng)選型的核心
2.1 可燃氣體探測系統(tǒng)
可燃氣體探測系統(tǒng)由4個承擔不同功能的器件組成：①探測器，是氣體濃度的監(jiān)測端，是整個系統(tǒng)的輸入端；②控制器，是探測器信號的接收端，并將接收的信號按照內(nèi)置程序進行計算比對，對不同的識別信號按照預設的邏輯編程進行輸出，是整個系統(tǒng)的中央處理單元；③控制模塊，通過接收控制器給出的信號啟動相應的聯(lián)動操作，達到聯(lián)動目的，是整個系統(tǒng)的執(zhí)行端；④傳輸線路，是將所有設備聯(lián)系起來的通道。
2.2 探測器在系統(tǒng)選型中的重要性
目前，控制器、控制模塊各類產(chǎn)品基本功能較為相似，只要采用相對較好的元器件，在使用性能及壽命上均能有較好保證；傳輸線路只要嚴格按照設計及施工規(guī)范的要求進行，注意質(zhì)量及布置合理，在運營中一般不會出現(xiàn)問題。對于上述設備，不同工藝及特點的產(chǎn)品價格較接近，對整個系統(tǒng)的造價不產(chǎn)生較大影響。
可燃氣體探測器作為整個系統(tǒng)的輸入端，是整個系統(tǒng)能否有效發(fā)揮監(jiān)控作用的關鍵因素；同時，探測器單價不低，數(shù)量眾多，且不同種類的產(chǎn)品價格跨度大，是整個系統(tǒng)造價的決定因素?？傊?，可燃氣體探測器是整個系統(tǒng)的核心設備，其選型是整個系統(tǒng)建設方案選擇的核心。下面著重從可燃氣體探測器的種類、布線型式及輔助功能等方面進行選型分析。
3、可燃氣體探測器選型分析
3.1 傳感器種類的選擇
可燃氣體探測器作為氣體濃度的監(jiān)測端，通過其內(nèi)部的氣體傳感器對現(xiàn)場環(huán)境氣體進行不間斷地取樣分析，當發(fā)現(xiàn)環(huán)境中存在被監(jiān)控氣體時，將濃度信號上傳至控制器。氣體傳感器充當“鼻子”的功能，感知工作環(huán)境中的被監(jiān)控氣體，因此，氣體傳感器的好壞是可燃氣體探測器能否有效監(jiān)控氣體泄漏的前提。
3.1.1 傳感器檢測原理及性能比較
常用的氣體傳感器按照檢測原理主要分為4類：紅外吸收型氣體傳感器、電化學型氣體傳感器、催化燃燒型氣體傳感器和半導體型氣體傳感器[1-2]。
紅外吸收型氣體傳感器是基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關系(朗伯—比爾定律)鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。通常采用一束紅外光線同時分別穿過比較室(內(nèi)裝特定氣體)與測量室(內(nèi)部流過待測氣體)，由于穿過測量室特定波長的光波被吸收，使兩束紅外光線的光強度產(chǎn)生差異，最后把光強度差異轉(zhuǎn)換成電信號輸出，檢測出氣體濃度。
電化學型氣體傳感器基于檢測氣體與電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化還原反應，導致電極電位發(fā)生變化，而該變化值與氣體濃度成正比，從而間接得出氣體的濃度值。電化學型氣體傳感器主要有原電池型氣體傳感器和恒電位電解型氣體傳感器兩大類。
催化燃燒型氣體傳感器是利用催化燃燒的熱效應原理，由檢測元件和補償元件配對構成測量電橋，在一定溫度條件下，可燃氣體在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，載體溫度升高，通過它內(nèi)部的鉑絲電阻也相應升高，從而使平衡電橋失去平衡，輸出一個與可燃氣體濃度成正比的電信號。通過測量鉑絲電阻的變化，可以知道可燃氣體的濃度。
半導體型氣體傳感器以金屬氧化物半導體型為主，其利用被測氣體的吸附作用，改變半導體的電導率，通過電流變化的比較得出氣體的濃度。由于半導體型氣體傳感器的檢測范圍窄(一般能檢測的體積分數(shù)為0～0.012)，且濃度變化與電阻變化的線性關系差，從而導致寬量程的測量不準確。因此其基本用于民用市場。
4種傳感器的性能比較見表l [1]。
3.1.2 傳感器選型技術分析
從表l可知，對于大型燃氣用戶報警器的傳感器選型，在技術方面，紅外吸收型優(yōu)于電化學型，電化學型優(yōu)于催化燃燒型，不適合選擇半導體型。
對于使用環(huán)境，燃氣運營場所有其自身的特點。一般來講，燃氣管道經(jīng)過的管廊環(huán)境或敷設區(qū)域環(huán)境相對比較穩(wěn)定，極少出現(xiàn)高溫、高濕或大風大雨等惡劣天氣；并且，按照燃氣設計規(guī)范要求，管道所處區(qū)域相對獨立，同類型燃料氣體的干擾源幾乎沒有；另外，天然氣的爆炸下限是5％(體積分數(shù))，相關規(guī)范要求體積分數(shù)為l％時需要開啟風機，體積分數(shù)為2.5％時需要切斷氣源，這樣的要求相對寬泛。從這些特點可以看出，在天然氣的使用場所內(nèi)，一般性能的產(chǎn)品即可滿足監(jiān)控的要求，因此，上述傳感器除半導體型外均能滿足。
3.1.3 傳感器選型經(jīng)濟性分析
目前市場上基于各類傳感器的探測器數(shù)量眾多，價格水平及廠家宣稱的壽命也存在一定差異。我們通過對北京市場內(nèi)主流廠家的探測器市場報價及使用壽命進行平均，得到表2。
大型燃氣用戶的燃氣設備有較長的使用周期，用戶在傳感器上的花費主要包括初始投資、傳感器使用壽命內(nèi)的檢測標定費用、傳感器達到使用壽命后的更換費用。檢測標定費用主要由標準樣氣成本與人工成本構成，對應不同類型傳感器的該項費用是相同的。因此，傳感器選型經(jīng)濟性分析應側重于一段使用周期內(nèi)初始投資和傳感器達到使用壽命后的更換費用。
對于傳感器選型的經(jīng)濟性分析，由于簡單的算術平均未考慮資金的時間成本，因此不合理。資金的時間成本是指未用于系統(tǒng)建設的當期資金用于其他生產(chǎn)而產(chǎn)生的效益。我們應該測算一段周期內(nèi)的初始投資和更換的費用以及資金的時間成本。
假設某企業(yè)有一筆自有資金打算用于建設可燃氣體探測系統(tǒng)，且該筆資金可以滿足該系統(tǒng)8年的使用期限，一次用不完的資金可以用于其他生產(chǎn)活動產(chǎn)生效益，利潤率為l2％。系統(tǒng)擬配置300個探測器，控制器及控制模塊若干，則可以計算出采用不同傳感器需準備的探測器資金。計算過程如下：
①選擇紅外吸收型傳感器，由于該型探測器壽命為8a，因此只需一次投資，則：
X=CB
式中X——用于系統(tǒng)探測器8年使用期限的初期準備資金，元
C——探測器數(shù)量，個
B——每個探測器的價格，元／個
計算得出X=360×104元。
②選擇電化學型傳感器，由于該型探測器壽命為2a，8年使用期內(nèi)需更換3次，則有：
Y1=X-A
Y2=(X-A)(1+i)2-A
Y3=[(X-A)(1+i)2-A](1+i)2-A
式中Y1——第1年購買探測器后的剩余資金，元
A——300個擬選探測器總價，元
Y2——第3年探測器全部更換后的剩余資金，元
i——利潤率
Y3——第5年探測器全部更換后的剩余資金，元
第7年初要求資金至少為4，則有下列等式：
{[(X-A)(1+i)2-A](1+i)2-A}·(1+i)2=A
計算得出X=440.9×104元。
③選擇催化燃燒型傳感器，由于該型探測器壽命為2a，計算方法與電化學型探測器相同，計算得出X=264.5×104元。
從上述結果可以看出，用于系統(tǒng)探測器8年使用期限的初期準備資金，選擇催化燃燒型傳感器最少，僅需264.5×104元，選擇紅外吸收型傳感器次之，需360×104元，選擇電化學型傳感器最貴，需440.9×104元。
3.2 布線型式分析
探測器需要連接到控制器才能發(fā)揮其作用，設備之間的布線按布線型式不同，可分為多線制和總線制[3]。
多線制是指每個探測器與控制器之間都有獨立的信號回路，探測器之間是相對獨立的，所有探測信號對于控制器是并行輸入的。這種方法又稱點對點連接，也就是說，有多少個探測器就需要多少對線纜。多線制由于是點對點的傳輸，探測器的電路比較簡單，且某一回路故障僅對該回路產(chǎn)生影響，因此比較適合對安全性有極高要求的場所或小型報警系統(tǒng)。缺點是由于每個回路都要單獨從探測器到控制器布線，因此需要的材料及施工費用高，在大型系統(tǒng)中甚至由于需要的導管口徑過大、占用空間過多而難以實施。
總線制采用2～4條導線構成總線回路，所有的探測器都并接在總線上，每只探測器都有自己的獨立地址碼，控制器采用串行通信的方式，按不同的地址信號訪問每只探測器。也就是說，有一條稱為總線的主線，其他支線(探測器)都是并聯(lián)到主線上的?？偩€制由于采用一條總線，因此材料費用低，布線型式簡單，施工難度也較小，適合大型的報警系統(tǒng)。缺點在于系統(tǒng)整體性高，總線或任意支線發(fā)生故障，整個系統(tǒng)可能就會癱瘓；同時由于節(jié)點眾多，對傳輸?shù)男盘栍幸欢ǜ蓴_，信號故障率較多線制高。
3.3 輔助功能分析
探測器的輔助功能(如顯示屏、狀態(tài)指示燈等)是實現(xiàn)后期運營便利的重要手段，而對于建設初期的投入影響較小。因此在大型可燃氣體探測系統(tǒng)中，一些輔助功能是有必要配備的。
①顯示屏
隨著電子技術的進步及電子元件價格的降低，越來越多的探測器配備了顯示屏，有的甚至為液晶屏幕，可以按照需要顯示相應參數(shù)信息及設置信息。不配備顯示屏的探測器，所有的工作參數(shù)僅能夠在控制器上讀取，但控制器一般安裝在值班室內(nèi)，與探測器安裝地點相距甚遠，巡檢中需要了解探測器地址、實時濃度等信息只有通過通信器材。在諸如管廊、較偏僻的密閉空間內(nèi)，沒有手機信號或無線電信號，根本無法通信。同時，探測器應定期進行現(xiàn)場檢測及標定，不能實時讀取數(shù)據(jù)也將給現(xiàn)場檢測及標定帶來不便。
②狀態(tài)指示燈
大型可燃氣體探測系統(tǒng)的探測器數(shù)量眾多，對于既沒有顯示屏也沒有狀態(tài)指示燈的探測器，完全無法了解到其是否工作正常，或僅能夠從控制器上得知，而在現(xiàn)場找點位又非常不便。即使對于具有顯示屏的設備，長時間工作也會帶來發(fā)熱和功耗問題，一般屏幕不會常亮。另外部分探測器位置非常高，遠遠超過視力辨別范圍，因此增設一個狀態(tài)指示燈非常必要。要在不同的工作狀態(tài)下顯示不同的顏色，只需增加一個普通的二極管，但帶來的效果是不言而喻的。當光線較暗時，在很遠的地方就能及時發(fā)現(xiàn)該探測器是否正常工作，甚至在突發(fā)的事故狀態(tài)下，通過其閃爍功能，提醒現(xiàn)場人員提早發(fā)現(xiàn)，提早撤離，避免更大的事故發(fā)生。
③紅外遙控
目前采取地址撥碼的產(chǎn)品占絕大多數(shù)，但是容易撥錯，且查看點位是否正確需要開蓋，很不方便；另外，很多設備的標定等均需要開蓋，既不方便也不安全。如若配備紅外遙控器，可以在一定距離內(nèi)通過遙控器控制實現(xiàn)多種狀態(tài)、參數(shù)的查看，同時能夠?qū)Φ刂?、調(diào)零、單位等的設置進行調(diào)整，從而給后期維護帶來便捷。
④熱插拔傳感器
大多數(shù)傳感器通過螺紋連接固定在探測器上，且不能夠現(xiàn)場拆卸更換。由于傳感器的使用壽命較短，大部分傳感器失效后需要對探測器整體更換，帶來投資資金、工作量的增加。部分廠家推出的智能傳感器，可以實現(xiàn)現(xiàn)場的熱插拔更換，且由于其內(nèi)置計算芯片，可以實現(xiàn)現(xiàn)場自動初次標定調(diào)零，減小更換的工作量，也減少了更換的費用。
4、結論
在目前的技術條件下，針對燃氣場所使用環(huán)境等特點，催化燃燒型探測器是大型可燃氣體探測系統(tǒng)的首選。在布線型式方面，對于大型可燃氣體探測系統(tǒng)，從經(jīng)濟性及施工便利性考慮，總線制是必然的選擇，但應盡量在系統(tǒng)設計及施工過程中，通過合理的技術改進，規(guī)避總線制節(jié)點眾多、網(wǎng)絡復雜、高度集成等易給后期運營、維修等帶來不便的缺點。同時，為了維護運營便捷，應考慮增配顯示屏或狀態(tài)指示燈；在資金允許的前提下，可以進一步增加紅外遙控、熱插拔傳感器等輔助功能，在保障有效監(jiān)控的同時，方便后期的維護保養(yǎng)工作。
參考文獻
[1]張傳遠，于同珍，蘇雪蓮．常用氣體報警器的工作原理、性能及應用[J]．化學分析計量，2011，20(4)：70-71．
[2]宋小堅．可燃氣體傳感器研究進展[J]．煤氣與熱力，2010，30(5)：A40-A42．
[3]于志軍．火災自動報警控制系統(tǒng)發(fā)展概述[J]．工程建設與設計，2007(3)：55-58．
（本文作者：張偉偉 肖華琴 黃小美 北京市優(yōu)奈特燃氣工程技術有限公司 北京北燃港華燃氣有限公司 重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院）
