氢气探测器选型分析

氢气探测器选型分析
摘要：氢气探测器是最常见的可燃气体探测器，目前市面上存在多种可适用于氢气探测的可燃气体传感器。

本文对适用于氢气探测器的传感器进行工作原理分析，并根据信号传送形式，对氢气探测器选型进行分析，确保氢气探测系统的稳定可靠性。

关键词：氢气探测器；催化燃烧；可燃气体传感器
1.概述
氢气是易燃易爆气体，氢气的爆炸极限为4.0%-75.6%(体积浓度)，4.0%为在空气中能使火焰蔓延或爆炸的最低浓度，用%LEL表示；75.6%为在空气中能使火焰蔓延或爆炸的最高浓度，用%UEL表示。

工业生产中氢气泄露的危害很大，不仅危及生产操作安全、环境安全，严重时还会导致工厂发生火灾、爆炸、人员窒息及伤亡事件。

为保证安全，控制风险，存在氢爆风险的工业现场需安装氢气探测系统，实时监测这些区域的氢气含量。

通常，当氢气含量达到12%LEL时产生A1级低限报警，当氢气含量达到25%LEL时产生A2级高限报警。

在满足GB16808规定的可燃气体探测器各项试验数据容差均为±5%LEL的前提下[1]，考虑氢气探测器探测氢气的浓度极低，探测数据极易漂移，选择一款测量精度高、稳定性好的氢气探测器尤为重要。

1.传感器检测原理及选型分析
氢气探测系统主要由氢气探测器、氢气报警控制器组成。

必要时，氢气探测系统的故障、报警信号送往火灾报警系统进行显示与报警。

因此，传感器直接制约探测器探测灵敏度、准确度、稳定度等。

图1 氢气探测系统简图
常见的可燃气体传感器按探测原理主要分为四种：半导体型、催化燃烧型、
电化学型与红外线吸收型。

半导体型传感器，利用加热回路把覆着气敏材料的半导体器件加热到稳定
（一般为200－2500℃之间的恒定温度）以后，当可燃气体接触到传感器后，传
感器的电导率就会随可燃气体的浓度增大而增大，形成与可燃气体浓度成比例的
输出信号。

这类传感器主要用的气敏材料为二氧化锡成份的材料，传感器稳定性
不好，易惰化，线性度差，零点漂移大。

图2 半导体型传感器结构简图
催化燃烧型传感器利用可燃气体与检测元件发生催化燃烧反应。

检测元件与
补偿元件分别位于惠斯通电桥电路的两个对立支路上，检测元件可与可燃气体发
生反应，补偿元件则不会，从而测量电路产生电压差，进而换算出可燃气的浓度。

催化燃烧型传感器必须在有氧环境中使用，这类传感器的特点就是线性度好，零
点稳定，重复性好。

图3 催化燃烧型传感器结构简图
电化学型传感器是通过电化学原理检测特定气体的浓度。

被检测的环境气体
通过传感器下端的薄膜扩散到传感器的电解液中。

电解液中有一个测量电极，一
个反电极和一个参考电极。

通过选择适当的电压、电解液和电极材料，被检测的
气体在测量电极上会发生化学反应并产生微电流。

此电流与检测气体浓度成正比。

传感器输出的电流经过放大、温度补偿和参数修正就能得到特定气体的浓度。

电
化学型传感器需在有氧环境下，主要用于探测大多数的有毒气体，包括CO、H2S、02、CL2和SO2等。

图4 电化学型传感器结构简图
红外线吸收型气体传感器，是根据比尔朗伯定律，被测气体浓度与探测光吸
收强度有对应关系，实现对气体浓度的检测。

目前比较流行的红外式气体探测器
多采用双波段测量技术，并采用双光源，在单波段基础上增加一路参比光路，消
除环境温度、气流等因素的影响。

红外式气体探测器一般只能测碳氢化合物的浓度，当待测气体含水蒸气和CO2时，对测量结果有一定的影响。

【2】
通过以上各类型传感器工作原理分析，红外线吸收型气体传感器、电化学型
传感器不适用于氢气探测。

氢气探测器宜选择催化燃烧型传感器，不宜选择半导
体型传感器。

1.氢气探测器选型分析
如上分析，氢气探测器宜选用催化燃烧型传感器，其由检测元件和补偿元件
组成，检测元件由铂丝线圈制成，外部敷有铂、钯等催化剂。

补偿元件由铂丝制成，外部敷有金等钝化剂，用于降低环境温度和湿度影响对被测氢气浓度带来的
偏差。

传感器正常工作过程时，由氢气控制器提供恒定的电流，加热铂丝以保持
催化反应所需的温度。

如果氢气通过扩散到达检测元件处，在催化剂作用下，进行无焰燃烧并放出热量，加热铂丝并使其电阻值增加，进而通过惠斯通电桥转换成电压输出信号，电压输出信号与环境中氢气浓度成正比关系。

氢气探测器在处理催化燃烧传感器输出信号时，电压型氢气探测器直接输出惠斯通电桥转换成的电压信号，经氢气控制器进行信号处理后进行显示与报警；电流型氢气探测器将惠斯通电桥输出的电压信号转换为4－20mA电流信号，经控制器信号处理后进行显示与报警。

3.1 电压型氢气探测器
以某品牌电压型氢气探测器为例，传感器正常工作过程时，由控制器提供372mA的电流，加热铂丝以保持催化反应所需的温度（约300~400℃）。

如图5所示，
图5 电压型氢气探测器惠斯通电桥检测电路
根据以上化燃烧传感器检测原理及惠斯通电桥检测电路，可得如下电压型氢气探测器的输出电压如下计算式。

采用50%LEL的标定气体对该该电压型氢气探测器进行标定，并实际测量探测器输出电压。

电压型氢气探测器输出电压为mV级，满量程与零点之差约为
30mV，探测器输出电压的轻微变化均会导致氢气控制器输出氢气浓度存在较大漂移。

氢气探测器输出电压与控制器显示值关系表如下。

表1 电压型氢气探测器输出电压与控制器显示值关系表
对氢气探测器1实测数据进行分析，氢气探测器输出电压每变化1mV，氢气控制器显示值将变化变化率约为1.51%LEL。

此外，通过计算，传感器铂电阻丝变化△R1=0.005Ω或补偿电阻变化△R3=2Ω，对应电桥输出电压变化约1mV。

实测R1=1.435欧，R2=1.465欧，R3=513.1欧，R4=513.4欧，I=372mA，计算如下所示：
图6 氢气控制器显示值与探测器输出电压关系图
综上，当环境湿度等环境变化引起催化燃烧传感器检测元件、补偿元件阻值
漂移时，均会容易导致氢气探测器显示值大幅漂移。

实验室试验发现，迅速增加
传感器周边空气湿度时，该品牌氢气探测器显示值存在6-8%LEL的示值变化。

此外，传感器检测元件铂电阻丝表面长期进行高温催化燃烧（约300~400℃），催
化剂损耗、氧含量变化、毒物（硫化物、氯化物等）会干扰氢气探测器催化燃烧
而导致氢气探测器显示值漂移。

由于，电压型氢气探测器输出为mV级信号，信号传输电缆长距离传输（1KM
以上）受电磁干扰、电荷积累等均会极易导致氢气控制器示数漂移。

3.1 电流型氢气探测器
针对电压型氢气探测器mV级信号长距离传输后部分失真，导致氢气
控制器显示示值漂移的问题。

电流型氢气探测器，在探测器侧新增信号处理装置，将催化燃烧传感器相应信号转换为4-20mA信号，从而确保信号传输稳定可靠。

图7 电流型氢气探测器结构简图
此外，针对催化燃烧传感器性能问题，提升检测元件稳定性，采用更低温度
的催化燃烧技术，可增加氢气探测器稳定性的同时，可大幅提升氢气探测器的使
用寿命。

1.结束语
氢气探测器主要采用线性度好、零点稳定、重复性好的催化燃烧型传感器，
为确保传感器使用寿命更长、稳定更好，可选用采用低温催化燃烧技术的传感器。

为避免信号传输过程受电磁干扰等影响导致信号失真，宜采用电流型氢气探测器。

参考文献
[1] 中国国家标准化管理委员会.可燃气体报警控制器：GB16808－2008[S].
北京：中国计划出
版社，2008。