气体传感器的使用寿命

消除干扰气体，尤其是硫化物气体带来的影响。这 器是否能正确反应。
些过滤器的使用年限有限，通常用 ppm/小时来定
义其对干扰气体的耐受水平。因为气体浓度有高低
之分，所以 ppm/小时这个度量单位也许会不太精 对气体传感器更换工作进行计划
确。在目标气体暴露时间减半的情况下，一个标称
仪器操作人员渴望通过预测传感器使用年限
因为气孔堵塞而饱和。所以，化学过滤器的功效会 或者根据历史数据进行更换（比如每两三年更换
在高湿度环境下下降。
一次），抑或是发现传感器对测试气体没有足够反
应的时候进行更换。在定期更换模
如何发现传感器故障？
在过去的几十年里，人们在气体传感器上应用
了若干种的专利和技术，虽然这些技术都宣称可以
发现
式下，用户得到保证——传感器总是“崭新的”， 但恰恰是因为这样的一再保证，用户却多掏了保险 费，因为被更换下来的传感器事实上还能正常工作 相当长时间。只有在表现出灵敏度明显下降（或者 反应时间过分延长）时，传感器才有可能在服务周 期之间发生故障（一般仅为六个月）并进行更换。.
氧气传感器的工作原理与之前所描述的电化学氧气传感 器工作原理类似，但是，氧气传感器的使用年限是可预 测的，所以，更换周期也可以进行预设——一般为 2~3 年。与有毒气体传感器不同，氧气传感器长期持续暴露 在目标气体中。在通常的耗氧监测应用中，传感器工作 环境的氧气浓度为 20.9%，这就会在铅阳极上引起化学 反应，从而造成阳极的逐渐消耗。所以，传感器通过与 氧气反应持续产生电流的能力取决于电解质中铅的含 量。
行详细计划就变得至关重要，其目标是尽量缩短备 器能够检测周围环境并在温度超出传感器上下阀值
件在仓库中的存贮时间。
的时候发出报警。变送器也能够将需要测量气体的
浓度与传Leabharlann Baidu器最大允许值进行比较，一旦超出就发
含过滤功能的传感器
出警告。在这些例子中，用户应当采取的正确措施就
在有些传感器上安装有化学过滤器，以尽可能 是使用测试气体对传感器进行快速测试来验证传感
困惑和沮丧。电化学传感器在生产后通常都有六个 所以，我们无法保证一部气体探测仪器对所发生的
月的存贮周期（假定存贮条件为理想的 20℃）。在 故障进行自动识别。
超出这一周期后，传感器输出的信号就有可能变得
不稳。这个周期中的一小部分时间不可避免地要用
但是，气体探测仪器可以对那些有可能影响传
于生产和运输环节。所以，对传感器备件的采购进 感器性能的事件进行报告：智能气体探测器和变送
能很有可能受到了影响。通过将传感器置于相反的极 出。氢硫化物传感器的性能尤其与周边环境联系更为 电极。
端湿度环境中，电解质原来的稀释或脱水情况都是可
紧密。一台固定式探测器中的传感器的灵敏度和反应 时间很有可能在按照当地的温度湿度调试稳定后的两
逆的。在 5~25 天的时间里，传感器的重量和电解质 三周内发生改变。当传感器在安装前存放在非常干燥
电解质
气体传感器的使用
简介
气体传感器广泛应用于工业领域，用以使人员和
便携式气体报警器还是固定式气体检测仪，对于确 保设备在其使用年限内安全运转有可能造成的巨大 成本问题，用户必然有着深切体会。
设备免受危险气体导致的直接和间接威胁。无论是使 上部 :电 化 学 传 感 器 的工 作 原
分离器
用
理
集流器
强烈的震动和机械冲击也可能会损伤将铂电极、连接条
浓度都可以恢复到初始状态，性能也一并得到恢复。 的环境中时（比如带空调的办公室），这种情况尤为 （某些传感器中是金属线）和接口连接在一起的焊点，从而
普遍。
损坏传感器，但是这种情况对架构牢固的传感器来说并不多
见。
“常规”使 用 年 限
检测一氧化碳或硫化氢等普通气体的电化学传感器的使 用年限通常为 2~3 年。而一些特殊气体，如氟化氢气体的传 感器的使用年限仅仅只有 12~18 个月。具体使用视环境会有 相应的延长和缩短。
传感器针脚
图 1. 电化学传感器典型结构图
图 1. 电化学传感器
大多数电化学传感器应用于扩散模式，在这种模式下，周 围环境中的气体样本通过传感器正面的小孔进入传感器（通过 气体分子自然流动）。而有些设备通过一个抽气泵将空气/气体 样本抽进传感器内。在气孔部位安装有聚四氟乙烯薄膜来阻挡 水或油进入传感器内。传感器的测量范围和灵敏度可以通过在 设计时调整进气孔尺寸随之变化。大一些的进气孔可以提高设 备的灵敏度和分辨率，而小一些的进气孔虽然降低了灵敏度和 分辨率，但是可增大测量范围。
气体探测
在理想情况下，即温度和湿度分别保持在 20℃ 电化学传感器发生故障的情况，但是大多数的技
和 60%RH 左右，同时没有污染物的侵入时，已知 术仅仅是推断传感器在某种电极刺激下工作，而
有的电化学传感器工作超过 11 年！周期性地暴露 且可能仅提供了一种虚假的安全感。展示传感器
在目标气体环境中并不会限制传感器的使用年限， 处于工作状态的唯一可靠方法就是使用测试气
优质的传感器通常都装备充足的催化剂和结实耐 体并测量传感器的反应——即快速测试或者全
用的导体，这些材料并不会因为化学反应而轻易消 面校准。
耗殆尽。
事实上，电化学传感器并不具备自动防故障功
传感器也有所谓的“库存期”或者“存贮周期”， 能。在干净的空气中，它们输出零信号电流，在它们
这些时间可能会让用户，服务公司和制造商都感到 报废前，即便暴露在目标气体中，仍然输出零电流。
影响传感器寿命的因素
极端温度可以影响传感器寿命。通常，制造商 所宣称的设备操作温度范围通常在-30℃到+50℃之 间变化。然而，高质量的传感器能够在短时间内承 受突破此范围的温度。比如，传感器（如 H2S 或 CO）在短时间（1~2 小时）暴露于 60℃到 65℃是 没有问题的。但是，如果极端情况重复发生则会造 成电解质挥发，也有可能造成零基线读数移动和反 应迟缓等情况。
致谢
Alphasense 的约翰・萨菲尔和 SGX Sensortech 的凯文・布朗在本文成文过程中给予支持协助，在 此致以真诚谢意。
在上下系列文章的下半部分，作者将对影响载 体催化传感器（“催化珠”）可燃气体传感器的各因素 进行剖析。
关于作者
安迪・阿佛内尔在气体探测行业拥有二十多年的 工作经验，其中包括多年的大型工业系统调试经验，以 及石油天然气（海上和近海平台）的设备安装经验。过 去几年，他负责科尔康的超大系统设计和工程实施工作， 并在 2004 年承担固定系统产品经理一职，随后于 2012 年担任高级产品经理。阿佛内尔在 2015 年被任命为高 级业务拓展经理。
用户当然无法判断他们所使用的传感器到底是在
电化学传感器使用年限的预测是一门非常不
与 SO2 还是 H2S 发生化学反应。
精确的科学，设备的使用年限、寿命会受到本文 中所提及的种种因素影响，每种具体应用中的情
有机过滤器（碳基）虽然非常高效，但是不可 况各有不同。在实际操作中，用户要么根据制造
再生，而且在环境湿度超过 50%RH 时，过滤器会 商的建议按照固定时间周期对传感器进行更换，
通过增加“温度补偿”这一关键机制，气体探测设 备制造商确保了传感器的性能。气体灵敏度（以及零基 线信号）常常随着温度有所变化，所以当温度升降时， 气体灵敏度呈非线性变化。
在研发气体探测设备的过程中，人们用了大量时间 将相同的气体传感器放置于不同温度和不同浓度气体中 （温
度在-30℃~+50℃之间）。所采集的数据经过处理后 生成了一个为气体探测器所用的温度补偿算法，以 确保传感器读数在整个操作量程内保持一致。
气体探测
通过对传感器进行称重，可以迅速简便地判断出
要提醒大家注意的是，传感器的灵敏度可能会随
着周围环境的情况而变化。一个原本反应不灵敏、反
电解质的稀释和脱水情况。与出厂重量相比，当传感 应时间长的传感器可能会随着环境湿度的变化而有所
在特殊情况下，干扰气体可能会因为被催化剂吸收或者
器重量有±250mg 以上的变化时，则说明传感器的性 改善。这种情况在四季气候变化鲜明的国家则更为突 与催化剂发生反应生成副产品抑制催化剂，进而破坏传感器
温度过低时，传感器的灵敏度会降低。也许传 感器可以在-40℃的低温工作，但是对气体的灵敏度 会大幅度下降（灵敏度甚至可能降低高达 80%）， 而且反应时间也会延长许多，另外，当温度降到35℃以下时，电解质还有结冰的危险。
.当气体浓度过高时，也有可能造成传感器性能下 降。通常，电化传感器在测试时，极限气体浓度是 其设计浓度的十倍。使用高质量催化剂的传感器应 该可以承受这样的情况，并不会对其化学特性或长 期性能造成损坏。而使用低质量催化剂的传感器则 有可能造成损坏。
气体扩散屏障层
感应电极 参比电极 对电极
小小的传感器中，是被水性凝胶电解质（一般 是硫酸：H2SO4）浸湿的电极，当所探测的气体 （比如一氧化碳：CO，或者硫化氢：H2S）进入传 感器内与电解质发生氧化或者浓度变化时，工作电 极在催化剂作用下产生微弱电流。电流经过与传感 器相连接的放大器放大，从而显示目标区域的气体 浓度。
1000ppm/小时的过滤器也不一定能把使用时间延 对传感器更换工作进行提前计划，这样服务工程
长两倍。
师在现场维修的时候就可以带来新的传感器，避
免了设备停机或重复派人的问题。反言之，如果用
当过滤器饱和时，传感器与干扰气体产生交叉 户能够有把握将例行传感器更换周期延长，那么
反应的程度随之加重（比如探测硫化氢气体，H2S， 他们也自然可以降低更换传感器的成本。 或者二氧化硫，SO2 的传感器）。当交叉反应发生时，
潮湿是对传感器影响最大的因素。电化传感器 的理想工作环境应当是 20℃，60%RH（相对湿 度）。当环境湿度超过 60%RH 时，电解质会因为吸 收水分而稀释。在极端情况下，电解质体积会增加 2~3 倍，很有可能造成电解质从传感器设备体通过 接口渗漏。而当湿度低于 60%RH 时，电解质则有 可能脱水。随着电解质脱水，设备反应时间也会显 著延长。
他本人还是英国行业委员会（CoGDEM）的成员， 该委员会负责对可行的欧洲标准和技术指导文件进行 审议和审查。