火灾气体探测器

PAGEPAGE186第五章气体探测器传统感烟、感温火灾探测器在火灾探测中起到了重要的作用，而且也在不断发展完善，但是还并不能让人满意。它们本质上以火灾的烟雾浓度和温度等物理特性作为测量的对象，而燃烧的材料种类、燃烧状况、灰尘、水汽和热源等很多因素都会显著的影响到这些参数，从而影响了常规探测器的可靠性，使之容易产生误报，甚至对特定的火灾不响应。例如，针对温升的探测器对阴燃火没有响应，某些感烟探测器对酒精火等也没有响应等等。石油联合企业、煤矿、化学工厂等单位不断发生气体泄漏、爆炸事故、引发火灾，大气污染日趋严重，普通家庭也常有气体中毒事故。为了防止气体事故发生，对CH4等爆炸性气体的检测与控制势在必行，因而需要研制检测气体的传感器和研究各类气体的检测方法。绝大多数液体或固体材料在燃烧初期，都产生CO、CO2等标志性气体，因而通过探测CO、CO2等火灾气体产物，可以实现早期火灾探测。由于在正常情况下，环境中的CO背景干扰性气体较少，因此相对于感烟、感温探测器，火灾气体探测器的环境影响因素大大减小。气体探测技术比感温感烟的技术要复杂且昂贵，因此气体探测一直处于可望而不可及的境地。国外从30年代开始研究开发气体传感器，早期气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，后来火灾领域的研究人员开始借助这些技术来检测火灾中产生的各种气态产物。近年来，由于气体传感技术有了长足进步，气体探测技术正面临着一个蓬勃的发展时期。在AUBE’99和AUBE’01火灾自动探测国际学术讨论会上，有多篇论文涉及气体探测，其中主要是CO气体探测以及烟温气复合探测技术。第一节可燃气体和火灾中的气体产物一、可燃气体在石油、煤矿、化工厂等企业单位，油气泄漏使环境中存在易燃易爆气体，居民家庭煤气、液化气泄漏也偶有发生，容易引起火灾爆炸事故，给生产生活带来很大的威胁。为了防止爆炸的发生，需对易燃易爆气体的浓度进行检测，以便浓度超标时及时采取措施。在生产过程中，可燃气体泄出可能使工作场所的新鲜空气逐渐被取代，以致于全部被可燃气体充满。在图5-1中，根据空气与可燃性气体混合气体的比例，将可燃性气体的浓度分成三个区域：低于最低爆炸极限LEL（LowerExplosiveLimit）的欠量区；最低爆炸极限LEL与最高爆炸极限UEL（UpperExplosiveLimit）之间的爆炸区；高于最高爆炸极限的富量区。图5-1可燃性气体与空气混合燃烧爆炸的三个区域欠量区：空气混合气体中可燃性气体的浓度从0到LEL这个区域中，由于可燃性气体的浓度比较低，此时即使具备足够的点燃能量，也不会产生爆炸；爆炸区：上述混合气体中可燃性气体的浓度处于LEL及UEL之间这个区域中，只要具备足够的点燃能量，就必然产生爆炸；富量区：如上述混合气体中可燃性气体的浓度高于UEL，此时，由于空气（实际是氧气）含量过低，因此也不具备爆炸条件，但是当外来空气的不断补入时，又将返回“爆炸区”，因此，“富量区”的混合气体也是十分危险的。常见各种可燃气体的爆炸界限见表5-1。表5-1可燃气体的爆炸界限物质名称分子式爆炸界限爆炸等级下限%上限%城市煤气5.0

2液化石油气2.012.01甲烷CH45.015.01丁烷CH3(CH2)2CH31.88.41乙炔C2H22.581.03乙烷C2H63.012.4苯乙烷C6H5C2H51.06.7乙烯C2H42.736.02氯乙烷C2H5Cl3.815.4聚乙烷CH3CHCl3.633.01氧化丙烯CH3CHCH2O2.121.5环丙烯C3H62.410.4氢H24.075.03丁二烯C4H62.012.02丁烯C4H81.69.71丙烷CH3CH2CH32.19.51丙烯C3H62.411.01n-戊烷C5HL21.57.81n-正已烷C6HL41.27.51醋酸乙酯CH3COOC2H52.111.51醋酸丁酯CH3COOC4H91.77.61汽油1.47.61煤油0.8

1二、火灾中的气体产物火灾产生的气体成分是复杂多样的，包含完全燃烧产物，如CO2和H2O；以及不完全燃烧产物，如CO、气态碳氢化合物及醇类、醛类、酮类、酸类、酯类；如果可燃物中还含有其他元素，例如S和卤素（F、Cl、Br），则产物中就会包含硫的氧化物以及卤素的化合物。对于绝大多数可燃物，均含有C、H元素，其在空气中阴燃热解或明火燃烧时，气态燃烧产物的主要成分为H2O、CO和CO2。国内外的研究表明，各种标准火都会产生一定数量的CO和CO2。表5-2是Jackson和Robins[1]在1994年给出了实验测得的欧洲六种标准火（木材明火、木材热解、棉绳阴燃火、聚氨酯塑料泡沫明火、正庚烷明火、酒精明火）的最大CO生成量，由表可见，CO生成量最少的酒精明火也达到了16ppm。表5-2欧洲六种标准火最大的CO生成量（JacksonandKobins1994）参数TF1:木材明火(t=720s)TF2:木材热解火(t=720s)TF3:棉绳阴燃火(t=540s)TF4:聚氨酯塑料明火(t=140s)TF5:正庚烷明火(t=180s)TF6:酒精明火(t=360s)CO峰值46ppm105ppm350ppm45ppm30ppm16ppm图5-2是Pfister和Jackson等人所测得的气体浓度曲线。为了保证火灾气体探测器的普适性，CO2和CO应该是首选，它们被理所当然的认为是火灾的标示气体产物。由于环境中湿度的影响，通常不把H2O作为火灾探测参数。针对这两种气体进行监测，将会在很大程度上反映出环境中有火灾的发生：虽然环境中存在一定量的CO2，但发生火灾时，CO2的浓度将会急剧增加；一般情况下，CO在空气中的含量极低，只有燃烧发生时才会产生CO，所以又以CO的探测研究最受重视。图5-2几种标准火CO浓度的测量（JacksonandKobins1994，Pfister1983）和火灾烟气中的烟雾颗粒不同，火灾的气体产物需要更少的热量驱动就可以快速上升。CO等一些气体由于比空气轻，甚至不需要热量的驱动，就能非常容易地扩散上升，这对于火灾探测器的布置和在较早的时间捕捉到火灾发生信息非常重要。从燃烧的机理来说，早期火灾（燃烧的初期）通常不会产生明显的温升和烟雾，而此时却已经有热解产生的气态产物。图5-3为火灾不同发展阶段与火灾探测器响应的对应关系，因此，气体产物适宜于早期火灾探测。图5-3大多数场合下火灾探测与火灾早期发展的对应关系另一方面，火灾烟气不仅含有大量没有完全燃烧的组分，而且含有很多有毒、有害的组分，其中CO、HCN、SO2是主要毒性组分，CO2则是造成人员窒息的主要组分。尤其在现代建筑物中，使用了大量高分子聚合物的构件和装修材料，它们在高温条件下释放的有毒、有害成分要比天然木材高得多，因而对人员安全的威胁更为严重。表5-3是火灾时,各种气体产物在环境中最大允许浓度，以及对人体不同程度的危害作用影响。表5-3火灾中典型气体产物的危害火灾气体产物环境中最大允许浓度（/ppm）致人麻木极限浓度（/%或ppm）致人死亡极限浓度（/%或ppm）CO250003%20%CO50200013000HCN10200270H2S10—1000~2000HCl510001300~2000NH35030005000~10000HF3——SO25—400~500Cl21—1000NO25—240~775注：致人麻木极限浓度表示火灾疏散条件下所允许的最低限度；致人死亡极限浓度表示短时间内致人死亡剂量。综上所述，气体产物是火灾早期的火灾参量，且对于绝大多数燃料，无论阴燃，有焰火燃烧，均有CO、CO2等标示性气体产物产生；另一方面，CO、CO2等火灾气体浓度大小是火灾评估和性能化设计的重要参数和设计依据，因此，针对火灾气体产物进行探测不仅可以实现早期火灾预测报警，同时对于建筑防火分析及人员疏散具有重要指导意义。第二节气体检测的方法与种类可燃气体或火灾气体产物探测主要基于以下三个原理：（1）利用半导体气体器件检测的电气方法；（2）利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法；（3）利用电极和电解液对气体进行检测的电化学法。表5-4列出了当前使用的主要气体检测方法以及相应的气体检测种类。表5-4不同气体检测方法气体分析方法NOXCOCO2SOXH2SO2臭氧H2CS2卤化物主要为Cl2CnH2n+2主要为C2H8，C4H10CnH2nCnH2n-2、CnH2n-6NH3C2HyNHCN电化学法12345溶液导电方式恒定位电解方式隔膜一次电池方式电量法隔膜电极法√√√√√√√√√√√√√√√√光学法678910红外吸收法可见光吸收光度法光干涉法化学发光法试纸光电光度法√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√电气方法11121314氢焰离解法导热法接触燃烧法半导体法√√√√√√√√√√√√√√√√其他15气体色谱法√√√√√√√√√√√环境大气污染气体工业、家庭用（丙烷等）气体气体传感器的主要特性参数是灵敏度、响应时间、选择性、稳定性等，以下对各参数进行解释说明。（1）灵敏度灵敏度（K）标志气敏元件对气体的敏感程度，决定了测量精度，采用元件的阻值变化量△R与气体浓度变化量△P之比来表示，即K=△R/△P。灵敏度另一种表示方法，即气敏元件在空气中的阻值R0与在被测气体中的阻值R之比，即K=R0/R。（2）响应时间从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的时间称为响应时间，它表示气敏元件对一定浓度被测气体的反应速度。（3）选择性在多种气体共存的条件下，气敏元件区分不同种类气体的能力称为选择性，对某种气体的选择性好，就表示气敏元件对它有较高的灵敏度，选择性是气敏元件的重要参数，也是目前较难解决的问题之一。（4）稳定性当气体浓度不变时，若其他条件发生变化，在规定的时间内，气敏元件输出特性维持不变的能力，称为稳定性。稳定性表示气敏元件对于气体浓度以外的各种因素的抵抗能力。（5）温度特性气敏元件灵敏度随温度变化的特性称为温度特性。温度有元件自身温度与环境温度之分，这两种温度对灵敏度都有影响。元件自身温度对灵敏度的影响与所用材料有关。环境温度对灵敏度的影响相当大，常采用温度补偿方法进行解决。（6）湿度特性气敏元件的灵敏度随环境湿度变化的特性称为湿度特性，湿度特性是影响检测精度的另一个因素，常采用湿度补偿方法进行解决。（7）电源电压特性气敏元件的灵敏度随电源电压变化的特性称为电源电压特性，为改善传感器的电源电压特性，需采用恒压源。表5-5对各种气体检测方法的特点进行了比较。表5-5各种气体检测方法的特性比较特性项目分析方法灵敏度可靠性对气体选择性响应速度稳定性简易度抽样系统的必要性经济性测定范围维修辅助气体的必要性半导体式非常好稍差差良好(1分钟)稍差非常简单不要最价廉达LEL1几乎不要不要接触燃烧法相当好相当好稍好非常迅速（4-5秒）良好非常简单不要价格非常低廉达LEL1几乎不要不要导热法良好良好良好稍好良好简单必要中等宽范围常需维护常有必要氢焰离解法相当良好良好稍好良好稍好中等复杂必要中等ppm的100%常需维护必要红外吸收法稍好良好相当好良好良好中等复杂必要中等相当宽范围常需维护不要化学发光法良好良好良好良好良好简单必要中等ppm的100%常需维护不要光干涉法良好良好良好良好良好中等复杂必要中等宽范围常需维护必要试纸光电光度法良好良好良好差良好中等复杂必要中等特别微量的检测常需维护不要恒电位电解法良好良好良好良好（20-30秒）良好简单必要中等宽范围常需维护必要气体色谱法非常好非常好非常好差非常好非常复杂必要昂贵ppm的100%常需维护必要`LEL—低爆炸极限（Lowerexplosionlimit）。 2.非常好>相当好>良好>稍好>稍差>差。本文主要介绍半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器、电化学气体传感器和红外吸收式气体传感器，以及它们的应用。参考文献JacksonMA,RobinsI,Gassensingforfiredetection:measurementsofCO,CO2,H2,O2andsmokedensityinEuropeanstandardfiretests[J].FireSafetyJ,1994,22:181-205霍然,袁宏永.性能化建筑防火分析与设计[M].合肥:安徽科学技术出版社,2003HarmsM,GoschnickJ,YoungRC.EarlyDetectionandDistinctionofFireGaseswithaGasSensorMicroarray[C].InternationalConferenceonAutomaticFireDetection.(AUBE’01),March25-28,2001,Maryland,USA吴龙