摘 要：对可燃气体探测器中传感器的检测原理、经济性、布线型式及探测器的辅助功能等进行分析，提出大型燃气用户建设可燃气体探测系统时探测器的选型建议。
关键词：大型燃气用户 可燃气体探测器 传感器 选型分析
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
应用于大型燃气用户的可燃气体探测系统通常探测器数量众多、监控范围较大、空间结构复杂、一次性投入高、后期运营维护任务繁重。同时，目前市场上的可燃气体探测相关产品品种繁多，性能参差不齐，价格跨度较大，用户在选择时非常困惑。笔者曾参与了首都机场能源系统、中关村地下能源管廊等几个大型用户的可燃气体探测系统建设工作，这些用户的探测器数量均在300个以上，针对其项目特点，着重对可燃气体探测器进行分析，有针对性地提出选型、配置、安装布置方案，既有效地发挥其监测功能，又减少了用户的经济投入，在一定程度上保证运营维护的方便。这几个项目的探测系统几年来运营良好，后期维护便利，切实解决了用户的后顾之忧，得到用户的高度认可。
2、可燃气体探测器选型是系统选型的核心
2.1 可燃气体探测系统
可燃气体探测系统由4个承担不同功能的器件组成：①探测器，是气体浓度的监测端，是整个系统的输入端；②控制器，是探测器信号的接收端，并将接收的信号按照内置程序进行计算比对，对不同的识别信号按照预设的逻辑编程进行输出，是整个系统的中央处理单元；③控制模块，通过接收控制器给出的信号启动相应的联动操作，达到联动目的，是整个系统的执行端；④传输线路，是将所有设备联系起来的通道。
2.2 探测器在系统选型中的重要性
目前，控制器、控制模块各类产品基本功能较为相似，只要采用相对较好的元器件，在使用性能及寿命上均能有较好保证；传输线路只要严格按照设计及施工规范的要求进行，注意质量及布置合理，在运营中一般不会出现问题。对于上述设备，不同工艺及特点的产品价格较接近，对整个系统的造价不产生较大影响。
可燃气体探测器作为整个系统的输入端，是整个系统能否有效发挥监控作用的关键因素；同时，探测器单价不低，数量众多，且不同种类的产品价格跨度大，是整个系统造价的决定因素。总之，可燃气体探测器是整个系统的核心设备，其选型是整个系统建设方案选择的核心。下面着重从可燃气体探测器的种类、布线型式及辅助功能等方面进行选型分析。
3、可燃气体探测器选型分析
3.1 传感器种类的选择
可燃气体探测器作为气体浓度的监测端，通过其内部的气体传感器对现场环境气体进行不间断地取样分析，当发现环境中存在被监控气体时，将浓度信号上传至控制器。气体传感器充当“鼻子”的功能，感知工作环境中的被监控气体，因此，气体传感器的好坏是可燃气体探测器能否有效监控气体泄漏的前提。
3.1.1 传感器检测原理及性能比较
常用的气体传感器按照检测原理主要分为4类：红外吸收型气体传感器、电化学型气体传感器、催化燃烧型气体传感器和半导体型气体传感器[1-2]。
红外吸收型气体传感器是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯—比尔定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。通常采用一束红外光线同时分别穿过比较室(内装特定气体)与测量室(内部流过待测气体)，由于穿过测量室特定波长的光波被吸收，使两束红外光线的光强度产生差异，最后把光强度差异转换成电信号输出，检测出气体浓度。
电化学型气体传感器基于检测气体与电解质内的工作电极发生氧化还原反应，导致电极电位发生变化，而该变化值与气体浓度成正比，从而间接得出气体的浓度值。电化学型气体传感器主要有原电池型气体传感器和恒电位电解型气体传感器两大类。
催化燃烧型气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。通过测量铂丝电阻的变化，可以知道可燃气体的浓度。
半导体型气体传感器以金属氧化物半导体型为主，其利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较得出气体的浓度。由于半导体型气体传感器的检测范围窄(一般能检测的体积分数为0～0.012)，且浓度变化与电阻变化的线性关系差，从而导致宽量程的测量不准确。因此其基本用于民用市场。
4种传感器的性能比较见表l [1]。
3.1.2 传感器选型技术分析
从表l可知，对于大型燃气用户报警器的传感器选型，在技术方面，红外吸收型优于电化学型，电化学型优于催化燃烧型，不适合选择半导体型。
对于使用环境，燃气运营场所有其自身的特点。一般来讲，燃气管道经过的管廊环境或敷设区域环境相对比较稳定，极少出现高温、高湿或大风大雨等恶劣天气；并且，按照燃气设计规范要求，管道所处区域相对独立，同类型燃料气体的干扰源几乎没有；另外，天然气的爆炸下限是5％(体积分数)，相关规范要求体积分数为l％时需要开启风机，体积分数为2.5％时需要切断气源，这样的要求相对宽泛。从这些特点可以看出，在天然气的使用场所内，一般性能的产品即可满足监控的要求，因此，上述传感器除半导体型外均能满足。
3.1.3 传感器选型经济性分析
目前市场上基于各类传感器的探测器数量众多，价格水平及厂家宣称的寿命也存在一定差异。我们通过对北京市场内主流厂家的探测器市场报价及使用寿命进行平均，得到表2。
大型燃气用户的燃气设备有较长的使用周期，用户在传感器上的花费主要包括初始投资、传感器使用寿命内的检测标定费用、传感器达到使用寿命后的更换费用。检测标定费用主要由标准样气成本与人工成本构成，对应不同类型传感器的该项费用是相同的。因此，传感器选型经济性分析应侧重于一段使用周期内初始投资和传感器达到使用寿命后的更换费用。
对于传感器选型的经济性分析，由于简单的算术平均未考虑资金的时间成本，因此不合理。资金的时间成本是指未用于系统建设的当期资金用于其他生产而产生的效益。我们应该测算一段周期内的初始投资和更换的费用以及资金的时间成本。
假设某企业有一笔自有资金打算用于建设可燃气体探测系统，且该笔资金可以满足该系统8年的使用期限，一次用不完的资金可以用于其他生产活动产生效益，利润率为l2％。系统拟配置300个探测器，控制器及控制模块若干，则可以计算出采用不同传感器需准备的探测器资金。计算过程如下：
①选择红外吸收型传感器，由于该型探测器寿命为8a，因此只需一次投资，则：
X=CB
式中X——用于系统探测器8年使用期限的初期准备资金，元
C——探测器数量，个
B——每个探测器的价格，元／个
计算得出X=360×104元。
②选择电化学型传感器，由于该型探测器寿命为2a，8年使用期内需更换3次，则有：
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年购买探测器后的剩余资金，元
A——300个拟选探测器总价，元
Y2——第3年探测器全部更换后的剩余资金，元
i——利润率
Y3——第5年探测器全部更换后的剩余资金，元
第7年初要求资金至少为4，则有下列等式：
{[(X-A)(1+i)2-A](1+i)2-A}·(1+i)2=A
计算得出X=440.9×104元。
③选择催化燃烧型传感器，由于该型探测器寿命为2a，计算方法与电化学型探测器相同，计算得出X=264.5×104元。
从上述结果可以看出，用于系统探测器8年使用期限的初期准备资金，选择催化燃烧型传感器最少，仅需264.5×104元，选择红外吸收型传感器次之，需360×104元，选择电化学型传感器最贵，需440.9×104元。
3.2 布线型式分析
探测器需要连接到控制器才能发挥其作用，设备之间的布线按布线型式不同，可分为多线制和总线制[3]。
多线制是指每个探测器与控制器之间都有独立的信号回路，探测器之间是相对独立的，所有探测信号对于控制器是并行输入的。这种方法又称点对点连接，也就是说，有多少个探测器就需要多少对线缆。多线制由于是点对点的传输，探测器的电路比较简单，且某一回路故障仅对该回路产生影响，因此比较适合对安全性有极高要求的场所或小型报警系统。缺点是由于每个回路都要单独从探测器到控制器布线，因此需要的材料及施工费用高，在大型系统中甚至由于需要的导管口径过大、占用空间过多而难以实施。
总线制采用2～4条导线构成总线回路，所有的探测器都并接在总线上，每只探测器都有自己的独立地址码，控制器采用串行通信的方式，按不同的地址信号访问每只探测器。也就是说，有一条称为总线的主线，其他支线(探测器)都是并联到主线上的。总线制由于采用一条总线，因此材料费用低，布线型式简单，施工难度也较小，适合大型的报警系统。缺点在于系统整体性高，总线或任意支线发生故障，整个系统可能就会瘫痪；同时由于节点众多，对传输的信号有一定干扰，信号故障率较多线制高。
3.3 辅助功能分析
探测器的辅助功能(如显示屏、状态指示灯等)是实现后期运营便利的重要手段，而对于建设初期的投入影响较小。因此在大型可燃气体探测系统中，一些辅助功能是有必要配备的。
①显示屏
随着电子技术的进步及电子元件价格的降低，越来越多的探测器配备了显示屏，有的甚至为液晶屏幕，可以按照需要显示相应参数信息及设置信息。不配备显示屏的探测器，所有的工作参数仅能够在控制器上读取，但控制器一般安装在值班室内，与探测器安装地点相距甚远，巡检中需要了解探测器地址、实时浓度等信息只有通过通信器材。在诸如管廊、较偏僻的密闭空间内，没有手机信号或无线电信号，根本无法通信。同时，探测器应定期进行现场检测及标定，不能实时读取数据也将给现场检测及标定带来不便。
②状态指示灯
大型可燃气体探测系统的探测器数量众多，对于既没有显示屏也没有状态指示灯的探测器，完全无法了解到其是否工作正常，或仅能够从控制器上得知，而在现场找点位又非常不便。即使对于具有显示屏的设备，长时间工作也会带来发热和功耗问题，一般屏幕不会常亮。另外部分探测器位置非常高，远远超过视力辨别范围，因此增设一个状态指示灯非常必要。要在不同的工作状态下显示不同的颜色，只需增加一个普通的二极管，但带来的效果是不言而喻的。当光线较暗时，在很远的地方就能及时发现该探测器是否正常工作，甚至在突发的事故状态下，通过其闪烁功能，提醒现场人员提早发现，提早撤离，避免更大的事故发生。
③红外遥控
目前采取地址拨码的产品占绝大多数，但是容易拨错，且查看点位是否正确需要开盖，很不方便；另外，很多设备的标定等均需要开盖，既不方便也不安全。如若配备红外遥控器，可以在一定距离内通过遥控器控制实现多种状态、参数的查看，同时能够对地址、调零、单位等的设置进行调整，从而给后期维护带来便捷。
④热插拔传感器
大多数传感器通过螺纹连接固定在探测器上，且不能够现场拆卸更换。由于传感器的使用寿命较短，大部分传感器失效后需要对探测器整体更换，带来投资资金、工作量的增加。部分厂家推出的智能传感器，可以实现现场的热插拔更换，且由于其内置计算芯片，可以实现现场自动初次标定调零，减小更换的工作量，也减少了更换的费用。
4、结论
在目前的技术条件下，针对燃气场所使用环境等特点，催化燃烧型探测器是大型可燃气体探测系统的首选。在布线型式方面，对于大型可燃气体探测系统，从经济性及施工便利性考虑，总线制是必然的选择，但应尽量在系统设计及施工过程中，通过合理的技术改进，规避总线制节点众多、网络复杂、高度集成等易给后期运营、维修等带来不便的缺点。同时，为了维护运营便捷，应考虑增配显示屏或状态指示灯；在资金允许的前提下，可以进一步增加红外遥控、热插拔传感器等辅助功能，在保障有效监控的同时，方便后期的维护保养工作。
参考文献
[1]张传远，于同珍，苏雪莲．常用气体报警器的工作原理、性能及应用[J]．化学分析计量，2011，20(4)：70-71．
[2]宋小坚．可燃气体传感器研究进展[J]．煤气与热力，2010，30(5)：A40-A42．
[3]于志军．火灾自动报警控制系统发展概述[J]．工程建设与设计，2007(3)：55-58．
（本文作者：张伟伟 肖华琴 黄小美 北京市优奈特燃气工程技术有限公司 北京北燃港华燃气有限公司 重庆大学城市建设与环境工程学院）
