可快速替換催化燃燒原理的紅外氣體傳感器

　　將紅外氣體傳感器應(yīng)用在現(xiàn)有的催化燃燒原理氣體檢測儀上，快速替換催化燃燒原理傳感器，使氣體檢測設(shè)備廠家迅速得到換代升級產(chǎn)品，完成從催化燃燒原理到紅外檢測原理的轉(zhuǎn)變，向用戶提供高穩(wěn)定性、抗干擾能力強、長壽命的紅外檢測原理高端產(chǎn)品。Dynament非色散紅外傳感器的推出將轉(zhuǎn)變可燃性氣體和CO2 檢測的價值觀念并整體提高檢測水平。

　　檢測可燃性氣體的傳感器有催化燃燒和紅外吸收兩種原理，各生產(chǎn)廠家通常使用催化燃燒原理的傳感器，而很少使用價格較高，穩(wěn)定性更好，準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強，適用惡劣環(huán)境、維護少、壽命長的紅外檢測原理傳感器。紅外檢測原理傳感器一般被視為檢測可燃性氣體的高端產(chǎn)品。但由于價格方面的因素，在實際應(yīng)用中很難替代催化燃燒原理傳感器的檢測儀，并得以推廣。

　　可燃性氣體的檢測原理

　　催化燃燒原理傳感器包括一個惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，電橋測量橋（鉑金絲電橋）上涂有催化劑。測量時，在參比和測量電橋上施加電壓使之加熱從而發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，溫度大約是500℃或者更高。正常情況下，電橋是平衡的，V1=V2，輸出為零。如果有可燃?xì)怏w存在，它的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生熱量，電橋溫度升高、電阻發(fā)生變化，而參比橋不變。兩個電橋之間產(chǎn)生壓差，輸出一個電壓信號，這個信號值同被測氣體的濃度成正比。

　　催化燃燒原理傳感器對大部分可燃性氣體都產(chǎn)生反應(yīng)，它檢測的可燃?xì)鉂舛戎凳黔h(huán)境中各種可燃?xì)鉂舛鹊木C合值，同時這個燃燒反應(yīng)是一個需要有氧氣參加的反應(yīng)，即被檢測環(huán)境中的氧氣含量不能太低，當(dāng)氧氣含量低于16％時它的檢測值就會偏低。另一個因素是當(dāng)環(huán)境中存在含硅、氯、硫的化合物時，傳感器會發(fā)生中毒現(xiàn)象，使檢測的靈敏度嚴(yán)重降低甚至造成傳感器失效。

　　這種原理傳感器設(shè)計和制造相對簡單，因而價格較低，不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品價格從幾十元到幾百元，進口傳感器每只也僅1000元左右。但傳感器的穩(wěn)定性較差，它只能檢測低于爆炸下限的可燃?xì)鉂舛?，氣體濃度過高或長時間接觸低濃度氣體都會造成傳感器的靈敏度大幅度下降或損壞，正常情況下每半年須用標(biāo)準(zhǔn)氣體對傳感器進行一次校準(zhǔn)（在特殊環(huán)境中，如中國的煤礦經(jīng)常存在較低濃度的可燃?xì)猓瑐鞲衅黜毭?周校準(zhǔn)測試一次）。

　　紅外吸收原理檢測器是利用比耳－朗格紅外吸收定律，即不同氣體對特定波長的光有吸收，吸收的強度和氣體的濃度成正比。

　　這種紅外原理檢測器包括紅外光源發(fā)射和紅外光線接收兩部分以及外圍處理電路，各個生產(chǎn)廠家的設(shè)計思路不同，有對射式（一個發(fā)射和一個接收兩個部件）和反射式（通過光學(xué)反射鏡將發(fā)射出去的光線反射回來在同一個部件中）兩種方式。

　　傳統(tǒng)的紅外原理檢測器之所以不能稱為“傳感器”的原因就是，他們的檢測元件不是一個模塊或者說不能成為單獨的一個部分，它們的發(fā)射和接收或反射不是在同一個模塊內(nèi)組成的，而是分成不同的部分，一般體積都較大。因為紅外吸收的是特定波長的光線，對光源或分光部件、光源的強度、穩(wěn)定性的要求都很高，反射、接收部分也是要求極高的光學(xué)部件，因此價格一般都較為昂貴，所以使用和推廣在很大程度上受到限制。而且光學(xué)部件會被環(huán)境中的灰塵覆蓋，使透光或反射的強度降低，造成檢測器的故障報警，成為這種檢測器的一大缺陷。

　　非色散紅外原理NDIR（NonDispersiveInfrared）傳感器是最近幾年才面世的一種新技術(shù)。它大大降低了利用紅外原理檢測可燃性氣體和CO2氣體的成本，也使紅外原理檢測儀在檢測可燃性氣體領(lǐng)域的推廣成為可能，而且是今后實際應(yīng)用的一個趨勢和方向。

　　這里我們稱之為傳感器，是因為它的體積很小，功能穩(wěn)定，完全是一個可插拔的模塊。

　　非色散紅外原理是應(yīng)用濾光片把紅外光分成所需要的一個很小波段的光譜線，被檢測的氣體對這個很小波段的光譜線吸收。這樣的傳感器一般包括：一個紅外發(fā)射光源、光通路（吸收區(qū)）、2個濾光片分光（1個檢測被測氣體需要的光譜波段、另1個作為不被被測氣體吸收的參比光譜波段）和接收轉(zhuǎn)換器幾個部分。

　　英國Dynament公司研發(fā)的最新型非色散紅外傳感器運用了非色散紅外技術(shù)，通過濾光片得到所需要的波段。非色散紅外傳感器改變了傳統(tǒng)紅外檢測器的結(jié)構(gòu)，它不再使用單獨的光學(xué)部件，也沒有單獨的發(fā)射和接收部分，大大縮小了檢測儀的體積。非色散紅外傳感器除保持了穩(wěn)定性、抗干擾性和長壽命等優(yōu)點外，其獨特的結(jié)構(gòu)還避免了粉塵對檢測的影響。

　　受價格因素的影響，目前檢測可燃性氣體的檢測儀大部分仍采用催化燃燒原理，與紅外原理檢測儀比較，其優(yōu)勢非常明顯（見表1）。

　　研發(fā)生產(chǎn)一種具有全部上述優(yōu)點的紅外原理可燃?xì)怏w檢測儀，而且又具備競爭性價格，成為氣體檢測儀表廠家的一個夢想。這也是英國Dynament公司推廣使用非色散紅外原理傳感器的目的，它具有很高的性價比，對用戶的要求低，即在原生產(chǎn)的檢測儀的電路上稍加改動就完全把自己的產(chǎn)品更新成先進的氣體檢測儀表，更好的為企業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

　　非色散紅外原理傳感器的技術(shù)難題

　　濾光片是非色散紅外原理傳感器中的主要部件，由幾十層晶體結(jié)構(gòu)組成，它的性能穩(wěn)定性決定了整個傳感器檢測的穩(wěn)定性。這種晶體結(jié)構(gòu)的濾光片受溫度的影響很大，所以處理好濾光片受溫度影響的特性決定了傳感器的質(zhì)量。研發(fā)技術(shù)人員通常使用溫度補償功能來解決濾光片受溫度影響的問題，因而傳感器的溫度補償功能成為研發(fā)、生產(chǎn)氣體檢測儀不可缺少的重要環(huán)節(jié)。由于每個紅外傳感器的晶體結(jié)構(gòu)的濾光片受溫度變化影響的程度不同，如何做好溫度補償功能成為研發(fā)技術(shù)人員的一大難題。

　　圖2所示，紅外傳感器晶體結(jié)構(gòu)濾光片的溫度補償功能是傳感器能否輸出穩(wěn)定信號的保證。每個晶體結(jié)構(gòu)的濾光片的溫度特性都有差異，所以不能按同一溫度特性對不同的濾光片進行相同的溫度特性補償，只有專業(yè)技術(shù)人員通過詳細(xì)的性能檢測才能確定完成。但是由于溫度特性檢測是針對每一個濾光片進行的，很多的專業(yè)生產(chǎn)廠家不能自己完成。目前有些生產(chǎn)紅外傳感器的廠家在傳感器上為用戶提供一個溫度傳感器信號和一個氣體檢測傳感器信號，用戶須自己做溫度補償電路、處理溫度傳感器提供的信號以及對氣體檢測傳感器的濾光片進行溫度補償。這樣的溫度補償對用戶仍然是一種挑戰(zhàn)，即使技術(shù)力量很好的用戶也很難做出性能穩(wěn)定的檢測儀表，這也成為很多生產(chǎn)氣體檢測儀的廠家對生產(chǎn)自己的紅外檢測儀望而卻步的原因。

　　這里我們要介紹的就是自身具有了這種溫度補償功能的非色散紅外原理檢測傳感器，英國Dynament公司生產(chǎn)的Premier傳感器，將為更多希望擁有紅外檢測原理的氣體檢測生產(chǎn)廠家提供可能。

　　快速替換催化燃燒傳感器

　　英國科學(xué)家針對非色散紅外檢測傳感器晶體結(jié)構(gòu)濾光片性能穩(wěn)定的技術(shù)難題進行了長達5年多的研究，參與研發(fā)試驗的人員包括化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等眾多技術(shù)專家，終于在2006年將一個革命性的產(chǎn)品呈現(xiàn)在世人面前，并且用實驗室大樓的名字為這一產(chǎn)品命名——Premier。

　　Premier傳感器將溫度補償部分包括在了自身之內(nèi)。圖3形象的說明Premier傳感器的輸出信號已經(jīng)得到了溫度補償，傳感器的輸出信號是一個標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用電壓信號，完全達到穩(wěn)定、可靠并且不受環(huán)境溫度變化的影響。專業(yè)氣體檢測儀表生產(chǎn)廠家只需進行信號的處理放大和轉(zhuǎn)換即可完成自身儀表的設(shè)計。 Premier傳感器還有一種類似于催化燃燒元件電橋形式的型號，直接用于原來催化燃燒檢測儀的電路中，即用Premier傳感器直接取代催化燃燒元件的傳感器。

　　Premier傳感器輸出結(jié)構(gòu)簡單，分5插針和3插針兩種，它們分別是正、負(fù)供電極、信號輸出極和2個RS232數(shù)字通訊輸出極（圖4）。

　　Premier傳感器采用的電壓為3～5VDC直流供電方式，通電后需要大約1min的預(yù)熱過程，然后正常工作，并輸出一個穩(wěn)定的電壓信號供用戶使用。當(dāng)有可燃性氣體存在時，傳感器輸出與可燃性氣體濃度成正比的電壓信號。用戶的儀表接收、處理此電壓信號并顯示數(shù)字信號表示氣體的濃度值。RS232數(shù)字通信的輸出為用戶直接使用數(shù)字電路提供更大的方便。

　　Premier傳感器投入市場后，立即得到了世界知名氣體檢測廠家的青睞，短短1年的時間已有上萬只Premier傳感器運用到了氣體檢測儀器中，并且在實際運行中得到了檢驗，被公認(rèn)為是一種高性能、穩(wěn)定、可靠的傳感器產(chǎn)品。更重要的是Premier傳感器大大縮短了氣體檢測儀表的研發(fā)周期，使新型號檢測儀表得以快速投放市場，并且以其卓越的性能贏得用戶的認(rèn)可。

　　Premier傳感器的應(yīng)用

　　在石油、石化、化工和煤礦等領(lǐng)域，數(shù)以萬計的可燃?xì)怏w檢測儀（包括便攜或固定安裝型式）在生產(chǎn)中起著安全監(jiān)控的作用。檢測儀的性能和質(zhì)量是安全監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，而傳感器是檢測儀的核心。因此傳感器的可靠性、穩(wěn)定性以及維護成本必須是用戶在選型時需要考慮的重要問題，以達到安全監(jiān)控的目的。近年來隨著安全觀念和重視程度的不斷提高，廣大工業(yè)用戶對氣體檢測產(chǎn)品的要求也在不斷提高，在中國已有不少具有很高技術(shù)能力的氣體檢測廠家應(yīng)運而生，眾多的優(yōu)質(zhì)品牌已得到廣大用戶的認(rèn)可。但是紅外原理氣體檢測儀表仍然是國產(chǎn)氣體檢測產(chǎn)品的空白，其原因是西方國家對高質(zhì)量的晶體濾光片的限制，而國內(nèi)的技術(shù)水平還不能達到生產(chǎn)出高質(zhì)量的、價格合理的紅外檢測傳感器。2008年英國Dynament公司開始向中國提供成型的Premier迷你型高質(zhì)量紅外傳感器，這一產(chǎn)品的到來將改變中國氣體檢測產(chǎn)品的技術(shù)水平和生產(chǎn)水平。相信在不久的將來，中國氣體檢測產(chǎn)品廠家會向廣大用戶提供高質(zhì)量的紅外原理檢測產(chǎn)品，而且具有極高的性價比，中國的安全監(jiān)控的水平也會相應(yīng)得到整體的提高。