了解气体探测器已从“点式”走向“线式,面式
关键词:点型气体探测器;线型气体探测器;面型气体探测器;

近年来,工业的发展和进步,使得易燃易爆,有毒气体的种类和使用范围大大增加,这些气体在生产,运输等的过程中,一旦发生泄漏,造成的损失是不可估量的,因此,及时可靠地探测空气中是否存在危险气体的泄漏是非常必要的.

传统的气体探测器,通常采用半导体,催化和电化学等原理的传感器[1],这类探测器为点型气体探测器,如图1所示,它检测的是探测器周围小范围区域内的气体浓度.在实际应用中,会发现这类传感器存在不足,例如,寿命短,易中毒,灵敏度低,响应慢,抗气体交叉干扰能力差等,特别是其保护面积小,通常可燃气体探测器在室外是每隔30米安装一只,即保护半径是15米;封闭和半封闭的室内场所是15米间距安装一只,即保护半径是7.5米[2].因此该类探测器只适用于在重点位置安装.

为了克服点型气体探测器的缺点,人们一直在寻找更好的气体检测方法,这也成为国内外研究人员的一个重要研究课题.

图1 点型气体探测器图片
1 线型气体探测器
1987年,西格有限公司（现称的HoneywellAnalytics）,生产出第一台线型开放路径可燃气体探测器,被称为Searchline,开创了气体探测的新纪元.随后,国内外企业先后开始研发线型气体探测器,目前,河南汉威电子股份有限公司也已研发出线型气体探测器OPGD1000,并成功推向市场.同时,国内相关单位也发布了国家标准来规范线型气体探测器的生产和使用.

1.1 构成方式
线型气体探测器构成方式有两种,对射式和反射式.
对射式线型气体探测器通常由发射端和接收端组成,发射端和接收端分别安装在检测区域的两端,经对准调节,使发射端发出的光线被接收端接收后,才能实现对该区域的监测,如图2所示.

图2 对射式线型气体探测器示意图
反射式的线型气体探测器通常由收发装置和反射板组成.这类探测器将发射光学系统和接收光学系统集成在一个装置内,有效地降低了成本.反射板,通常为角反射镜,它可以实现出射光光轴与入射光光轴平行,并且与入射角的变化无关[3],如图3所示.

图3 反射式线型气体探测器示意图
1.2 基本原理
基本原理是基于气体对红外线光束的共振吸收,每一种气体都有固定的吸收光谱,当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时,就会发生共振吸收,吸收关系符合朗伯-比尔定律,吸收强度的变化取决于被测气体的浓度,通过测量光的吸收强度就可以得到气体的浓度.线型气体探测器的发射端发出的一束红外光,经被测空间气体吸收后,由接收端接收处理,就可以得到被测空间的气体浓度.

根据线型气体探测器采用的光源的不同,分为线型红外气体探测器和线型激光气体探测器.线型红外气体探测器采用的光源为高亮度的氙闪灯,代表的产品有霍尼韦尔searchline Excel、梅思安xenon800、德尔格Polytron Pulsar等.这类探测器由于使用的氙闪灯,光谱范围宽,例如可燃气体一般利用的波段为3～4um,这个波段对含有C-H键的气体均有吸收,所以测量时,无法区分是何种气体泄漏,同时也特别容易受水汽的干扰,给应用带来不便.而另外一种线型激光气体探测器就有效地克服了上述缺点,采用的激光光源,波长纯度高,选择性好,只对单一气体反应,可有效排除其他气体和水汽的干扰,代表的产品有Senscient公司的ELDS1000,河南汉威电子股份有限公司的OPGD1000.
1.3线型气体探测器的优势
线型气体探测器相对于传统的点型气体探测器有其独特的优点,具有如下:
（1）覆盖区域广
一般传统的点型气体探测器最大的检测范围是室外半径15米范围内,室外半径为7米,而线型气体探测器可以达到5～200米,比较适合大面积区域的监控,如图4所示.

图4 线型气体探测器与点型气体探测器安装示意图
（2）响应速度快
目前的线型气体探测器一般采用的是红外光谱吸收的原理,相对于传统点型气体探测器采用的催化燃烧,电化学等原理,响应速度快很多.
（3）对探测器安装位置没有要求
线型气体探测器检测的是线型开放的区域,其安装位置有一定的灵活性,不会成为影响气体检测质量的重要因素.
（4）可指示危险区域的大小
线型气体探测器检测的是线型路径上的气体的积分浓度,输出的单位为%LEL.M或者PPM.M,其不仅指示了气团的浓度,还显示了危害范围的大小,有利于检测者判断当前的危险程度,从而采取有效的防治措施.

2 面型气体探测器
科学技术的进步和工业自动化水平的提高,促进了人们对气体探测器多功能,高效率的需求越来越迫切.线型气体探测器虽然有其一系列优点,但是其一旦安装好之后,就只能检测发射端和接收端之间线型路径上的气体泄漏,无法满足人们更大面积,高效率的检测要求.因此,科研人员逐渐研发出了遥测气体检测仪,通过扫描,实现对一个面型区域的气体检测,是面型气体探测器的代表.
2.1 构成方式
面型气体探测器主要有三种,手持扫描式,自动扫描式和红外气体成像仪.
手持扫描式气体探测器主要通过人工携带遥测气体检测仪,对需要检测的区域进行扫描,得到气体泄漏情况.因为其不需要将探测器处于泄漏气团中,所以可以实现检测人员无法到达的地方.
自动扫描式气体探测器是将遥测气体检测仪安装在自动扫描的设备上,如三维数控扫描云台.通过控制自动扫描设备,设计合理的扫描路径,就可以检测一个面型区域的气体泄漏情况[4],如图5所示.其可以固定于一点进行区域监测,也可以安装于车顶进行车载巡检.

图5 自动扫描式气体探测器检测示意图
红外气体成像仪将成像技术和光谱技术相结合,可极大提高目标探测的准确性,是目前国际上探测气体泄漏的先进技术手段,红外气体热像仪扫描覆盖区域广,可迅捷地探测到传统测量工具难以触及的区域.在红外图像上,泄漏气团会显示为一缕烟雾,将无形变为有形,更加直观方便.河南汉威电子股份有限公司已经研制出了红外甲烷气体成像仪,如图6所示,该成像仪可探测微小的天然气泄漏,是扫描输气管道、定位泄漏点、确保住宅区用户生命安全的理想探测工具.

图6 红外甲烷气体成像仪
2.2 基本原理
遥测气体检测仪,也称作无合作对象气体检测仪,它不同于反射式的线型气体探测器的是其无需反射板,而是利用地表,墙体,管道等表面.基本原理也是基于气体对红外线光束的吸收,如图7所示,类似一个大的手电筒,激光束由检测仪发出,穿越管道或设施上方空间,射到背景反射物（如墙,树或柱子等）上后部分被反射,检测仪内置的接收透镜将反射回来的光线汇聚到光电探测器,由微处理器进行分析处理,就可以得到该区域内的气体泄漏情况.不同于一般的检测仪,其不需要将探头置于危险气体的环境中,在远处对气体泄漏源的地方进行扫描,就可以发现泄漏源.

图7 遥测气体检测仪原理示意图
2.3面型气体探测器的优势
面型气体探测器相较于点型和线型气体探测器也有其独特的优势:

（1）可以准确快速定位危险气体泄漏源
传统的确定气体泄漏源的方法,是检测人员拿着便携式气体探测器进行人工巡检,有可能人工还没有找到泄漏点,就已经被危险气体伤害了.而面型气体探测器由于其特有的检测方式,在远处就可以快速定位气体泄漏源,不仅保护了巡检人员的安全,同时也能快速的定位气体泄漏源.

（2）可实现大面积区域性的实时监测
面型气体探测器不需要特定的合作对象,因此可以进行扫描,实现大面积区域性的实时监测.

（3）效率高
面型气体探测器采用了光学技术,实现了远距离遥测,不仅可以检测人员无法到达的地方,提高人员的巡检效率.同时,它不同于点型和线型气体探测器,只能检测某一点周围或者某一线型区域的气体泄漏情况,其可以通过扫描,检测一个大的面型区域的气体泄漏情况,有效的提高检测效率,降低检测成本.3 应用
虽然相对于点型气体探测器,线型和面型气体探测器有很多独特的优势,但是由于其采用的技术难度较高,选择的器件比较昂贵等原因,市面上线型和面型气体探测器售价比较昂贵,一般在几万到几十万之间,给实际应用带来了困难.而点型气体探测器由于其固有的缺点,如果单一使用点型气体探测器,则无法保证监控区域中的全区域监测,有可能造成安全隐患.

基于上述原因,我们提出了一种新的应用方法,将点线面三种气体探测器结合使用,这样,既保证了监测区域的安全,同时也降低了检测成本,是一套更为理想和完善的气体检测系统.河南汉威电子股份有限公司已经掌握了点线面型全套的气体探测技术,虽然有些距离实际应用还有一段距离,但对打破国际市场垄断,提高我国气体泄漏探测的技术水平具有重要意义.

4结语
政府政策法规的发布和人们安全意识的提高,促使了气体探测器的使用越来越普遍,并且逐渐成为一种趋势.每种不同的气体探测器都有其独特的优势,在使用过程中,应该根据具体使用场所和要求合理选用不同类型的气体探测器,搭配合理的设计,才能使气体探测器充分发挥作用,更好地保证检测区域人们的生命和财产的安全