摘 要：對(duì)可燃?xì)怏w探測(cè)器中傳感器的檢測(cè)原理、經(jīng)濟(jì)性、布線型式及探測(cè)器的輔助功能等進(jìn)行分析，提出大型燃?xì)庥脩艚ㄔO(shè)可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)時(shí)探測(cè)器的選型建議。
關(guān)鍵詞：大型燃?xì)庥脩?nbsp; 可燃?xì)怏w探測(cè)器 傳感器 選型分析
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
應(yīng)用于大型燃?xì)庥脩舻目扇細(xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)通常探測(cè)器數(shù)量眾多、監(jiān)控范圍較大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、一次性投入高、后期運(yùn)營維護(hù)任務(wù)繁重。同時(shí)，目前市場上的可燃?xì)怏w探測(cè)相關(guān)產(chǎn)品品種繁多，性能參差不齊，價(jià)格跨度較大，用戶在選擇時(shí)非常困惑。筆者曾參與了首都機(jī)場能源系統(tǒng)、中關(guān)村地下能源管廊等幾個(gè)大型用戶的可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)建設(shè)工作，這些用戶的探測(cè)器數(shù)量均在300個(gè)以上，針對(duì)其項(xiàng)目特點(diǎn)，著重對(duì)可燃?xì)怏w探測(cè)器進(jìn)行分析，有針對(duì)性地提出選型、配置、安裝布置方案，既有效地發(fā)揮其監(jiān)測(cè)功能，又減少了用戶的經(jīng)濟(jì)投入，在一定程度上保證運(yùn)營維護(hù)的方便。這幾個(gè)項(xiàng)目的探測(cè)系統(tǒng)幾年來運(yùn)營良好，后期維護(hù)便利，切實(shí)解決了用戶的后顧之憂，得到用戶的高度認(rèn)可。
2、可燃?xì)怏w探測(cè)器選型是系統(tǒng)選型的核心
2.1 可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)
可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)由4個(gè)承擔(dān)不同功能的器件組成：①探測(cè)器，是氣體濃度的監(jiān)測(cè)端，是整個(gè)系統(tǒng)的輸入端；②控制器，是探測(cè)器信號(hào)的接收端，并將接收的信號(hào)按照內(nèi)置程序進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，對(duì)不同的識(shí)別信號(hào)按照預(yù)設(shè)的邏輯編程進(jìn)行輸出，是整個(gè)系統(tǒng)的中央處理單元；③控制模塊，通過接收控制器給出的信號(hào)啟動(dòng)相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)操作，達(dá)到聯(lián)動(dòng)目的，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行端；④傳輸線路，是將所有設(shè)備聯(lián)系起來的通道。
2.2 探測(cè)器在系統(tǒng)選型中的重要性
目前，控制器、控制模塊各類產(chǎn)品基本功能較為相似，只要采用相對(duì)較好的元器件，在使用性能及壽命上均能有較好保證；傳輸線路只要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及施工規(guī)范的要求進(jìn)行，注意質(zhì)量及布置合理，在運(yùn)營中一般不會(huì)出現(xiàn)問題。對(duì)于上述設(shè)備，不同工藝及特點(diǎn)的產(chǎn)品價(jià)格較接近，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)不產(chǎn)生較大影響。
可燃?xì)怏w探測(cè)器作為整個(gè)系統(tǒng)的輸入端，是整個(gè)系統(tǒng)能否有效發(fā)揮監(jiān)控作用的關(guān)鍵因素；同時(shí)，探測(cè)器單價(jià)不低，數(shù)量眾多，且不同種類的產(chǎn)品價(jià)格跨度大，是整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)的決定因素?？傊扇?xì)怏w探測(cè)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，其選型是整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)方案選擇的核心。下面著重從可燃?xì)怏w探測(cè)器的種類、布線型式及輔助功能等方面進(jìn)行選型分析。
3、可燃?xì)怏w探測(cè)器選型分析
3.1 傳感器種類的選擇
可燃?xì)怏w探測(cè)器作為氣體濃度的監(jiān)測(cè)端，通過其內(nèi)部的氣體傳感器對(duì)現(xiàn)場環(huán)境氣體進(jìn)行不間斷地取樣分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)環(huán)境中存在被監(jiān)控氣體時(shí)，將濃度信號(hào)上傳至控制器。氣體傳感器充當(dāng)“鼻子”的功能，感知工作環(huán)境中的被監(jiān)控氣體，因此，氣體傳感器的好壞是可燃?xì)怏w探測(cè)器能否有效監(jiān)控氣體泄漏的前提。
3.1.1 傳感器檢測(cè)原理及性能比較
常用的氣體傳感器按照檢測(cè)原理主要分為4類：紅外吸收型氣體傳感器、電化學(xué)型氣體傳感器、催化燃燒型氣體傳感器和半導(dǎo)體型氣體傳感器[1-2]。
紅外吸收型氣體傳感器是基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度關(guān)系(朗伯—比爾定律)鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。通常采用一束紅外光線同時(shí)分別穿過比較室(內(nèi)裝特定氣體)與測(cè)量室(內(nèi)部流過待測(cè)氣體)，由于穿過測(cè)量室特定波長的光波被吸收，使兩束紅外光線的光強(qiáng)度產(chǎn)生差異，最后把光強(qiáng)度差異轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，檢測(cè)出氣體濃度。
電化學(xué)型氣體傳感器基于檢測(cè)氣體與電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致電極電位發(fā)生變化，而該變化值與氣體濃度成正比，從而間接得出氣體的濃度值。電化學(xué)型氣體傳感器主要有原電池型氣體傳感器和恒電位電解型氣體傳感器兩大類。
催化燃燒型氣體傳感器是利用催化燃燒的熱效應(yīng)原理，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)構(gòu)成測(cè)量電橋，在一定溫度條件下，可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，載體溫度升高，通過它內(nèi)部的鉑絲電阻也相應(yīng)升高，從而使平衡電橋失去平衡，輸出一個(gè)與可燃?xì)怏w濃度成正比的電信號(hào)。通過測(cè)量鉑絲電阻的變化，可以知道可燃?xì)怏w的濃度。
半導(dǎo)體型氣體傳感器以金屬氧化物半導(dǎo)體型為主，其利用被測(cè)氣體的吸附作用，改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通過電流變化的比較得出氣體的濃度。由于半導(dǎo)體型氣體傳感器的檢測(cè)范圍窄(一般能檢測(cè)的體積分?jǐn)?shù)為0～0.012)，且濃度變化與電阻變化的線性關(guān)系差，從而導(dǎo)致寬量程的測(cè)量不準(zhǔn)確。因此其基本用于民用市場。
4種傳感器的性能比較見表l [1]。
3.1.2 傳感器選型技術(shù)分析
從表l可知，對(duì)于大型燃?xì)庥脩魣?bào)警器的傳感器選型，在技術(shù)方面，紅外吸收型優(yōu)于電化學(xué)型，電化學(xué)型優(yōu)于催化燃燒型，不適合選擇半導(dǎo)體型。
對(duì)于使用環(huán)境，燃?xì)膺\(yùn)營場所有其自身的特點(diǎn)。一般來講，燃?xì)夤艿澜?jīng)過的管廊環(huán)境或敷設(shè)區(qū)域環(huán)境相對(duì)比較穩(wěn)定，極少出現(xiàn)高溫、高濕或大風(fēng)大雨等惡劣天氣；并且，按照燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范要求，管道所處區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，同類型燃料氣體的干擾源幾乎沒有；另外，天然氣的爆炸下限是5％(體積分?jǐn)?shù))，相關(guān)規(guī)范要求體積分?jǐn)?shù)為l％時(shí)需要開啟風(fēng)機(jī)，體積分?jǐn)?shù)為2.5％時(shí)需要切斷氣源，這樣的要求相對(duì)寬泛。從這些特點(diǎn)可以看出，在天然氣的使用場所內(nèi)，一般性能的產(chǎn)品即可滿足監(jiān)控的要求，因此，上述傳感器除半導(dǎo)體型外均能滿足。
3.1.3 傳感器選型經(jīng)濟(jì)性分析
目前市場上基于各類傳感器的探測(cè)器數(shù)量眾多，價(jià)格水平及廠家宣稱的壽命也存在一定差異。我們通過對(duì)北京市場內(nèi)主流廠家的探測(cè)器市場報(bào)價(jià)及使用壽命進(jìn)行平均，得到表2。
大型燃?xì)庥脩舻娜細(xì)庠O(shè)備有較長的使用周期，用戶在傳感器上的花費(fèi)主要包括初始投資、傳感器使用壽命內(nèi)的檢測(cè)標(biāo)定費(fèi)用、傳感器達(dá)到使用壽命后的更換費(fèi)用。檢測(cè)標(biāo)定費(fèi)用主要由標(biāo)準(zhǔn)樣氣成本與人工成本構(gòu)成，對(duì)應(yīng)不同類型傳感器的該項(xiàng)費(fèi)用是相同的。因此，傳感器選型經(jīng)濟(jì)性分析應(yīng)側(cè)重于一段使用周期內(nèi)初始投資和傳感器達(dá)到使用壽命后的更換費(fèi)用。
對(duì)于傳感器選型的經(jīng)濟(jì)性分析，由于簡單的算術(shù)平均未考慮資金的時(shí)間成本，因此不合理。資金的時(shí)間成本是指未用于系統(tǒng)建設(shè)的當(dāng)期資金用于其他生產(chǎn)而產(chǎn)生的效益。我們應(yīng)該測(cè)算一段周期內(nèi)的初始投資和更換的費(fèi)用以及資金的時(shí)間成本。
假設(shè)某企業(yè)有一筆自有資金打算用于建設(shè)可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)，且該筆資金可以滿足該系統(tǒng)8年的使用期限，一次用不完的資金可以用于其他生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生效益，利潤率為l2％。系統(tǒng)擬配置300個(gè)探測(cè)器，控制器及控制模塊若干，則可以計(jì)算出采用不同傳感器需準(zhǔn)備的探測(cè)器資金。計(jì)算過程如下：
①選擇紅外吸收型傳感器，由于該型探測(cè)器壽命為8a，因此只需一次投資，則：
X=CB
式中X——用于系統(tǒng)探測(cè)器8年使用期限的初期準(zhǔn)備資金，元
C——探測(cè)器數(shù)量，個(gè)
B——每個(gè)探測(cè)器的價(jià)格，元／個(gè)
計(jì)算得出X=360×104元。
②選擇電化學(xué)型傳感器，由于該型探測(cè)器壽命為2a，8年使用期內(nèi)需更換3次，則有：
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年購買探測(cè)器后的剩余資金，元
A——300個(gè)擬選探測(cè)器總價(jià)，元
Y2——第3年探測(cè)器全部更換后的剩余資金，元
i——利潤率
Y3——第5年探測(cè)器全部更換后的剩余資金，元
第7年初要求資金至少為4，則有下列等式：
{[(X-A)(1+i)2-A](1+i)2-A}·(1+i)2=A
計(jì)算得出X=440.9×104元。
③選擇催化燃燒型傳感器，由于該型探測(cè)器壽命為2a，計(jì)算方法與電化學(xué)型探測(cè)器相同，計(jì)算得出X=264.5×104元。
從上述結(jié)果可以看出，用于系統(tǒng)探測(cè)器8年使用期限的初期準(zhǔn)備資金，選擇催化燃燒型傳感器最少，僅需264.5×104元，選擇紅外吸收型傳感器次之，需360×104元，選擇電化學(xué)型傳感器最貴，需440.9×104元。
3.2 布線型式分析
探測(cè)器需要連接到控制器才能發(fā)揮其作用，設(shè)備之間的布線按布線型式不同，可分為多線制和總線制[3]。
多線制是指每個(gè)探測(cè)器與控制器之間都有獨(dú)立的信號(hào)回路，探測(cè)器之間是相對(duì)獨(dú)立的，所有探測(cè)信號(hào)對(duì)于控制器是并行輸入的。這種方法又稱點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，也就是說，有多少個(gè)探測(cè)器就需要多少對(duì)線纜。多線制由于是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，探測(cè)器的電路比較簡單，且某一回路故障僅對(duì)該回路產(chǎn)生影響，因此比較適合對(duì)安全性有極高要求的場所或小型報(bào)警系統(tǒng)。缺點(diǎn)是由于每個(gè)回路都要單獨(dú)從探測(cè)器到控制器布線，因此需要的材料及施工費(fèi)用高，在大型系統(tǒng)中甚至由于需要的導(dǎo)管口徑過大、占用空間過多而難以實(shí)施。
總線制采用2～4條導(dǎo)線構(gòu)成總線回路，所有的探測(cè)器都并接在總線上，每只探測(cè)器都有自己的獨(dú)立地址碼，控制器采用串行通信的方式，按不同的地址信號(hào)訪問每只探測(cè)器。也就是說，有一條稱為總線的主線，其他支線(探測(cè)器)都是并聯(lián)到主線上的?？偩€制由于采用一條總線，因此材料費(fèi)用低，布線型式簡單，施工難度也較小，適合大型的報(bào)警系統(tǒng)。缺點(diǎn)在于系統(tǒng)整體性高，總線或任意支線發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)可能就會(huì)癱瘓；同時(shí)由于節(jié)點(diǎn)眾多，對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)有一定干擾，信號(hào)故障率較多線制高。
3.3 輔助功能分析
探測(cè)器的輔助功能(如顯示屏、狀態(tài)指示燈等)是實(shí)現(xiàn)后期運(yùn)營便利的重要手段，而對(duì)于建設(shè)初期的投入影響較小。因此在大型可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)中，一些輔助功能是有必要配備的。
①顯示屏
隨著電子技術(shù)的進(jìn)步及電子元件價(jià)格的降低，越來越多的探測(cè)器配備了顯示屏，有的甚至為液晶屏幕，可以按照需要顯示相應(yīng)參數(shù)信息及設(shè)置信息。不配備顯示屏的探測(cè)器，所有的工作參數(shù)僅能夠在控制器上讀取，但控制器一般安裝在值班室內(nèi)，與探測(cè)器安裝地點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)，巡檢中需要了解探測(cè)器地址、實(shí)時(shí)濃度等信息只有通過通信器材。在諸如管廊、較偏僻的密閉空間內(nèi)，沒有手機(jī)信號(hào)或無線電信號(hào)，根本無法通信。同時(shí)，探測(cè)器應(yīng)定期進(jìn)行現(xiàn)場檢測(cè)及標(biāo)定，不能實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)也將給現(xiàn)場檢測(cè)及標(biāo)定帶來不便。
②狀態(tài)指示燈
大型可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器數(shù)量眾多，對(duì)于既沒有顯示屏也沒有狀態(tài)指示燈的探測(cè)器，完全無法了解到其是否工作正常，或僅能夠從控制器上得知，而在現(xiàn)場找點(diǎn)位又非常不便。即使對(duì)于具有顯示屏的設(shè)備，長時(shí)間工作也會(huì)帶來發(fā)熱和功耗問題，一般屏幕不會(huì)常亮。另外部分探測(cè)器位置非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過視力辨別范圍，因此增設(shè)一個(gè)狀態(tài)指示燈非常必要。要在不同的工作狀態(tài)下顯示不同的顏色，只需增加一個(gè)普通的二極管，但帶來的效果是不言而喻的。當(dāng)光線較暗時(shí)，在很遠(yuǎn)的地方就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該探測(cè)器是否正常工作，甚至在突發(fā)的事故狀態(tài)下，通過其閃爍功能，提醒現(xiàn)場人員提早發(fā)現(xiàn)，提早撤離，避免更大的事故發(fā)生。
③紅外遙控
目前采取地址撥碼的產(chǎn)品占絕大多數(shù)，但是容易撥錯(cuò)，且查看點(diǎn)位是否正確需要開蓋，很不方便；另外，很多設(shè)備的標(biāo)定等均需要開蓋，既不方便也不安全。如若配備紅外遙控器，可以在一定距離內(nèi)通過遙控器控制實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)、參數(shù)的查看，同時(shí)能夠?qū)Φ刂?、調(diào)零、單位等的設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，從而給后期維護(hù)帶來便捷。
④熱插拔傳感器
大多數(shù)傳感器通過螺紋連接固定在探測(cè)器上，且不能夠現(xiàn)場拆卸更換。由于傳感器的使用壽命較短，大部分傳感器失效后需要對(duì)探測(cè)器整體更換，帶來投資資金、工作量的增加。部分廠家推出的智能傳感器，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的熱插拔更換，且由于其內(nèi)置計(jì)算芯片，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自動(dòng)初次標(biāo)定調(diào)零，減小更換的工作量，也減少了更換的費(fèi)用。
4、結(jié)論
在目前的技術(shù)條件下，針對(duì)燃?xì)鈭鏊褂铆h(huán)境等特點(diǎn)，催化燃燒型探測(cè)器是大型可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)的首選。在布線型式方面，對(duì)于大型可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)，從經(jīng)濟(jì)性及施工便利性考慮，總線制是必然的選擇，但應(yīng)盡量在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工過程中，通過合理的技術(shù)改進(jìn)，規(guī)避總線制節(jié)點(diǎn)眾多、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、高度集成等易給后期運(yùn)營、維修等帶來不便的缺點(diǎn)。同時(shí)，為了維護(hù)運(yùn)營便捷，應(yīng)考慮增配顯示屏或狀態(tài)指示燈；在資金允許的前提下，可以進(jìn)一步增加紅外遙控、熱插拔傳感器等輔助功能，在保障有效監(jiān)控的同時(shí)，方便后期的維護(hù)保養(yǎng)工作。
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（本文作者：張偉偉 肖華琴 黃小美 北京市優(yōu)奈特燃?xì)夤こ碳夹g(shù)有限公司 北京北燃港華燃?xì)庥邢薰?nbsp; 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院）
