火災(zāi)氣體探測器

PAGEPAGE186第五章氣體探測器傳統(tǒng)感煙、感溫火災(zāi)探測器在火災(zāi)探測中起到了重要的作用，而且也在不斷發(fā)展完善，但是還并不能讓人滿意。它們本質(zhì)上以火災(zāi)的煙霧濃度和溫度等物理特性作為測量的對象，而燃燒的材料種類、燃燒狀況、灰塵、水汽和熱源等很多因素都會顯著的影響到這些參數(shù)，從而影響了常規(guī)探測器的可靠性，使之容易產(chǎn)生誤報，甚至對特定的火災(zāi)不響應(yīng)。例如，針對溫升的探測器對陰燃火沒有響應(yīng)，某些感煙探測器對酒精火等也沒有響應(yīng)等等。石油聯(lián)合企業(yè)、煤礦、化學(xué)工廠等單位不斷發(fā)生氣體泄漏、爆炸事故、引發(fā)火災(zāi)，大氣污染日趨嚴(yán)重，普通家庭也常有氣體中毒事故。為了防止氣體事故發(fā)生，對CH4等爆炸性氣體的檢測與控制勢在必行，因而需要研制檢測氣體的傳感器和研究各類氣體的檢測方法。絕大多數(shù)液體或固體材料在燃燒初期，都產(chǎn)生CO、CO2等標(biāo)志性氣體，因而通過探測CO、CO2等火災(zāi)氣體產(chǎn)物，可以實現(xiàn)早期火災(zāi)探測。由于在正常情況下，環(huán)境中的CO背景干擾性氣體較少，因此相對于感煙、感溫探測器，火災(zāi)氣體探測器的環(huán)境影響因素大大減小。氣體探測技術(shù)比感溫感煙的技術(shù)要復(fù)雜且昂貴，因此氣體探測一直處于可望而不可及的境地。國外從30年代開始研究開發(fā)氣體傳感器，早期氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報警，后來火災(zāi)領(lǐng)域的研究人員開始借助這些技術(shù)來檢測火災(zāi)中產(chǎn)生的各種氣態(tài)產(chǎn)物。近年來，由于氣體傳感技術(shù)有了長足進(jìn)步，氣體探測技術(shù)正面臨著一個蓬勃的發(fā)展時期。在AUBE’99和AUBE’01火災(zāi)自動探測國際學(xué)術(shù)討論會上，有多篇論文涉及氣體探測，其中主要是CO氣體探測以及煙溫氣復(fù)合探測技術(shù)。第一節(jié)可燃?xì)怏w和火災(zāi)中的氣體產(chǎn)物一、可燃?xì)怏w在石油、煤礦、化工廠等企業(yè)單位，油氣泄漏使環(huán)境中存在易燃易爆氣體，居民家庭煤氣、液化氣泄漏也偶有發(fā)生，容易引起火災(zāi)爆炸事故，給生產(chǎn)生活帶來很大的威脅。為了防止爆炸的發(fā)生，需對易燃易爆氣體的濃度進(jìn)行檢測，以便濃度超標(biāo)時及時采取措施。在生產(chǎn)過程中，可燃?xì)怏w泄出可能使工作場所的新鮮空氣逐漸被取代，以致于全部被可燃?xì)怏w充滿。在圖5-1中，根據(jù)空氣與可燃性氣體混合氣體的比例，將可燃性氣體的濃度分成三個區(qū)域：低于最低爆炸極限LEL（LowerExplosiveLimit）的欠量區(qū)；最低爆炸極限LEL與最高爆炸極限UEL（UpperExplosiveLimit）之間的爆炸區(qū)；高于最高爆炸極限的富量區(qū)。圖5-1可燃性氣體與空氣混合燃燒爆炸的三個區(qū)域欠量區(qū)：空氣混合氣體中可燃性氣體的濃度從0到LEL這個區(qū)域中，由于可燃性氣體的濃度比較低，此時即使具備足夠的點燃能量，也不會產(chǎn)生爆炸；爆炸區(qū)：上述混合氣體中可燃性氣體的濃度處于LEL及UEL之間這個區(qū)域中，只要具備足夠的點燃能量，就必然產(chǎn)生爆炸；富量區(qū)：如上述混合氣體中可燃性氣體的濃度高于UEL，此時，由于空氣（實際是氧氣）含量過低，因此也不具備爆炸條件，但是當(dāng)外來空氣的不斷補入時，又將返回“爆炸區(qū)”，因此，“富量區(qū)”的混合氣體也是十分危險的。常見各種可燃?xì)怏w的爆炸界限見表5-1。表5-1可燃?xì)怏w的爆炸界限物質(zhì)名稱分子式爆炸界限爆炸等級下限%上限%城市煤氣5.0

2液化石油氣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環(huán)丙烯C3H62.410.4氫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、火災(zāi)中的氣體產(chǎn)物火災(zāi)產(chǎn)生的氣體成分是復(fù)雜多樣的，包含完全燃燒產(chǎn)物，如CO2和H2O；以及不完全燃燒產(chǎn)物，如CO、氣態(tài)碳?xì)浠衔锛按碱悺⑷╊?、酮類、酸類、酯類；如果可燃物中還含有其他元素，例如S和鹵素（F、Cl、Br），則產(chǎn)物中就會包含硫的氧化物以及鹵素的化合物。對于絕大多數(shù)可燃物，均含有C、H元素，其在空氣中陰燃熱解或明火燃燒時，氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的主要成分為H2O、CO和CO2。國內(nèi)外的研究表明，各種標(biāo)準(zhǔn)火都會產(chǎn)生一定數(shù)量的CO和CO2。表5-2是Jackson和Robins[1]在1994年給出了實驗測得的歐洲六種標(biāo)準(zhǔn)火（木材明火、木材熱解、棉繩陰燃火、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，由表可見，CO生成量最少的酒精明火也達(dá)到了16ppm。表5-2歐洲六種標(biāo)準(zhǔn)火最大的CO生成量（JacksonandKobins1994）參數(shù)TF1:木材明火(t=720s)TF2:木材熱解火(t=720s)TF3:棉繩陰燃火(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圖5-2是Pfister和Jackson等人所測得的氣體濃度曲線。為了保證火災(zāi)氣體探測器的普適性，CO2和CO應(yīng)該是首選，它們被理所當(dāng)然的認(rèn)為是火災(zāi)的標(biāo)示氣體產(chǎn)物。由于環(huán)境中濕度的影響，通常不把H2O作為火災(zāi)探測參數(shù)。針對這兩種氣體進(jìn)行監(jiān)測，將會在很大程度上反映出環(huán)境中有火災(zāi)的發(fā)生：雖然環(huán)境中存在一定量的CO2，但發(fā)生火災(zāi)時，CO2的濃度將會急劇增加；一般情況下，CO在空氣中的含量極低，只有燃燒發(fā)生時才會產(chǎn)生CO，所以又以CO的探測研究最受重視。圖5-2幾種標(biāo)準(zhǔn)火CO濃度的測量（JacksonandKobins1994，Pfister1983）和火災(zāi)煙氣中的煙霧顆粒不同，火災(zāi)的氣體產(chǎn)物需要更少的熱量驅(qū)動就可以快速上升。CO等一些氣體由于比空氣輕，甚至不需要熱量的驅(qū)動，就能非常容易地擴散上升，這對于火災(zāi)探測器的布置和在較早的時間捕捉到火災(zāi)發(fā)生信息非常重要。從燃燒的機理來說，早期火災(zāi)（燃燒的初期）通常不會產(chǎn)生明顯的溫升和煙霧，而此時卻已經(jīng)有熱解產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物。圖5-3為火災(zāi)不同發(fā)展階段與火災(zāi)探測器響應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系，因此，氣體產(chǎn)物適宜于早期火災(zāi)探測。圖5-3大多數(shù)場合下火災(zāi)探測與火災(zāi)早期發(fā)展的對應(yīng)關(guān)系另一方面，火災(zāi)煙氣不僅含有大量沒有完全燃燒的組分，而且含有很多有毒、有害的組分，其中CO、HCN、SO2是主要毒性組分，CO2則是造成人員窒息的主要組分。尤其在現(xiàn)代建筑物中，使用了大量高分子聚合物的構(gòu)件和裝修材料，它們在高溫條件下釋放的有毒、有害成分要比天然木材高得多，因而對人員安全的威脅更為嚴(yán)重。表5-3是火災(zāi)時,各種氣體產(chǎn)物在環(huán)境中最大允許濃度，以及對人體不同程度的危害作用影響。表5-3火災(zāi)中典型氣體產(chǎn)物的危害火災(zāi)氣體產(chǎn)物環(huán)境中最大允許濃度（/ppm）致人麻木極限濃度（/%或ppm）致人死亡極限濃度（/%或ppm）CO250003%20%CO50200013000HCN10200270H2S10—1000~2000HCl510001300~2000NH35030005000~10000HF3——SO25—400~500Cl21—1000NO25—240~775注：致人麻木極限濃度表示火災(zāi)疏散條件下所允許的最低限度；致人死亡極限濃度表示短時間內(nèi)致人死亡劑量。綜上所述，氣體產(chǎn)物是火災(zāi)早期的火災(zāi)參量，且對于絕大多數(shù)燃料，無論陰燃，有焰火燃燒，均有CO、CO2等標(biāo)示性氣體產(chǎn)物產(chǎn)生；另一方面，CO、CO2等火災(zāi)氣體濃度大小是火災(zāi)評估和性能化設(shè)計的重要參數(shù)和設(shè)計依據(jù)，因此，針對火災(zāi)氣體產(chǎn)物進(jìn)行探測不僅可以實現(xiàn)早期火災(zāi)預(yù)測報警，同時對于建筑防火分析及人員疏散具有重要指導(dǎo)意義。第二節(jié)氣體檢測的方法與種類可燃?xì)怏w或火災(zāi)氣體產(chǎn)物探測主要基于以下三個原理：（1）利用半導(dǎo)體氣體器件檢測的電氣方法；（2）利用氣體對光的折射率或光吸收等特性來檢測氣體的光學(xué)法；（3）利用電極和電解液對氣體進(jìn)行檢測的電化學(xué)法。表5-4列出了當(dāng)前使用的主要氣體檢測方法以及相應(yīng)的氣體檢測種類。表5-4不同氣體檢測方法氣體分析方法NOXCOCO2SOXH2SO2臭氧H2CS2鹵化物主要為Cl2CnH2n+2主要為C2H8，C4H10CnH2nCnH2n-2、CnH2n-6NH3C2HyNHCN電化學(xué)法12345溶液導(dǎo)電方式恒定位電解方式隔膜一次電池方式電量法隔膜電極法√√√√√√√√√√√√√√√√光學(xué)法678910紅外吸收法可見光吸收光度法光干涉法化學(xué)發(fā)光法試紙光電光度法√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√電氣方法11121314氫焰離解法導(dǎo)熱法接觸燃燒法半導(dǎo)體法√√√√√√√√√√√√√√√√其他15氣體色譜法√√√√√√√√√√√環(huán)境大氣污染氣體工業(yè)、家庭用（丙烷等）氣體氣體傳感器的主要特性參數(shù)是靈敏度、響應(yīng)時間、選擇性、穩(wěn)定性等，以下對各參數(shù)進(jìn)行解釋說明。（1）靈敏度靈敏度（K）標(biāo)志氣敏元件對氣體的敏感程度，決定了測量精度，采用元件的阻值變化量△R與氣體濃度變化量△P之比來表示，即K=△R/△P。靈敏度另一種表示方法，即氣敏元件在空氣中的阻值R0與在被測氣體中的阻值R之比，即K=R0/R。（2）響應(yīng)時間從氣敏元件與被測氣體接觸，到氣敏元件的阻值達(dá)到新的恒定值所需要的時間稱為響應(yīng)時間，它表示氣敏元件對一定濃度被測氣體的反應(yīng)速度。（3）選擇性在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分不同種類氣體的能力稱為選擇性，對某種氣體的選擇性好，就表示氣敏元件對它有較高的靈敏度，選擇性是氣敏元件的重要參數(shù)，也是目前較難解決的問題之一。（4）穩(wěn)定性當(dāng)氣體濃度不變時，若其他條件發(fā)生變化，在規(guī)定的時間內(nèi)，氣敏元件輸出特性維持不變的能力，稱為穩(wěn)定性。穩(wěn)定性表示氣敏元件對于氣體濃度以外的各種因素的抵抗能力。（5）溫度特性氣敏元件靈敏度隨溫度變化的特性稱為溫度特性。溫度有元件自身溫度與環(huán)境溫度之分，這兩種溫度對靈敏度都有影響。元件自身溫度對靈敏度的影響與所用材料有關(guān)。環(huán)境溫度對靈敏度的影響相當(dāng)大，常采用溫度補償方法進(jìn)行解決。（6）濕度特性氣敏元件的靈敏度隨環(huán)境濕度變化的特性稱為濕度特性，濕度特性是影響檢測精度的另一個因素，常采用濕度補償方法進(jìn)行解決。（7）電源電壓特性氣敏元件的靈敏度隨電源電壓變化的特性稱為電源電壓特性，為改善傳感器的電源電壓特性，需采用恒壓源。表5-5對各種氣體檢測方法的特點進(jìn)行了比較。表5-5各種氣體檢測方法的特性比較特性項目分析方法靈敏度可靠性對氣體選擇性響應(yīng)速度穩(wěn)定性簡易度抽樣系統(tǒng)的必要性經(jīng)濟(jì)性測定范圍維修輔助氣體的必要性半導(dǎo)體式非常好稍差差良好(1分鐘)稍差非常簡單不要最價廉達(dá)LEL1幾乎不要不要接觸燃燒法相當(dāng)好相當(dāng)好稍好非常迅速（4-5秒）良好非常簡單不要價格非常低廉達(dá)LEL1幾乎不要不要導(dǎo)熱法良好良好良好稍好良好簡單必要中等寬范圍常需維護(hù)常有必要氫焰離解法相當(dāng)良好良好稍好良好稍好中等復(fù)雜必要中等ppm的100%常需維護(hù)必要紅外吸收法稍好良好相當(dāng)好良好良好中等復(fù)雜必要中等相當(dāng)寬范圍常需維護(hù)不要化學(xué)發(fā)光法良好良好良好良好良好簡單必要中等ppm的100%常需維護(hù)不要光干涉法良好良好良好良好良好中等復(fù)雜必要中等寬范圍常需維護(hù)必要試紙光電光度法良好良好良好差良好中等復(fù)雜必要中等特別微量的檢測常需維護(hù)不要恒電位電解法良好良好良好良好（20-30秒）良好簡單必要中等寬范圍常需維護(hù)必要氣體色譜法非常好非常好非常好差非常好非常復(fù)雜必要昂貴ppm的100%常需維護(hù)必要`LEL—低爆炸極限（Lowerexplosionlimit）。 2.非常好>相當(dāng)好>良好>稍好>稍差>差。本文主要介紹半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器和紅外吸收式氣體傳感器，以及它們的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)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與設(shè)計[M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2003HarmsM,GoschnickJ,YoungRC.EarlyDetectionandDistinctionofFireGaseswithaGasSensorMicroarray[C].InternationalConferenceonAutomaticFireDetection.(AUBE’01),March25-28,2001,Maryland,USA吳龍