甲烷探測(cè)器對(duì)監(jiān)測(cè)各種應(yīng)用的有效性和安全性至關(guān)重要。本文闡述了為什么紅外（IR）傳感器是探測(cè)甲烷的首選。就在30年前，礦工們只能靠使用金絲雀來(lái)警告他們礦井中存在高濃度的甲烷或一氧化碳。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在傳感技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了，并且氣體探測(cè)可選擇的方法也越來(lái)越多。氣體探測(cè)器能夠量化和探測(cè)環(huán)境和工業(yè)氣體，如甲烷、一氧化碳和二氧化碳，因而它們?cè)诖_保廣泛的應(yīng)用和生產(chǎn)過(guò)程的有效性和安全性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖1 甲烷分子示意圖

氣體探測(cè)器廣泛用于監(jiān)測(cè)甲烷濃度和泄漏探測(cè)

天然氣主要由甲烷組成，被廣泛用于發(fā)電。甲烷是一種溫室氣體，具有高度易燃性，可以與空氣形成爆炸性混合物。在天然氣開(kāi)采、運(yùn)輸和發(fā)電過(guò)程中探測(cè)泄漏是至關(guān)重要的，因?yàn)榧淄樾孤┛赡軐?dǎo)致破壞性結(jié)果。在化學(xué)工業(yè)中，甲醇、合成氣、乙酸和其他商用化學(xué)品的生產(chǎn)，都依賴(lài)于甲烷氣體傳感器來(lái)確認(rèn)生產(chǎn)過(guò)程是否有效且安全地運(yùn)行。甲烷可能影響人的健康和環(huán)境，所以測(cè)量大氣中的甲烷水平來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境條件的變化也變得越來(lái)越重要。

商用氣體探測(cè)技術(shù)

市場(chǎng)上有各種各樣的甲烷氣體探測(cè)器和傳感器，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)：• 電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器通過(guò)甲烷與電極的腐蝕或氧化反應(yīng)產(chǎn)生電流，該電流的大小可用于確定氣體濃度。由于電極是暴露在大氣中的，可能發(fā)生化學(xué)污染和腐蝕，因此電化學(xué)傳感器需要經(jīng)常更換。• 氫火焰離子化探測(cè)器（FID）FID使用氫火焰來(lái)電離甲烷氣體，電離的氣體會(huì)產(chǎn)生電流，計(jì)算該電流可以確定氣體濃度。雖然FID準(zhǔn)確且快速，但它們需要明火、氫氣源和純凈空氣供應(yīng)，這意味著FID并不適合某些應(yīng)用。• 催化傳感器催化傳感器通過(guò)催化氧氣和甲烷的反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量會(huì)引起傳感器中的電阻變化，由此可以測(cè)量甲烷濃度。雖然催化傳感器堅(jiān)固且廉價(jià)，但運(yùn)行時(shí)對(duì)氧氣的需求是必不可少的，并且它們易受污染、中毒和燒結(jié)。因此需要頻繁地校準(zhǔn)和更換。• 半導(dǎo)體傳感器工作原理與催化傳感器類(lèi)似，半導(dǎo)體傳感器與甲烷反應(yīng)，引起電阻變化，以此來(lái)計(jì)算氣體濃度。與催化傳感器一樣，半導(dǎo)體傳感器也易受污染和中毒。• 紅外傳感器紅外傳感器利用紅外光束探測(cè)和測(cè)量大氣中存在的任何氣體。雖然紅外傳感器比其他傳感器貴一點(diǎn)，但它們持久耐用。因此，紅外傳感器已成為探測(cè)各種氣體的主要技術(shù)。

紅外傳感器是甲烷探測(cè)的首選技術(shù)

非分散紅外（NDIR）傳感器通常由IR源、IR探測(cè)器、采樣腔和濾光器組成。通常，包含參考?xì)怏w的第二個(gè)腔與采樣腔平行運(yùn)行。IR光透過(guò)大氣采樣腔施加到探測(cè)器上。采樣腔中的甲烷氣體會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的IR光。探測(cè)器前面的濾光器會(huì)阻擋掉非所選波長(zhǎng)的光，因此探測(cè)器僅測(cè)量指定波長(zhǎng)的衰減變化，（利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度的關(guān)系）可確定存在的甲烷濃度。與其它氣體探測(cè)技術(shù)相比，紅外傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：它們具有內(nèi)置的故障安全系統(tǒng)，這是因?yàn)樗鼈兛梢杂眯⌒盘?hào)代表高濃度氣體，而在其他傳感器中，小信號(hào)或無(wú)信號(hào)意味著零或低濃度。如果探測(cè)器發(fā)生故障或失靈，則不會(huì)記錄IR輻射，這將觸發(fā)警報(bào)。NDIR傳感器也比需要燃燒混合氣體的方法更精確。

在某些情況下，NDIR傳感器甚至允許同時(shí)存在兩種可燃?xì)怏w時(shí)，可以檢測(cè)其中一種可燃?xì)怏w組分。盡管當(dāng)用戶(hù)無(wú)法確定氣體混合物是否易燃時(shí)，的確存在一定限制。與其它可用類(lèi)型的傳感器不同，IR探測(cè)器不與甲烷氣體相互作用。大氣中的氣體和任何污染物僅與光束相互作用。因此，探測(cè)器可密封以防止損壞，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命。紅外探測(cè)器和其它傳感器一樣，也可提供準(zhǔn)確的結(jié)果和快速的響應(yīng)時(shí)間。半導(dǎo)體、催化、電化學(xué)傳感器和FID都要求目標(biāo)氣體的濃度必須低于爆炸濃度的下限，但是IR傳感器則可以實(shí)現(xiàn)0~100%氣體濃度的精確計(jì)算。而且它們不需要外部氣體或氧氣來(lái)運(yùn)行。紅外傳感器也存在一些缺點(diǎn)，它們可能會(huì)受到壓力和溫度調(diào)節(jié)的不利影響。盡管如此，先進(jìn)的紅外傳感器現(xiàn)在可以進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償，這意味著這種耐用且可靠的傳感器劣勢(shì)已經(jīng)最小化。IR傳感器現(xiàn)在被選為甲烷和其他工業(yè)和環(huán)境相關(guān)氣體的探測(cè)方法。

Edinburgh Sensors公司Gascard NG實(shí)現(xiàn)可靠的氣體探測(cè)

圖2 Edinburgh Sensors的Gascard NG（Edinburgh Sensors是高品質(zhì)氣體傳感解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，提供全系列的NDIR傳感器，可用于二氧化碳、一氧化碳和甲烷的可靠探測(cè)）據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，Gascard NG是種可被原始設(shè)備制造商（OEM）簡(jiǎn)單地集成到各種系統(tǒng)中的氣體傳感器，能夠可靠且準(zhǔn)確地計(jì)算二氧化碳、一氧化碳和甲烷氣體濃度。一些紅外傳感器會(huì)受到壓力或溫度的影響，但Gascard NG采用了強(qiáng)大的壓力和溫度校正功能，以確保在各種環(huán)境中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。Gascard NG可用于各種研究、環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用中的甲烷探測(cè)，包括污染監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)研究、化學(xué)加工等等。