甲烷探测器高低温环境适应性实验研究

时间：2024-07-28

李亚运王祥,2 操凯,2 兰明强,2 刘小勇

（1.清华大学合肥公共安全研究院，合肥 230601；2.安徽建筑大学，合肥 230601）

可燃气体探测器是安全监测系统中发现泄漏、产生报警的重要仪器设备，按照探测原理可分为半导体可燃气体探测器、催化燃烧式可燃气体探测器、电化学式可燃气体探测器、红外光束式可燃气体探测器和激光式可燃气体探测器。其中，激光式可燃气体探测器具有稳定性高、测量精度高、响应时间快等特点，应用前景广阔，在家用和工商业中均有大量需求[1-6]。激光式甲烷探测器作为激光式可燃气体探测器的一种，主要用于检测甲烷气体的浓度，在石油、天然气、化学和冶金等行业有着广泛的应用。根据实际应用可知，不同的工作环境会对激光式甲烷探测器的工作产生影响，可能导致探测器无法准确检测到甲烷气体的存在或者出现误报。高低温环境影响着甲烷探测器功能和性能的发挥[7]，导致甲烷探测器发生严重的报警滞后现象，错失最佳的处理时间，造成火灾和爆炸等安全事故。因此，针对激光式甲烷探测器开展相应环境条件下的研究具有十分重要的意义。

1 实验仪器与实验内容

为了研究不同环境温度对激光式甲烷探测器监测浓度示数和探测器报警时间的影响，选用可燃气体报警器综合性能测试实验箱开展高低温环境下甲烷探测器的环境适应性研究，依据可燃气体探测器正常工作环境，选取实验温度为-10 ～55 ℃，每间隔5 ℃作为一组工况，两个温度之间稳定1 h。为了保证实验箱体内气体浓度的均匀性，选用固定的测试风速0.8 m·s-1，以25%LEL 浓度为基准值进行甲烷探测器的测量精度分析。

可燃气体报警器综合性能测试实验箱见图1，由闭环风流筒、低温制冷机组、加热器、除湿器、气体处理箱、配有变频器的通风机、加湿系统和电控箱、智能操作屏等组成[8-11]，可测试可燃气体探测器的报警动作数值、量程指示偏差、方位、报警重复性和响应时间等，能够实现35 ～75 ℃的高温环境和-40 ～0 ℃的低温环境连续可调，升温速率均不大于1 ℃·min-1。其制冷功率为7.5 kW，风速为0 ～6.5 m·s-1，持续可调。相对湿度为90%～95%，湿热环境参数可调整设定，加湿速率不大于5%·min-1。

图1 可燃气体报警器综合性能测试实验箱

实验样品是按照《可燃气体探测器第1 部分：工业及商业用途点型可燃气体探测器》（GB 15322.1—2019）设计的具有高亮度发光二极管（Light Emitting Diode，LED）浓度显示、报警、失效等信息显示的激光防爆型甲烷探测器报警产品（见图2），主要参数如表1 所示。选择3 个同一型号的可燃气体探测器作为样品，即样品1 ～3，在箱体内相同位置进行实验。

表1 传感器主要参数

图2 激光式甲烷探测器

2 实验结果分析

2.1 高低温对探测器报警时间的影响

图3为甲烷探测器在高低温环境下报警时间结果。由实验结果可知，温度变化对可燃气体探测器的报警时间具有较大影响，随着温度的升高，报警时间会逐渐缩短，整体呈线性变化。在环境温度为15 ～25 ℃时，探测器的报警时间基本保持在1 420 s左右，表明该范围内的温度对探测器的报警时间没有明显影响。当温度超过25 ℃时，报警时间会随着温度的升高而逐渐减少。当温度达到55 ℃时，报警时间最短，仅为1 227 s。相反，当温度低于15 ℃时，报警时间会随着温度的降低而逐渐增加，在-10 ℃时报警时间最长，为1 675 s。通过分析，温度变化会改变甲烷分子的热运动变化，高温时热运动加剧，分子间的相互作用减弱，导致扩散系数增加，扩散速率加快，甲烷探测器的报警时间相应减少。反之，当温度降低时，甲烷分子的热运动减缓，分子间的相互作用增强，导致扩散系数减少，扩散速率减慢，甲烷探测器的报警时间相应增加[12-14]。

图3 甲烷探测器在高低温环境下报警时间结果

2.2 高低温对探测器探测浓度示值的影响

图4为甲烷探测器在高低温环境下甲烷浓度示值结果。由实验结果可知，可燃气体探测器在15 ～25 ℃的示值误差都低于0.5%，表明该范围的温度对探测器的测量精度基本没影响。20 ℃时探测器的甲烷示数最高，为24.8%LEL，示值误差0.2%，说明在此温度下探测器的监测精度最高。因此，该款工商业型可燃气体探测器在15 ～25 ℃时使用效果最佳。而当温度超过20 ℃时，甲烷示数与温度呈负相关，随着温度的升高，甲烷示数降低。当温度低于20 ℃时，甲烷示数与温度呈正相关，随着温度的降低，甲烷示数也会减少。

图4 甲烷探测器在高低温环境下甲烷浓度示值结果