不同甲烷传感技术的历史沿革及应用特点浅析

甲烷泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，它是安全使用城市燃气的最后一道保护。这么重要的仪器，你知道它的技术是怎么发展的，产品由何而来？怎么选购？

它的主要技术包括三类：半导体式、催化燃烧式、红外光谱式传感器。前二种为传统甲烷传感器，第三种为红外吸收光谱检测技术，成本适宜的主要技术包括非色散红外（NDIR）、激光式（TDLAS），特别是激光式，批量应用于燃气阀井的甲烷泄漏监测始于2018年前后，属于最新一代的甲烷泄漏监测技术。

一、发展历史

可燃气体报警器最早出现于上世纪30年代，国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高; 另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

60年代，日本九洲大学清山哲郎教授在进行氧化物催化剂研究时发现，氧化物半导体的电导率随环境中还原性气体的浓度而变化，反过来利用这一现象，便可通过测定氧化物半导体的电导率检测环境中的还原性气体的浓度，这就是人类最初的气体传感器，清山教授因此被人们尊称为“化学传感器之父”。不久，日本的田口先生又完全独立地发现这一科学现象，他在氧化物中添加微量的铂和把等贵金属、经过高温烧结制成半导体材料、它就是现在半导体传感器的关键元器件。气体传感原理被发现后不久，很快在1963年5月，由日本新宇宙电机株式会社开发出了接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月改良产品问世。命名为“电子燃气报警器”，这时的报警器已经可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视、从功能上讲，已经较适合家庭使用了。随着研究的不断深入，1969年2月，日本的科研人员又开发出了世界上台半导体式家用燃气泄漏报警器。

我国70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围由单一的炼油系统扩展到各类危险作业环境，产品数量也在不断增加，逐渐扩展到整个工商业可燃气体监测应用。但是传统的气体传感器存在一定限制，特别是工作寿命问题，需要人工维护，增加了长期应用成本，亟需一款测量准确、可靠性高、维护性好的新一代气体传感器。

进入二十一世纪，由于光通讯发展的需要，半导体激光器和光纤元件发展迅速，性能大大提高，从通信领域逐渐扩展至传感领域，为传感领域设计了波长覆盖近红外波段、窄线宽、寿命长的DFB或VESCL半导体激光器，并在近几年实现初步产业化，成本大幅度下降，使得TDLAS技术逐步应用于科学和工程上的气体探测。

国内TDLAS激光气体分析产品市场愈发成熟，部分厂家从芯片开始做起，实现全国产化，激光器可靠性高，实现精准波长控制。围绕核心器件，部分厂家研制激光甲烷传感器模块，配合用户进行二次开发，形成点式甲烷检测仪、地下阀井可燃气体监测系统等甲烷检测产品，并且有多个版本型号，可适用于自然扩散式、泵吸式等客户不同的集成产品型式，也可满足客户不同的环境温度适用性要求，真正做到核心知识产权自主可控，也可面向诸多领域定制化生产，满足不同行业气体监测需要。

二、不同技术的优缺点

对于应用量最大的催化燃烧式传感器，不光其优缺点问题，应用中还存在中毒、失效问题，不仅是测量漂移，而是无法测量，缩短传感器应用寿命。

该传感器敏感元件表面涂覆有多层催化剂，当敏感元件催化剂失效时，会导致可燃气体报警器失效，失效的因素主要包括烧结、焦化和中毒。

烧结是指敏感元件长期暴露在高温下引起活性面积降低，从而导致催化能力下降；焦化是指有机烃反应时，其烃键部分会因燃烧而产生焦炭，焦炭附着在催化剂表面，与外部空气隔离导致催化剂失活。这种积碳反应是催化剂失活的主要因素。最后中毒指的是比如硫酸盐、H2S、卤代烃物质与催化剂反应，造成催化剂活性失效。

催化燃烧式传感器的元件由两根阻值相同的超微铂丝构成，并在电路板形成电阻桥。气体浓度不同造成电阻变化，产生电压差。该方法在应用场合湿度过大时，造成电阻变化，影响测量数据准确性。

由于上述问题，造成该传感器应用时需要人工定期维护，确定该传感器工作准确有效，浪费了大量人力物力。

由于半导体、催化燃烧式敏感元件需要接触待测气氛，受到影响进而影响了使用效果，划归为接触式传感器；红外吸收光谱法通过光源（普通光源或者激光光源）照射待测气氛，当气体中存在甲烷气体时，甲烷气体吸收光源特定波长能量，通过能量减小反演气体浓度，因此是红外光与气体接触，不受环境影响，所以划分成非接触式传感器，其可靠性较接触式大为提高。

红外吸收光谱法因光源及后端解调方法不同，又分成了NDIR和TDLAS技术原理，与NDIR技术相比，TDLAS激光气体分析产品的特点是采用了半导体激光器作为光源，替代了传统的宽谱光源。激光器的线宽窄，光谱宽度小于气体吸收谱线的宽度，所以解决了NDIR交叉干扰影响，特别是解决了甲烷测量时的水汽干扰，因此测量准确性高、环境适应性强。

因此，TDLAS技术克服了传统甲烷传感器的各种缺点，扩大了传感器应用领域，采用非接触式测量方法，不存在敏感元件的漂移和失效，因此理论上具备免校准特点，可以节省大量维护人工，长期应用时维护费用低，因此具有极大的技术优势和产品应用优势。

我们汇总了各类传感器技术优缺点：

各类传感器技术优缺点

三、甲烷泄漏报警器主要应用

传感器应用分为民用或者家用可燃气体报警检测和工商业可燃气体报警检测。民用可燃气体报警器一般安装在厨房，燃气泄漏的情况下，报警器可发出声光报警，并同时联动燃气计量表外部设备，如燃气计量表电磁阀，自动切断燃气阀门，防止气体泄漏继续发生。一些报警可自动联动开启排气风扇，将可燃气体排出室外，降低爆炸风险。受限于家用传感器成本限制，多用半导体式、催化燃烧式传感器。

工商业可燃性气体报警器应用场景与民用非常相似，气体报警器安装在工业、商业用户燃气管道的连接阀门、调压箱、燃气阀井等燃气传输全过程场景。不仅在燃气领域，该传感器还广泛应用在石油石化、化工厂、冶炼厂、钢铁厂、煤炭厂、热电厂、锅炉房、加气站、输油管道、航空航天、工业气体过程控制、环境检测、污水处理厂、地下燃气管道检修、危险场所安全防护、军用设备检测各种场所。

工商业领域对甲烷浓度测量准确性、可靠性要求更高，应用环境更加复杂，传统采用催化燃烧式传感器，但是部分应用场景出现了误报多、寿命短等问题，应用效果较差，例如阀井、管廊。近年来TDLAS技术成本不断下降，在上述领域已经替代催化燃烧传感器，并不断拓展应用领域。

综上，本文阐述了不同技术的甲烷泄漏报警器优缺点，希望对大家选择合适的甲烷泄漏报警器有帮助。

审核编辑 黄昊宇