【導(dǎo)讀】甲烷探測器對監(jiān)測各種應(yīng)用的有效性和安全性至關(guān)重要。本文闡述了紅外傳感器在甲烷安全監(jiān)測的應(yīng)用。紅外傳感器利用紅外光束探測和測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各種氣體的主要技術(shù)。
圖1：甲烷分子示意圖
就在30年前，礦工們只能靠使用金絲雀來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)展起來了，并且氣體探測可選擇的方法也越來越多。
氣體探測器能夠量化和探測環(huán)境和工業(yè)氣體，如甲烷、一氧化碳和二氧化碳，因而它們在確保廣泛的應(yīng)用和生產(chǎn)過程的有效性和安全性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
氣體探測器廣泛用于監(jiān)測甲烷濃度和泄漏探測
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。在天然氣開采、運(yùn)輸和發(fā)電過程中探測泄漏是至關(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)，都依賴于甲烷氣體傳感器來確認(rèn)生產(chǎn)過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，所以測量大氣中的甲烷水平來監(jiān)測環(huán)境條件的變化也變得越來越重要。
商用氣體探測技術(shù)
市場上有各種各樣的甲烷氣體探測器和傳感器，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。
• 氫火焰離子化探測器（FID）
FID使用氫火焰來電離甲烷氣體，電離的氣體會產(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
催化傳感器通過催化氧氣和甲烷的反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量會引起傳感器中的電阻變化，由此可以測量甲烷濃度。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似，半導(dǎo)體傳感器與甲烷反應(yīng)，引起電阻變化，以此來計(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和測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各種氣體的主要技術(shù)。
紅外傳感器是甲烷探測的首選技術(shù)
非分散紅外（NDIR）傳感器通常由IR源、IR探測器、采樣腔和濾光器組成。通常，包含參考?xì)怏w的第二個腔與采樣腔平行運(yùn)行。
IR光透過大氣采樣腔施加到探測器上。采樣腔中的甲烷氣體會吸收特定波長的IR光。探測器前面的濾光器會阻擋掉非所選波長的光，因此探測器僅測量指定波長的衰減變化，（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⌒盘柎砀邼舛葰怏w，而在其他傳感器中，小信號或無信號意味著零或低濃度。如果探測器發(fā)生故障或失靈，則不會記錄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)，可以檢測其中一種可燃?xì)怏w組分。盡管當(dāng)用戶無法確定氣體混合物是否易燃時(shí)，的確存在一定限制。
與其它可用類型的傳感器不同，IR探測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，探測器可密封以防止損壞，因而具有較長的使用壽命。
紅外探測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運(yùn)行。
紅外傳感器也存在一些缺點(diǎn)，它們可能會受到壓力和溫度調(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)氣體的探測方法。
Edinburgh Sensors公司Gascard NG實(shí)現(xiàn)可靠的氣體探測
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）
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Gascard NG是種可被原始設(shè)備制造商（OEM）簡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，包括污染監(jiān)測、農(nóng)業(yè)研究、化學(xué)加工等等。
