甲烷检测中采用红外和催化传感器哪种更好？

甲烷探测器对监测各种应用的有效性和安全性至关重要。本文阐述了为什么红外（IR）传感器是探测甲烷的首选。就在30年前，矿工们只能靠使用金丝雀来警告他们矿井中存在高浓度的甲烷或一氧化碳。幸运的是，现在传感技术已经发展起来了，并且气体探测可选择的方法也越来越多。气体探测器能够量化和探测环境和工业气体，如甲烷、一氧化碳和二氧化碳，因而它们在确保广泛的应用和生产过程的有效性和安全性方面发挥着关键作用。

图1 甲烷分子示意图

气体探测器广泛用于监测甲烷浓度和泄漏探测

天然气主要由甲烷组成，被广泛用于发电。甲烷是一种温室气体，具有高度易燃性，可以与空气形成爆炸性混合物。在天然气开采、运输和发电过程中探测泄漏是至关重要的，因为甲烷泄漏可能导致破坏性结果。在化学工业中，甲醇、合成气、乙酸和其他商用化学品的生产，都依赖于甲烷气体传感器来确认生产过程是否有效且安全地运行。甲烷可能影响人的健康和环境，所以测量大气中的甲烷水平来监测环境条件的变化也变得越来越重要。

商用气体探测技术

市场上有各种各样的甲烷气体探测器和传感器，它们各有优缺点：• 电化学传感器电化学传感器通过甲烷与电极的腐蚀或氧化反应产生电流，该电流的大小可用于确定气体浓度。由于电极是暴露在大气中的，可能发生化学污染和腐蚀，因此电化学传感器需要经常更换。• 氢火焰离子化探测器（FID）FID使用氢火焰来电离甲烷气体，电离的气体会产生电流，计算该电流可以确定气体浓度。虽然FID准确且快速，但它们需要明火、氢气源和纯净空气供应，这意味着FID并不适合某些应用。• 催化传感器催化传感器通过催化氧气和甲烷的反应，产生的热量会引起传感器中的电阻变化，由此可以测量甲烷浓度。虽然催化传感器坚固且廉价，但运行时对氧气的需求是必不可少的，并且它们易受污染、中毒和烧结。因此需要频繁地校准和更换。• 半导体传感器工作原理与催化传感器类似，半导体传感器与甲烷反应，引起电阻变化，以此来计算气体浓度。与催化传感器一样，半导体传感器也易受污染和中毒。• 红外传感器红外传感器利用红外光束探测和测量大气中存在的任何气体。虽然红外传感器比其他传感器贵一点，但它们持久耐用。因此，红外传感器已成为探测各种气体的主要技术。

红外传感器是甲烷探测的首选技术

非分散红外（NDIR）传感器通常由IR源、IR探测器、采样腔和滤光器组成。通常，包含参考气体的第二个腔与采样腔平行运行。IR光透过大气采样腔施加到探测器上。采样腔中的甲烷气体会吸收特定波长的IR光。探测器前面的滤光器会阻挡掉非所选波长的光，因此探测器仅测量指定波长的衰减变化，（利用气体浓度与吸收强度的关系）可确定存在的甲烷浓度。与其它气体探测技术相比，红外传感器具有许多优点：它们具有内置的故障安全系统，这是因为它们可以用小信号代表高浓度气体，而在其他传感器中，小信号或无信号意味着零或低浓度。如果探测器发生故障或失灵，则不会记录IR辐射，这将触发警报。NDIR传感器也比需要燃烧混合气体的方法更精确。

在某些情况下，NDIR传感器甚至允许同时存在两种可燃气体时，可以检测其中一种可燃气体组分。尽管当用户无法确定气体混合物是否易燃时，的确存在一定限制。与其它可用类型的传感器不同，IR探测器不与甲烷气体相互作用。大气中的气体和任何污染物仅与光束相互作用。因此，探测器可密封以防止损坏，因而具有较长的使用寿命。红外探测器和其它传感器一样，也可提供准确的结果和快速的响应时间。半导体、催化、电化学传感器和FID都要求目标气体的浓度必须低于爆炸浓度的下限，但是IR传感器则可以实现0~100%气体浓度的精确计算。而且它们不需要外部气体或氧气来运行。红外传感器也存在一些缺点，它们可能会受到压力和温度调节的不利影响。尽管如此，先进的红外传感器现在可以进行压力和温度补偿，这意味着这种耐用且可靠的传感器劣势已经最小化。IR传感器现在被选为甲烷和其他工业和环境相关气体的探测方法。

Edinburgh Sensors公司Gascard NG实现可靠的气体探测

图2 Edinburgh Sensors的Gascard NG（Edinburgh Sensors是高品质气体传感解决方案的领先供应商，提供全系列的NDIR传感器，可用于二氧化碳、一氧化碳和甲烷的可靠探测）据麦姆斯咨询介绍，Gascard NG是种可被原始设备制造商（OEM）简单地集成到各种系统中的气体传感器，能够可靠且准确地计算二氧化碳、一氧化碳和甲烷气体浓度。一些红外传感器会受到压力或温度的影响，但Gascard NG采用了强大的压力和温度校正功能，以确保在各种环境中获得准确的结果。Gascard NG可用于各种研究、环境和工业应用中的甲烷探测，包括污染监测、农业研究、化学加工等等。

利用半导体与气体接触时电阻或功函数发生变化这一特性检测气体。气体传感器分为电阻式与非电阻式两种。

电阻式采用SnO2、ZnO等金属氧化物材料制备，有多孔烧结件、 厚膜、 薄膜等形式。根据半导体与气体的相互作用是发生在表面还是体内，又分为表面控制型与体控制型。表面控制型电阻式传感器包括SnO2系传感器、ZnO系传感器、其他金属氧化物（WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等） 材料的传感器和采用有机半导体材料的传感器。体控制型电阻式传感器包括Fe2O3系传感器、ABO3型传感器和燃烧控制用传感器。这类传感器可检测甲烷、丙烷、氢、一氧化碳等还原性气体，氧、二氧化氮等氧化性气体，具有强吸附力的胺类和水蒸汽等。

非电阻式气体传感器利用气体吸附和反应时引起的功函数变化来检测气体。它可分为金属－半导体结二极管型传感器（利用金属与半导体界面上吸附气体时，二极管整流特性的变化）、MOS二极管型传感器（采用MOS结构，通过C-V特性的漂移检测气体）和MOS FET型传感器（通过MOS FET的阈值电压变化检测气体）。

半导体气体传感器灵敏度高，可用于可燃气体防爆报警器，CO、H2S等有毒气体的监测器。通过稳定性研究，一些传感器可用于气体浓度的定量监测。半导体气体传感器在防灾、环境保护、节能、工程管理、自动控制等方面有广泛的应用。

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