氣體傳感器的使用

　　氣體傳感器廣泛應用于工業領域，用以使人員和設備免受危險氣體導致的直接和間接威脅。無論是使用便攜式氣體報警器還是固定式氣體檢測儀，對于確保設備在其使用年限內安全運轉有可能造成的巨大成本問題，用戶必然有著深切體會。

　　電化學傳感器的工作原理

　　小小的傳感器中，是被水性凝膠電解質（一般是硫酸：H2SO4）浸濕的電極，當所探測的氣體（比如一氧化碳：CO，或者硫化氫：H2S）進入傳感器內與電解質發生氧化或者濃度變化時，工作電極在催化劑作用下產生微弱電流。電流經過與傳感器相連接的放大器放大，從而顯示目標區域的氣體濃度。

　　大多數電化學傳感器應用于擴散模式，在這種模式下，周圍環境中的氣體樣本通過傳感器正面的小孔進入傳感器（通過氣體分子自然流動）。而有些設備通過一個抽氣泵將空氣/氣體樣本抽進傳感器內。在氣孔部位安裝有聚四氟乙烯薄膜來阻擋水或油進入傳感器內。傳感器的測量范圍和靈敏度可以通過在設計時調整進氣孔尺寸隨之變化。大一些的進氣孔可以提高設備的靈敏度和分辨率，而小一些的進氣孔雖然降低了靈敏度和分辨率，但是可增大測量范圍。

　　氧氣傳感器的工作原理與之前所描述的電化學氧氣傳感器工作原理類似，但是，氧氣傳感器的使用年限是可預測的，所以，更換周期也可以進行預設——一般為2~3年。與有毒氣體傳感器不同，氧氣傳感器長期持續暴露在目標氣體中。在通常的耗氧監測應用中，傳感器工作環境的氧氣濃度為20.9%，這就會在鉛陽極上引起化學反應，從而造成陽極的逐漸消耗。所以，傳感器通過與氧氣反應持續產生電流的能力取決于電解質中鉛的含量。

　　通過增加“溫度補償”這一關鍵機制，氣體探測設備制造商確保了傳感器的性能。氣體靈敏度（以及零基線信號）常常隨著溫度有所變化，所以當溫度升降時，氣體靈敏度呈非線性變化。

　　在研發氣體探測設備的過程中，人們用了大量時間將相同的氣體傳感器放置于不同溫度和不同濃度氣體中（溫度在-30℃~+50℃之間）。所采集的數據經過處理后生成了一個為氣體探測器所用的溫度補償算法，以確保傳感器讀數在整個操作量程內保持一致。

　　影響傳感器壽命的因素

　　極端溫度可以影響傳感器壽命。通常，制造商所宣稱的設備操作溫度范圍通常在-30℃到+50℃之間變化。然而，高質量的傳感器能夠在短時間內承受突破此范圍的溫度。比如，傳感器（如H2S或CO）在短時間（1~2小時）暴露于60℃到65℃是沒有問題的。但是，如果極端情況重復發生則會造成電解質揮發，也有可能造成零基線讀數移動和反應遲緩等情況。

　　溫度過低時，傳感器的靈敏度會降低。也許傳感器可以在-40℃的低溫工作，但是對氣體的靈敏度會大幅度下降（靈敏度甚至可能降低高達80%），而且反應時間也會延長許多，另外，當溫度降到-35℃以下時，電解質還有結冰的危險。

　　當氣體濃度過高時，也有可能造成傳感器性能下降。通常，電化傳感器在測試時，極限氣體濃度是其設計濃度的十倍。使用高質量催化劑的傳感器應該可以承受這樣的情況，并不會對其化學特性或長期性能造成損壞。而使用低質量催化劑的傳感器則有可能造成損壞。

　　潮濕是對傳感器影響最大的因素。電化傳感器的理想工作環境應當是20℃，60%RH（相對濕度）。當環境濕度超過60%RH時，電解質會因為吸收水分而稀釋。在極端情況下，電解質體積會增加2~3倍，很有可能造成電解質從傳感器設備體通過接口滲漏。而當濕度低于60%RH時，電解質則有可能脫水。隨著電解質脫水，設備反應時間也會顯著延長。

　　通過對傳感器進行稱重，可以迅速簡便地判斷出電解質的稀釋和脫水情況。與出廠重量相比，當傳感器重量有±250mg以上的變化時，則說明傳感器的性能很有可能受到了影響。通過將傳感器置于相反的極端濕度環境中，電解質原來的稀釋或脫水情況都是可逆的。在5~25天的時間里，傳感器的重量和電解質濃度都可以恢復到初始狀態，性能也一并得到恢復。

　　要提醒大家注意的是，傳感器的靈敏度可能會隨著周圍環境的情況而變化。一個原本反應不靈敏、反應時間長的傳感器可能會隨著環境濕度的變化而有所改善。這種情況在四季氣候變化鮮明的國家則更為突出。氫硫化物傳感器的性能尤其與周邊環境聯系更為緊密。一臺固定式探測器中的傳感器的靈敏度和反應時間很有可能在按照當地的溫度濕度調試穩定后的兩三周內發生改變。當傳感器在安裝前存放在非常干燥的環境中時（比如帶空調的辦公室），這種情況尤為普遍。

　　在特殊情況下，干擾氣體可能會因為被催化劑吸收或者與催化劑發生反應生成副產品抑制催化劑，進而破壞傳感器電極。

　　強烈的震動和機械沖擊也可能會損傷將鉑電極、連接條（某些傳感器中是金屬線）和接口連接在一起的焊點，從而損壞傳感器，但是這種情況對架構牢固的傳感器來說并不多見。

　　“常規”使用年限

　　檢測一氧化碳或硫化氫等普通氣體的電化學傳感器的使用年限通常為2~3年。而一些特殊氣體，如氟化氫氣體的傳感器的使用年限僅僅只有12~18個月。具體使用視環境會有相應的延長和縮短。

　　在理想情況下，即溫度和濕度分別保持在20℃和60%RH左右，同時沒有污染物的侵入時，已知有的電化學傳感器工作超過11年！周期性地暴露在目標氣體環境中并不會限制傳感器的使用年限，優質的傳感器通常都裝備充足的催化劑和結實耐用的導體，這些材料并不會因為化學反應而輕易消耗殆盡。

　　傳感器也有所謂的“庫存期”或者“存貯周期”，這些時間可能會讓用戶，服務公司和制造商都感到困惑和沮喪。電化學傳感器在生產后通常都有六個月的存貯周期（假定存貯條件為理想的20℃）。在超出這一周期后，傳感器輸出的信號就有可能變得不穩。這個周期中的一小部分時間不可避免地要用于生產和運輸環節。所以，對傳感器備件的采購進行詳細計劃就變得至關重要，其目標是盡量縮短備件在倉庫中的存貯時間。

　　含過濾功能的傳感器

　　在有些傳感器上安裝有化學過濾器，以盡可能消除干擾氣體，尤其是硫化物氣體帶來的影響。這些過濾器的使用年限有限，通常用ppm/小時來定義其對干擾氣體的耐受水平。因為氣體濃度有高低之分，所以ppm/小時這個度量單位也許會不太精確。在目標氣體暴露時間減半的情況下，一個標稱1000ppm/小時的過濾器也不一定能把使用時間延長兩倍。

　　當過濾器飽和時，傳感器與干擾氣體產生交叉反應的程度隨之加重（比如探測硫化氫氣體，H2S，或者二氧化硫，SO2的傳感器）。當交叉反應發生時，用戶當然無法判斷他們所使用的傳感器到底是在與SO2還是H2S發生化學反應。

　　有機過濾器（碳基）雖然非常高效，但是不可再生，而且在環境濕度超過50%RH時，過濾器會因為氣孔堵塞而飽和。所以，化學過濾器的功效會在高濕度環境下下降。

　　如何發現傳感器故障？

　　在過去的幾十年里，人們在氣體傳感器上應用了若干種的ZL和技術，雖然這些技術都宣稱可以發現電化學傳感器發生故障的情況，但是大多數的技術僅僅是推斷傳感器在某種電極刺激下工作，而且可能僅提供了一種虛假的安全感。展示傳感器處于工作狀態的唯一可靠方法就是使用測試氣體并測量傳感器的反應——即快速測試或者全面校準。

　　事實上，電化學傳感器并不具備自動防故障功能。在干凈的空氣中，它們輸出零信號電流，在它們報廢前，即便暴露在目標氣體中，仍然輸出零電流。所以，我們無法保證一部氣體探測儀器對所發生的故障進行自動識別。

　　但是，氣體探測儀器可以對那些有可能影響傳感器性能的事件進行報告：智能氣體探測器和變送器能夠檢測周圍環境并在溫度超出傳感器上下閥值的時候發出報警。變送器也能夠將需要測量氣體的濃度與傳感器最大允許值進行比較，一旦超出就發出警告。在這些例子中，用戶應當采取的正確措施就是使用測試氣體對傳感器進行快速測試來驗證傳感器是否能正確反應。

　　對氣體傳感器更換工作進行計劃

　　儀器操作人員渴望通過預測傳感器使用年限對傳感器更換工作進行提前計劃，這樣服務工程師在現場維修的時候就可以帶來新的傳感器，避免了設備停機或重復派人的問題。反言之，如果用戶能夠有把握將例行傳感器更換周期延長，那么他們也自然可以降低更換傳感器的成本。

　　電化學傳感器使用年限的預測是一門非常不精確的科學，設備的使用年限、壽命會受到本文中所提及的種種因素影響，每種具體應用中的情況各有不同。在實際操作中，用戶要么根據制造商的建議按照固定時間周期對傳感器進行更換，或者根據歷史數據進行更換（比如每兩三年更換一次），抑或是發現傳感器對測試氣體沒有足夠反應的時候進行更換。在定期更換模式下，用戶得到保證——傳感器總是“嶄新的”，但恰恰是因為這樣的一再保證，用戶卻多掏了保險費，因為被更換下來的傳感器事實上還能正常工作相當長時間。只有在表現出靈敏度明顯下降（或者反應時間過分延長）時，傳感器才有可能在服務周期之間發生故障（一般僅為六個月）并進行更換