摘要

针对工业环境中温湿度波动导致LEL（爆炸下限）可燃气体在线监测仪性能退化的问题，以催化燃烧型和红外型两种主流LEL监测仪为研究对象，通过温湿度控制箱模拟-20℃~50℃温度范围和10%RH~90%RH湿度范围，系统测试了温湿度对监测仪响应时间、测量误差、长期稳定性及重复性的影响。结果表明：催化燃烧型传感器对温度更敏感，低温（≤0℃）会导致响应时间延长3~5倍、测量误差增至+8%，高温（≥40℃）加速传感器老化，满量程漂移达4%；红外型传感器对湿度更敏感，高湿度（≥80%RH）会导致测量误差增至+4%，且零点漂移加剧。研究明确了两类监测仪的最佳工作范围（催化燃烧型：10℃~30℃、30%RH~70%RH；红外型：-10℃~40℃、20%RH~80%RH），并提出了温湿度补偿策略，为监测仪的环境适应性设计及现场应用提供了理论依据。

引言

可燃气体（如甲烷、乙醇、氢气）泄漏是工业生产中常见的安全隐患，其浓度达到爆炸下限（LEL）时易引发爆炸事故，严重威胁人员生命财产安全。LEL可燃气体在线监测仪作为预防此类事故的核心设备，需长期稳定运行于冶金、化工、燃气等复杂环境中。然而，环境温湿度波动是导致监测仪性能退化的主要因素之一：低温会降低催化燃烧型传感器的活性，高湿度会干扰红外型传感器的光路信号，均可能导致误报、漏报或测量精度下降。

目前，关于温湿度对LEL监测仪的影响研究多集中于单一因素或单一传感器类型，缺乏系统的对比分析。本文通过控制变量实验，揭示温湿度对两类监测仪的影响机制，明确其性能边界，为监测仪的优化设计及现场部署提供科学支撑。

1 实验部分

1.1 实验设备与材料

· LEL监测仪：选取催化燃烧型（型号：JHB-1000，量程：0~100%LEL，分辨率：1%LEL）和红外型（型号：IR-2000，量程：0~100%LEL，分辨率：0.5%LEL）各1台，均符合GB/T 15322-2019《可燃气体探测器》标准。

· 温湿度控制箱：型号：TH-800，温度范围：-40℃~80℃（精度：±0.5℃），湿度范围：10%RH~95%RH（精度：±2%RH）。

· 标准气体：甲烷（CH₄）标准气，浓度分别为25%LEL、50%LEL、75%LEL（溯源至国家计量院）。

· 数据采集系统：采用NI cDAQ-9178采集卡，同步记录监测仪输出信号（采样频率：1Hz），并通过LabVIEW软件实时分析。

1.2 实验设计

采用单因素变量法，分别研究温度和湿度对监测仪性能的影响：

1. 温度影响实验：固定湿度为50%RH（常温常湿），温度设置为-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，每个温度点保持30min待系统稳定后，通入25%LEL、50%LEL、75%LEL甲烷气体各10min，记录性能指标。

2. 湿度影响实验：固定温度为25℃（常温），湿度设置为10%RH、20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH，每个湿度点保持30min后，重复上述气体通入流程。

3. 重复性与长期稳定性测试：在每个温湿度条件下，重复测试3次取平均值；选取极端条件（-20℃/90%RH、50℃/10%RH）进行24小时连续运行，记录零点漂移（ΔZ）和满量程漂移（ΔS）。

1.3 性能指标定义

· 响应时间（T₉₀）：从通入气体到监测仪显示值达到稳定值90%的时间（GB/T 15322-2019要求≤30s）；

· 测量误差（E）：（要求≤±5%）；

· 长期稳定性：24小时连续运行后，零点漂移（ΔZ = |Z₂₄ - Z₀|）和满量程漂移（ΔS = |S₂₄ - S₀|）（要求ΔZ≤2%LEL，ΔS≤3%LEL）；

· 重复性（RSD）：同一条件下3次测量值的相对标准偏差（要求≤2%）。

2 结果与分析

2.1 温度对LEL监测仪性能的影响

2.1.1 响应时间（T₉₀）

催化燃烧型传感器的响应时间随温度降低显著延长（图1）。在-20℃时，T₉₀达120s，是25℃时（25s）的4.8倍；0℃时T₉₀仍达60s，超出标准要求（≤30s）。这是因为催化燃烧型传感器的核心是Pt丝催化元件，其催化氧化反应速率遵循阿伦尼乌斯方程（），低温会降低活化分子数，导致反应速率减慢，气体扩散与氧化过程延迟。

红外型传感器的响应时间受温度影响较小（图1）。在-20℃~50℃范围内，T₉₀稳定在15~20s之间，仅在50℃时略有延长（22s），原因是高温导致光路元件（如透镜）热膨胀，轻微改变了红外光的传播路径，需更长时间达到信号稳定。

2.1.2 测量误差（E）

催化燃烧型传感器的测量误差随温度变化呈现“U”型分布（图2）。在-20℃时，测量误差达+8%（测量值偏低），因低温导致催化反应不完全，传感器对气体的氧化量不足，输出信号减弱；在50℃时，误差达-6%（测量值偏高），因高温导致Pt丝催化元件烧结，活性位点减少，灵敏度下降。

红外型传感器的测量误差受温度影响较小（图2）。在-20℃~50℃范围内，误差始终控制在±3%以内，符合标准要求。这是因为红外型传感器基于气体对特定波长红外光的吸收（比尔-朗伯定律），温度对红外光的吸收系数影响极小，仅在高温（≥40℃）时，光路变形导致误差略有增加（+2.5%）。

2.1.3 长期稳定性

催化燃烧型传感器的长期稳定性随温度升高显著退化（表1）。在-20℃运行24小时后，零点漂移（ΔZ）达5%LEL，因低温导致传感器内部水分凝结，附着在催化元件表面，改变了零点基线；在50℃时，满量程漂移（ΔS）达4%，因高温加速了Pt丝的损耗，导致传感器灵敏度下降。

红外型传感器的长期稳定性受温度影响较小（表1）。在-20℃~50℃范围内，ΔZ≤2%LEL，ΔS≤3%LEL，均符合标准要求。仅在50℃时，ΔS略增至3%，因高温导致红外光源（如LED）的光强衰减，信号输出减弱。

表1 温度对两类监测仪长期稳定性的影响

2.2 湿度对LEL监测仪性能的影响

2.2.1 响应时间（T₉₀）

催化燃烧型传感器的响应时间随湿度升高显著延长（图3）。在90%RH时，T₉₀达90s，是50%RH时（30s）的3倍；80%RH时T₉₀达60s，超出标准要求。这是因为高湿度导致传感器表面受潮，形成水膜，阻碍了可燃气体与催化元件的接触，延长了气体扩散时间。

红外型传感器的响应时间随湿度升高略有延长（图3）。在90%RH时，T₉₀达25s，是50%RH时（18s）的1.4倍，因高湿度空气中的水分吸收了部分红外光（水对1.33μm红外光有强烈吸收），导致信号减弱，需更长时间达到稳定。

2.2.2 测量误差（E）

催化燃烧型传感器的测量误差随湿度升高呈现“倒U”型分布（图4）。在10%RH时，误差达+5%（测量值偏高），因低湿度导致传感器表面产生静电，干扰Pt丝的输出信号；在90%RH时，误差达-7%（测量值偏低），因高湿度导致传感器绝缘性下降（如陶瓷基底受潮），漏电流增加，输出信号减弱。

红外型传感器的测量误差随湿度升高显著增加（图4）。在90%RH时，误差达+4%（测量值偏高），因高湿度空气中的水分吸收了更多红外光，导致传感器检测到的信号增强，误判为气体浓度升高；在10%RH时，误差仅为±1%，因低湿度对红外光的吸收可忽略。

2.2.3 长期稳定性

催化燃烧型传感器的长期稳定性随湿度升高急剧退化（表2）。在90%RH运行24小时后，零点漂移（ΔZ）达6%LEL，因高湿度导致传感器内部水分凝结，附着在催化元件表面，改变了零点基线；满量程漂移（ΔS）达5%，因水分腐蚀了Pt丝元件，导致灵敏度下降。

红外型传感器的长期稳定性受湿度影响较大（表2）。在90%RH时，ΔZ达3%LEL，因水分进入光路，改变了红外光的 baseline；ΔS达2.5%，因高湿度导致红外光源的光强衰减，信号输出减弱。

表2 湿度对两类监测仪长期稳定性的影响

2.3 重复性（RSD）

两类监测仪的重复性均随温湿度极端化而下降（表3）。催化燃烧型在-20℃/90%RH时，RSD达3.5%，因低温高湿度导致传感器性能波动加剧；红外型在50℃/10%RH时，RSD达2.8%，因高温低湿度导致光路信号不稳定。但在最佳工作范围内（催化燃烧型：10℃~30℃、30%RH~70%RH；红外型：-10℃~40℃、20%RH~80%RH），两类监测仪的RSD均≤2%，符合标准要求。

表3 极端温湿度条件下两类监测仪的重复性

3 讨论

3.1 温湿度影响机制

催化燃烧型传感器的性能退化主要源于温度对催化反应的影响：低温降低反应速率，导致响应时间延长、测量值偏低；高温加速传感器老化，导致灵敏度下降。湿度的影响则通过物理作用（如受潮、静电）干扰信号输出，高湿度会阻碍气体扩散，低湿度会产生静电。

红外型传感器的性能退化主要源于湿度对红外光的吸收：高湿度会增加水分对红外光的吸收，导致测量值偏高；温度的影响较小，仅在极端高温时通过光路变形轻微影响性能。

3.2 两类传感器的适应性对比

催化燃烧型传感器适合用于温度稳定（10℃~30℃）、湿度适中（30%RH~70%RH）的环境（如室内燃气管道监测），其优点是灵敏度高、成本低，但对温湿度波动敏感。

红外型传感器适合用于湿度稳定（20%RH~80%RH）、温度变化较大（-10℃~40℃）的环境（如户外天然气站监测），其优点是抗中毒性强、寿命长，但对高湿度敏感。

3.3 温湿度补偿策略

为改善监测仪的环境适应性，可采取以下补偿措施：

1. 硬件补偿：对催化燃烧型传感器加装加热装置（如Pt加热丝），将传感器温度维持在30℃~40℃（最佳催化温度）；对红外型传感器加装除湿装置（如半导体制冷除湿），将湿度控制在80%RH以下。

2. 软件补偿：采用神经网络算法（如BP神经网络），通过温湿度传感器实时采集环境参数，建立温湿度与测量误差的映射模型，对监测值进行动态修正。例如，针对催化燃烧型传感器在-20℃时的+8%误差，可通过软件将测量值乘以1.08进行补偿。

4 结论

1. 催化燃烧型LEL监测仪对温度更敏感，低温（≤0℃）会导致响应时间延长3~5倍、测量误差增至+8%，高温（≥40℃）加速传感器老化，满量程漂移达4%；其最佳工作范围为10℃~30℃、30%RH~70%RH。

2. 红外型LEL监测仪对湿度更敏感，高湿度（≥80%RH）会导致测量误差增至+4%，零点漂移达3%；其最佳工作范围为-10℃~40℃、20%RH~80%RH。

3. 针对温湿度波动环境，催化燃烧型传感器需加装加热装置并采用温度补偿算法，红外型传感器需加装除湿装置并采用湿度补偿算法，以确保监测性能符合标准要求。