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气体传感器的原理
发布时间:2009-11-10   点击次数:2319次

气体检测仪的关键部件是气体传感器。气体传感器从原理上可以分为三大类:

    A、利用物理化学性质的气体传感器:如半导体式(表面控制型、体积控制型、表面电位型)、催化燃烧式、固体热导式等。

    B、利用物理性质的气体传感器:如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。

    C、利用电化学性质的气体传感器:如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。

 

    根据危害,我们将有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类。由于它们性质和危害不同,其检测手段也有所不同。

    1. 可燃气体 可燃气体是石油化工等工业场合遇到zui多的危险气体,它主要是烷烃等有机气体和某些无机气体:

        如一氧化碳等。 可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件,那就是:一定浓度的可燃气体,一定量的氧气以及足够热量点燃它们的火源, 这就是爆炸三要素(如上左图所示的爆炸三角形),缺一不可,也就是说,缺少其中任何一个条件都不会引起火灾和爆炸。 当可燃气体(蒸汽、粉尘)和氧气混合并达到一定浓度时,遇具有一定温度的火源就会发生爆炸。

       

        我们把可燃气体遇火源发生 爆炸的浓度称为爆炸浓度极限,简称爆炸极限,一般用%表示。 实际上,这种混合物也不是在任何混合比例上都会发生爆炸而要有一个浓度范围。如上右图所示的阴影部分。当可燃气 体浓度低于LEL(zui低爆炸限度)时(可燃气体浓度不足)和其浓度高于UEL(zui高爆炸限度)时(氧气不足)都不会发生爆 炸。

       

        不同的可燃气体的LEL和UEL都各不相同,这一点在标定仪器时要十分注意。 为安全起见,一般我们应当在可燃气体浓度在LEL的25%或以下和50%时发出警报,这里,25%LEL称作低限报警,而50%LE L称作高限报警。这也就是我们将可燃气体检测仪又称作LEL检测仪的原因。

 

        需要说明的是,LEL检测仪上显示的100%不是可燃 气体的浓度达到气体体积的100%,而是达到了LEL的100%,即相当于可燃气体的zui低爆炸下限,如果是甲烷,100%LEL=5%体积 浓度(VOL)。 检测可燃性气体可使用半导体、催化燃烧式(抗中毒型)、热传导式和红外式传感器。

 

    2.有毒气体的检测 目前,对于特定的有毒气体的检测,我们使用zui多的是气体传感器。 检测毒气的传感器主要有半导体式,电化学式和电解电池式三种。

 

        定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解 质式等 半导体式传感器的灵敏度高,分辨率低。此种原理的传感器几乎已被淘汰,用户在选用此种传感器时要极为慎重。 电解电池式传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子,从而形成电动 势,测量电动势从而测量气体浓度。

 

        由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,得到了广泛的应用,几乎打入了石化、环 保、矿业等各个领域,仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。 电化学式传感器是目前被广泛应用的检测毒气的传感器。它利用氧化还原反应,通过不同的电解质可检测几十种有毒气体。

 

        根据电解质的质量,其寿命一般为2~4年。 电化学传感器的构成是:将两个反应电极--工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中(如上图如示),然后在 反应电极之间加上足够的电压,使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应,再通过仪器中的电路系统测量气 体电解时产生的电流,然后由其中的微处理器计算出气体的浓度。

 

       目前,电化学传感器是被广泛应用的检测无机有毒气体的传感器,可以检测到特定气体的电化学传感器包括:一氧化碳、硫化 氢、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、氯气、氰氢酸、环氧乙烷、氯化氢等等.

 

    3. 挥发性有机化合物的检测 对挥发性有机化合物的检测还有一种光离子化检测器(photo-ionization detector 简称PID),它可以测量低至ppm(并万分 之一)的有机有毒气体和蒸气浓度。

 

        PID 可以检测大多数的挥发性有机化合物(volatile organic compound ,简称VOC)简单地讲,PID可以测量含碳数从1(比如,CH2Cl2)一直到10(比如萘)的挥发性有机化合物。 PID可用于各类使用、生产、 存储、运输各类有机化合物企业的安全卫生。同时,它也可以用于环保行业的应急事故、工业卫生咨询、*检查、防化等等 各个领域。

 

     4.氧气检测仪 氧气也是在工业环境中,尤其是密闭环境中需要十分注意因素。一般我们将氧气含量超过23.5%称为氧气过量(富氧),此时很 容易发生爆炸的危险;而氧气含量低于19.5%为氧气不足(缺氧),此时很容易发生工人窒息、昏迷以至死亡的危险。正常的 氧气含量应当在20.9%左右。氧气检测仪也是电化学传感器的一种。


 

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