氣體探測器的原理

1、氣體探測器的原理氣體探測器的介紹：氣體探測器的主要作用是有泄露或危險將要發(fā)生時，提醒有關人員采取相關措施保護在現(xiàn)場工作的人員，生產設備的安全運轉以及周圍環(huán)境。如果你能正確地選擇所使用的探測器，你將使它們表現(xiàn)得更好。目前有許多種氣體探測技術可幫助今天的工業(yè)來 保護人類和生產，當然，每一種技術都有優(yōu)點和缺點。從以下最流行的技術中我們將看出沒 有單一 “最好的方法”，而只有根據(jù)你的實際情況由多種技術組合成的最好的氣體探測系統(tǒng)。 氣體探測器主要是由傳感器和相關電路組成。傳感器是整個探測器的關鍵部位，它是決定其可靠性的重要因素之一。目前有以下幾種氣體探測技術：電化學技術，催化燃燒技術，化學紙帶技術，固態(tài)

2、金屬氧化物技術，紅外技術，以及光電離技術等等。電化學技術與催化燃燒技術 不同電化學氣體傳感器中所包含的不同成份決定了它可與相應的毒氣發(fā)生反應；測 量頭可測量反應所產生的電流并將其轉換成氣體濃度值（PPM或PPB）。催化傳感器在涂有催化劑的小球上“無焰燃燒”可燃性氣體；測量頭可測量電阻的變化并通過A/D轉換，顯示變化相應的讀數(shù)。一般以爆炸下限作為滿量程。由于電化學型和催化燃燒型測量頭相對較低的成本，它們通常被用于“源點”（即泄漏有可能發(fā)生的地方）處的測量。因而對泄漏的反應迅速并可連續(xù)探測。另外，由于沒有可移動部件，所以不會造成機械故障。但是，這兩種類型的傳感器也有缺點：一些氣體傳感器不但對與之相

3、應的氣體（即它們按照設計應該反應的氣體）反應，而且對其他氣體（干擾氣體）也發(fā)生反應，因此有必要注意在設計和安 裝過程中避免將這些傳感器用在有可能有干擾氣體存在的地方。傳感器需要定期標定， 通常為三個月一次（視不同品牌，工作環(huán)境，工作狀態(tài)等因素的影響）；傳感器在使用1到3年后通常需要更換（視不同品牌，工作環(huán)境，工作狀態(tài)等因素的影響）。另外，有些品牌的傳感器使用的是電解溶液，這就需要定期填充電解液?；瘜W紙帶技術 化學紙帶技術是用經過化學浸泡的紙帶去探測有毒氣體。這種紙帶非常象石蕊試紙當遇到某種相應的氣體時會改變顏色；紙帶機通過光電管測量，分析紙帶顏色的變化，并將其轉換成氣體濃度值。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是

4、，作為顏色變化反應的結果，紙帶機提供的是氣體泄漏的物理證據(jù)（相反，電化學型，催化燃燒型，固態(tài)金屬氧化物型，和紅外型測量頭僅僅輸出4 - 20mA的信號）。特別是它們也受干擾氣體的影響，但要比電化學型，固態(tài)金屬氧化物型的影響小，因此比它們更具專一性。另外，紙帶機比電化學型能探測更多的氣體。紙帶機的缺點是：它們只能用于有毒氣體的探測而不能探測象氫氣等的可燃性氣體。由于紙帶機價格昂貴，所以通常被置于中心位置并通過采樣管與各個測量點相連；每個測量點的氣樣被依次泵吸過來。因此在氣體泄漏和探測之間存在著顯著的時間滯后現(xiàn)象，而且依次泵吸可導致探測儀表忽略一些氣體泄漏。另外，活潑氣體（象HF , CI2 ,

5、HCI，和NH3 ）很容易被吸附到采樣管上而導致探測儀表無法“看見”氣體泄漏。機械故障也總是紙帶機的一個問題（紙盒驅動軋住了，光 學鏡頭臟了，泵壞了，過濾器堵塞了以及流量不穩(wěn)定），所以需要定期的預防性維護。光學 系統(tǒng)的定期標定也是必要的。制造商建議每半年要更換一次紙帶， 雖然這是一個簡單的過程，但紙帶的購買和處理確是十分昂貴的。固態(tài)金屬氧化物技術 固態(tài)金屬氧化物傳感器是由金屬氧化物（通常為氧化錫）制成的，通過改變電阻來反應氣體的存在；測量頭測量電阻的變化并將其轉換為濃度。固態(tài)金屬氧化物傳感器的優(yōu)點是：它們有很長的壽命，通常為 10年。它們能探測的氣體范圍非常廣，甚至包括電化學型和紙帶機 所不能

6、探測的氣體。因為它們相當便宜，所以通常被用于“源點”處的探測，而且對泄漏的 反應迅速并可連續(xù)探測。它們沒有可導致機械故障的可移動部件。雖然固態(tài)金屬氧化物傳感器能夠探測很多種氣體且靈敏度高，但是它們的選擇性很差，因此“誤報警”的機率要明 顯高于其他技術。另外，當它們不暴露于被探測氣體一段時間后，固態(tài)金屬氧化物傳感器將被氧化并進入“睡眠”狀態(tài)，這意味著它們對真正的氣體泄漏不發(fā)生反應。而且固態(tài)金屬氧 化物傳感器提供的是非線性輸出，因此要比具有線性輸出的電化學傳感器的標定困難的多,所需時間也長。紅外技術 傅立葉變換型紅外（FTIR）儀表 傅立葉變換型紅外（FTIR ）儀表是利用分光光度技術探測氣體的。

7、當紅外光通過樣氣時被樣氣吸收，該儀表通過分析其吸收光譜來決定它的組成。到目前為止，毫無疑問FTIR在通常的應用中是最精確的氣體技術，它具有良好的靈敏度和極低的誤報警。沒有消耗備件，因此后期維護費用遠遠低于其他技術。但是，由于價格昂貴，F(xiàn)TIR通常被置于中心位置并通過采樣管與各個測量點相連；每個測量點的氣樣被依次泵吸過來。因此在氣體泄漏和探測之間存在著顯著的時間滯后現(xiàn) 象。另外，象紙帶機一樣，活潑氣體（象 HF, CI2，HCI，和NH3 ）很容易被吸附到采樣 管上而導致探測儀表無法“看見”氣體泄漏。機械故障也是FTIR儀表的一個問題-旋轉光閘損耗或軋住了，泵壞了。兩波長紅外吸收技術兩波長紅外吸

8、收儀表是根據(jù)碳氫化合物的 氣體和蒸氣在電磁光譜中的紅外區(qū)域可吸收一定波長紅外能量的原理制成的。所謂兩波長， 即參考波長，碳氫化合物在此波長不吸收紅外能量；測量波長，碳氫化合物在此波長強烈吸收紅外能量。如果有碳氫化合物在測量區(qū)域內，那么在測量檢波器上測到的紅外能量將低于參考檢波器上的。儀表通過測量兩者的差來給出碳氫化合物氣體和蒸氣的濃度。它是在FTIR技術-分析。實驗室技術的基礎上發(fā)展起來的，更適合于職業(yè)防護和工作現(xiàn)場的監(jiān)測。相比于催化燃燒型，它反應速度極快；沒有催化燃燒型的中毒現(xiàn)象；準確度不受碳氫化合物氣流速度的影響；測量范圍最低0 lOOOppm ，最高可達0 -100%v ;由于它在測量中

9、不需要氧氣?？諝猓钥蓱糜诙栊詺怏w環(huán)境。它通過使用不可移動部件，可不受振動和沖擊的影響；使用防塵罩，防濺罩和鏡面加熱技術，使之可用于十分的惡劣環(huán)境；非損耗型電子循環(huán)紅外光源，壽命至少有4年；除燈外，所有部件無老化現(xiàn)象；測量頭通過定期自檢，具有自動報告故障的特性；標定可每6個月進行一次；因此比 FTIR技術顯著降低了后期維護費用并降低 了誤報警的可能性。由于紅外波長的限制， 它只適用于具有碳氫鍵的碳氫化合物，而不能探測CS2 , H2 ,C0,NH3等氣體，而且象乙炔和苯這樣的碳氫化合物也不能探測。因此相比于催化燃燒型傳感 器，它更適用于具有長鏈的碳氫化合物。雖然其開始投資價格昂貴，但總體價

10、格要低于催化燃燒技術。光電離技術（PID）光電離傳感器利用紫外光電離氣體分子，并用于探測易揮發(fā)有機化合物。特制的紫外燈產生紫外光輻射能，氣體分子受到紫外光輻射而電離。測量頭 將此時測量到的紫外光輻射能轉化為氣體濃度。這種紫外光輻射能的單位為電子伏。標準的紫外光源有8.4eV, 9.6 eV, 10.6 eV, 和11.7 eV。而最通常的是 10.6 eV，因為它的光源更 結實。11.7 eV的光源是鋰的氟化物，它較軟，易碎。光電離技術可探測那些氣體電離勢能 在紫外光源輻射能量水平之下的氣體。例如，苯的光電離勢能是9.24 eV,所以可用9.6 eV,10.6 eV,和11.7 eV 的光源。

11、PID傳感器的優(yōu)勢是良好的靈敏度和快速反應。這種測量頭可以對許多低濃度的氣體快速反應。由于PID傳感器不會受到高濃度氣體的傷害，所以通常被用于決定使用何種個體防護裝備。PID傳感器的缺點是選擇性。PID只可以探測那些氣體光電離勢能低于光源輻射水平的氣體。由于光源需要經常清洗，儀表需要經常標定以確保準確性。傳感器如何工作電化學型氣體探測有許多優(yōu)點，并被認為是在需要氣體探 測的地方所使用的最好的技術。絕大多數(shù)電化學有毒氣體傳感器是基于同樣的原理制造的。但是，不同制造商生產的傳感器存在著顯著的不同。假設氣體探測系統(tǒng)對你的設施十分重要，你最好就要了解這些不同，以及這種技術通常的局限性。電化學傳感器通常

12、有三個主要部件：電極（一個或多個涂有催化劑的電極），電解液和可滲透性的薄膜。氣體通過薄膜擴散 進來，在電解液-催化劑交界處發(fā)生反應產生電流。例如，HCI的反應： 2HCI+H2O?CI2+4H +4e 4H +O2?2H2O測量頭測量所產生的電流并將其轉換成氣體濃度。因為釋放出的電子數(shù)量與氣體濃度成比例，所以傳感器的輸出是線性的。傳感器的壽命 傳感器的壽命由許多因素決定，包括熱，濕度，粉塵和累加的氣體暴露。在正常工作狀況下，傳感器的壽命最少應該有一年，在很多情況下可達到三年。短時間暴露于高濃度的氣體將影響傳感器在近期內的表現(xiàn)，甚至影響傳感器的壽命。雖然傳感器的輸出是線性的，但反應時間是一個對數(shù)

13、函數(shù)。通過薄膜擴散進來的第一個氣體分子在反應中將產生一個非常 迅速的變化；當傳感器的輸出達到了實際環(huán)境中的氣體濃度時，反應的變化速率慢慢降低。最好的傳感器的反應曲線看起來非常象一個階梯函數(shù)；而最壞的看起來更象一條直線。反應曲線倒過來決定了傳感器在暴露于氣體之后的恢復時間。 制造商通常定義一段時間，例如10分鐘，作為傳感器達到它的最大輸出時所需要的時間。傳感器的T90是它達到這個值的 90 %時所需要的時間；T50是達到50 %時所需要的時間。 這兩個數(shù)越低，傳感器的表現(xiàn)就越好。預熱周期 絕大多數(shù)電化學傳感器需要對傳感器的電極維持一個固定的偏差。這個偏差是傳感器表現(xiàn)好壞的關鍵因素之一；使用它之后

14、，電解液通常需要時間去達到平衡。對大多數(shù)傳感器來說，預熱周期為4-8個小時。然而，一些制造商生產的傳感器具有維持這個偏差的內置電池，從而縮短了預熱時間。因為電化學傳感器通常被標定為標準狀態(tài)，這個標準狀態(tài)不可能恢復為最初的標準狀態(tài)，所以“準確度”對 電化學傳感器來說是個使人誤解的名詞。而通常使用最多的表現(xiàn)測量狀況的是線性、重復性和靈敏度。傳感器的線性和重復性按照標準的定義。被認為是最低探測度（MDL ）的靈敏度通常被定義為傳感器固有本底噪聲的3倍。漂移和干擾所有電化學傳感器都有零點漂移現(xiàn)象。但這通常是一個長期的現(xiàn)象，而且可通過定期的標定充分補償它。干擾氣體而不是目標氣體導致傳感器發(fā)生反應確是用戶

15、關心的短期現(xiàn)象；而這種現(xiàn)象通常被誤認為是零點漂移。因為干擾氣體與電解液的組分有關，所以不能消除其對傳感器的影響。但是，在許多實際應用中（例如氣柜）它們又不是個問題-不存在干擾氣體。對于其他的應用，制造商可提供一些過濾裝置阻擋某種干擾氣體（例如H2S或HCI ）進入傳感器。在設計和安裝過程中仔細安置氣體探測裝置也可避免氣體干擾的問題。濕度和氣流 傳感器中的電解液通常是吸濕的，這就意味著電解液中的水傾向于與周圍空氣中的水達到平衡。因為水是電化學反應的關鍵部分，所以在非常干（和非常熱）的地區(qū)，傳感器的壽命將會縮短。類似的，在具有持 續(xù)高濕的環(huán)境中也會縮短傳感器的壽命。一些制造商為解決這些問題生產出用于干燥或潮濕環(huán)境中的具有特殊配方的傳感器。快速經過傳感器表面的氣流（通常大于1升/分鐘）能夠