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气体检测的原理与方法

催化燃烧检测器

对于常见的可燃气LEL的检测,通常采用催化燃烧检测器。催化燃烧式传感器的核心为一惠通斯电桥,其中一桥臂上有催化剂,当与可燃气体接触时,可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧,该桥臂的电阻发生变化,其余桥臂的电阻不变化,从而引起整个电路的输出发生变化,而该变化与可燃气体的浓度成比例,从而实现对可燃气体的检测。

从以上原理可知,通过该方法检测可燃气,它以催化燃烧为基础,所以它的分辨率较低。该方法的分辨率一般为1%LEL,大约为100PPm左右。所以对于有机气体毒性的检测不能采用该检测方法。

LEL传感器的灵敏度是以甲烷为代表的,由于不同气体燃烧产生的热量不同,一些分子量较大的碳氢化合物蒸汽(例如汽油、煤油)等很难扩散到传感器电极表面进行充分燃烧,因而输出灵敏度就较低。

常见气体在LEL传感器上的灵敏度与甲烷的比较见下表:


双量程可燃气传感器(TC)

TC传感器是一种可检测气体的爆炸下限和体积百分比浓度的传感器,在检测甲烷时可在LELVOL之间自动转换。

TC传感器的工作原理是:当气体通过加热的线圈时引起冷却,气体热导部分的电阻降低,达到检测的目的。由于每种气体的热导值是独一的,只要检测的气体与对照物相比,几乎任一种气体都可以用TC传感器进行检测。

TC传感器也需要标定,可以直接用目标气体进行标定,也可以使用某一种参考气体(例如甲烷)进行标定,再利用校正系数(CF)转换到目标气体浓度。


电化学检测器

对于常见有毒气体的检测,特别是无机毒气,一般采用专用的传感器进行检测。既定性又定量进行检测。该类传感器大多为电化学传感器(也称燃料池传感器)。电化学传感器分为二电极和三电极两种类型,由扩散栅、由金或铂等贵金属制成的传感电极(阴极、由铅锌等金属制成的参比电极 (阳极、电解液(比如氢氧化钾溶液或醋酸钾溶液)等组成,三电极传感器还增加有计数电极,另外还有外部湿度栅或过滤膜等,目标气体在传感电极上发生反应,产生的电流通过对电极构成回路,参比电极为传感电极提供合适的偏值。传感器通过参比电极与传感电极的催化剂实现选择性反应,即定性反应。回路产生的电流与气体的浓度成正比,实现定量反应,并且有很宽的线性测量范围。

对于某些电活性较弱的气体,比如氢气和一氧化氮等,需要在计数电极上使用一个偏置电压,这有助于传感器对特定化合物的检测。



电化学传感器性能比较稳定、线性度好、寿命较长、耗电很小、分辨率一般可以达到0.1ppm(随传感器不同有所不同)。它的温度适应性也比较宽(有时可以在-4050°C 间工作)。然而,它的读数温度变化的影响也比较大。所以很多这种仪器都有软硬件的温度补偿处理。

电解液池中的参比电极是不断被消耗的,当电极的所有表面被氧化,电化学反应就将停止,电流输出为零。此时,就要更换传感器。燃料池传感器的寿命大致可以维持一到两年。

电化学传感器的另一个缺点是干扰。例如CL2传感器会对10ppm的硫化氢有大约0.3ppm的读数,或者说,如果测量时存在10ppm的硫化氢,那么CL2的读数应当减去0.3ppm在某些情况下,干扰是正的,传感器的读数比实际值要大;有些则相反。还原性气体,比如硫化氢和一氧化碳会在电极上氧化,而氧化性气体,比如CL2、二氧化氮和臭氧,则在电极上还原。


氧气传感器:一般的氧气传感器为两电极传感器,由铅作阳极,它的检测原理与三电极大致相似,只是不如三电极的传感器的输出稳定,寿命较短,大约为一年。

在大多数的仪器中,即使是在关机状态,传感器也在产生电流和消耗。有些仪器通过切断电路避免电流流动来增加传感器的使用寿命。但这种方式的弊端在于仪器开启时重新平衡的时间加长(可能需要几分钟)。在重新平衡过程中,电流将重新流过电路。重新平衡需要较长时间的原因是扩散到传感器上的氧气已经积聚到了电极之上,而去除氧气的办法就是通过电化学反应将其转化为氧化铅。只有将积聚的氧气消耗殆尽才能得到准确的测量结果。一般仪器的做法是采取仪器开启后“倒计”的办法,读数开始会很高然后慢慢下降达到稳定数值。如果仪器具有此项功能,则在仪器达到重新平衡之前不要进行调零或者校正操作。


金属氧化物半导体传感器

金属氧化物半导体传感器(MOS)是一个宽带检测装置,既可以用于检测ppm级的有毒气体也可以用于检测百分比浓度的易燃易爆气体。

MOS传感器由一个金属半导体(比如SnO2)成。在清洁空气中,它的电导很低,而遇到还原性气体,比如一氧化碳或可燃性气体,传感元件的电导会增加。如果控制传感元件的温度,可以对不同的物质有一定的选择性。

MOS传感器的主要缺点是非线性响应、很难解释读数、灵敏度较差、湿度影响较大。当湿度增加时,传感器的输出也增加。而当湿度降低时,它的读数即使在存在污染物时也可能很低,甚至为零。有时由于选择曲线错误,可能会有误报警。另外一个问题是MOS传感器对常见污染物的检测线性范围相对较窄。在线性范围之内,检测结果很准确,而一旦浓度落在线性范围之外,也就无法提供准确的定量测定。


光离子化检测器 (PID)

光离子化检测器通过一个高能量的紫外灯提供离子化的能量,挥发性有机化合物被紫外光电离后的组份被离子腔收集产生电流,而电流与气体浓度成正比。

紫外灯发出的能量决定了它所能检测的化合物的种类。现在可以选择的能量有8.49.59.810.010.210.611.711.8 eV(随制造商不同)。大多数的产品允许在同一台仪器上使用不同能量的紫外灯。

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