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氣體傳感器的原理
更新時(shí)間:2009-11-10   點(diǎn)擊次數(shù):3463次

氣體檢測(cè)儀的關(guān)鍵部件是氣體傳感器。氣體傳感器從原理上可以分為三大類:

    A、利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器:如半導(dǎo)體式(表面控制型、體積控制型、表面電位型)、催化燃燒式、固體熱導(dǎo)式等。

    B、利用物理性質(zhì)的氣體傳感器:如熱傳導(dǎo)式、光干涉式、紅外吸收式等。

    C、利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器:如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解質(zhì)式等。

 

    根據(jù)危害,我們將有毒有害氣體分為可燃?xì)怏w和有毒氣體兩大類。由于它們性質(zhì)和危害不同,其檢測(cè)手段也有所不同。

    1. 可燃?xì)怏w 可燃?xì)怏w是石油化工等工業(yè)場(chǎng)合遇到zui多的危險(xiǎn)氣體,它主要是烷烴等有機(jī)氣體和某些無(wú)機(jī)氣體:

        如一氧化碳等。 可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸必須具備一定的條件,那就是:一定濃度的可燃?xì)怏w,一定量的氧氣以及足夠熱量點(diǎn)燃它們的火源, 這就是爆炸三要素(如上左圖所示的爆炸三角形),缺一不可,也就是說(shuō),缺少其中任何一個(gè)條件都不會(huì)引起火災(zāi)和爆炸。 當(dāng)可燃?xì)怏w(蒸汽、粉塵)和氧氣混合并達(dá)到一定濃度時(shí),遇具有一定溫度的火源就會(huì)發(fā)生爆炸。

       

        我們把可燃?xì)怏w遇火源發(fā)生 爆炸的濃度稱為爆炸濃度極限,簡(jiǎn)稱爆炸極限,一般用%表示。 實(shí)際上,這種混合物也不是在任何混合比例上都會(huì)發(fā)生爆炸而要有一個(gè)濃度范圍。如上右圖所示的陰影部分。當(dāng)可燃?xì)?體濃度低于LEL(zui低爆炸限度)時(shí)(可燃?xì)怏w濃度不足)和其濃度高于UEL(zui高爆炸限度)時(shí)(氧氣不足)都不會(huì)發(fā)生爆 炸。

       

        不同的可燃?xì)怏w的LEL和UEL都各不相同,這一點(diǎn)在標(biāo)定儀器時(shí)要十分注意。 為安全起見,一般我們應(yīng)當(dāng)在可燃?xì)怏w濃度在LEL的25%或以下和50%時(shí)發(fā)出警報(bào),這里,25%LEL稱作低限報(bào)警,而50%LE L稱作高限報(bào)警。這也就是我們將可燃?xì)怏w檢測(cè)儀又稱作LEL檢測(cè)儀的原因。

 

        需要說(shuō)明的是,LEL檢測(cè)儀上顯示的100%不是可燃 氣體的濃度達(dá)到氣體體積的100%,而是達(dá)到了LEL的100%,即相當(dāng)于可燃?xì)怏w的zui低爆炸下限,如果是甲烷,100%LEL=5%體積 濃度(VOL)。 檢測(cè)可燃性氣體可使用半導(dǎo)體、催化燃燒式(抗中毒型)、熱傳導(dǎo)式和紅外式傳感器。

 

    2.有毒氣體的檢測(cè) 目前,對(duì)于特定的有毒氣體的檢測(cè),我們使用zui多的是氣體傳感器。 檢測(cè)毒氣的傳感器主要有半導(dǎo)體式,電化學(xué)式和電解電池式三種。

 

        定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解 質(zhì)式等 半導(dǎo)體式傳感器的靈敏度高,分辨率低。此種原理的傳感器幾乎已被淘汰,用戶在選用此種傳感器時(shí)要極為慎重。 電解電池式傳感器 固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過(guò)氣體時(shí)產(chǎn)生離子,從而形成電動(dòng) 勢(shì),測(cè)量電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。

 

        由于這種傳感器電導(dǎo)率高,靈敏度和選擇性好,得到了廣泛的應(yīng)用,幾乎打入了石化、環(huán) 保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域,僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。如測(cè)量H2S的YST-Au-WO3、測(cè)量NH3的NH+4CaCO3等。 電化學(xué)式傳感器是目前被廣泛應(yīng)用的檢測(cè)毒氣的傳感器。它利用氧化還原反應(yīng),通過(guò)不同的電解質(zhì)可檢測(cè)幾十種有毒氣體。

 

        根據(jù)電解質(zhì)的質(zhì)量,其壽命一般為2~4年。 電化學(xué)傳感器的構(gòu)成是:將兩個(gè)反應(yīng)電極--工作電極和對(duì)電極以及一個(gè)參比電極放置在特定電解液中(如上圖如示),然后在 反應(yīng)電極之間加上足夠的電壓,使透過(guò)涂有重金屬催化劑薄膜的待測(cè)氣體進(jìn)行氧化還原反應(yīng),再通過(guò)儀器中的電路系統(tǒng)測(cè)量氣 體電解時(shí)產(chǎn)生的電流,然后由其中的微處理器計(jì)算出氣體的濃度。

 

       目前,電化學(xué)傳感器是被廣泛應(yīng)用的檢測(cè)無(wú)機(jī)有毒氣體的傳感器,可以檢測(cè)到特定氣體的電化學(xué)傳感器包括:一氧化碳、硫化 氫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環(huán)氧乙烷、氯化氫等等.

 

    3. 揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢測(cè) 對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢測(cè)還有一種光離子化檢測(cè)器(photo-ionization detector 簡(jiǎn)稱PID),它可以測(cè)量低至ppm(并萬(wàn)分 之一)的有機(jī)有毒氣體和蒸氣濃度。

 

        PID 可以檢測(cè)大多數(shù)的揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compound ,簡(jiǎn)稱VOC)簡(jiǎn)單地講,PID可以測(cè)量含碳數(shù)從1(比如,CH2Cl2)一直到10(比如萘)的揮發(fā)性有機(jī)化合物。 PID可用于各類使用、生產(chǎn)、 存儲(chǔ)、運(yùn)輸各類有機(jī)化合物企業(yè)的安全衛(wèi)生。同時(shí),它也可以用于環(huán)保行業(yè)的應(yīng)急事故、工業(yè)衛(wèi)生咨詢、*檢查、防化等等 各個(gè)領(lǐng)域。

 

     4.氧氣檢測(cè)儀 氧氣也是在工業(yè)環(huán)境中,尤其是密閉環(huán)境中需要十分注意因素。一般我們將氧氣含量超過(guò)23.5%稱為氧氣過(guò)量(富氧),此時(shí)很 容易發(fā)生爆炸的危險(xiǎn);而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足(缺氧),此時(shí)很容易發(fā)生工人窒息、昏迷以至死亡的危險(xiǎn)。正常的 氧氣含量應(yīng)當(dāng)在20.9%左右。氧氣檢測(cè)儀也是電化學(xué)傳感器的一種。


 

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