氣體傳感器的原理
氣體檢測儀的關(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、利用物理化學性質(zhì)的氣體傳感器:如半導體式(表面控制型、體積控制型、表面電位型)、催化燃燒式、固體熱導式等。
B、利用物理性質(zhì)的氣體傳感器:如熱傳導式、光干涉式、紅外吸收式等。
C、利用電化學性質(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。
氣體傳感器的原理:根據(jù)危害,我們將有毒有害氣體分為可燃氣體和有毒氣體兩大類。由于它們性質(zhì)和危害不同,其檢測手段也有所不同。
1. 可燃氣體可燃氣體是石油化工等工業(yè)場合遇到*多的危險氣體,它主要是烷烴等有機氣體和某些無機氣體:
如一氧化碳等。可燃氣體發(fā)生爆炸必須具備一定的條件,那就是:一定濃度的可燃氣體,一定量的氧氣以及足夠熱量點燃它們的火源,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,缺少其中任何一個條件都不會引起火災和爆炸。當可燃氣體(蒸汽、粉塵)和氧氣混合并達到一定濃度時,遇具有一定溫度的火源就會發(fā)生爆炸。
我們把可燃氣體遇火源發(fā)生爆炸的濃度稱為爆炸濃度極限,簡稱爆炸極限,一般用%表示。實際上,這種混合物也不是在任何混合比例上都會發(fā)生爆炸而要有一個濃度范圍。如上右圖所示的陰影部分。當可燃氣體濃度低于LEL(*低爆炸限度)時(可燃氣體濃度不足)和其濃度高于UEL(*高爆炸限度)時(氧氣不足)都不會發(fā)生爆 炸。
不同的可燃氣體的LEL和UEL都各不相同,這一點在標定儀器時要十分注意。為**起見,一般我們應當在可燃氣體濃度在LEL的25%或以下和50%時發(fā)出警報,這里,25%LEL稱作低限報警,而50%LEL稱作高限報警。這也就是我們將可燃氣體檢測儀又稱作LEL檢測儀的原因。
氣體傳感器的原理: 需要說明的是,LEL檢測儀上顯示的100%不是可燃氣體的濃度達到氣體體積的100%,而是達到了LEL的100%,即相當于可燃氣體的*低爆炸下限,如果是甲烷,100%LEL=5%體積濃度(VOL)。 檢測可燃性氣體可使用半導體、催化燃燒式(抗中毒型)、熱傳導式和紅外式傳感器。
2.有毒氣體的檢測 目前,對于特定的有毒氣體的檢測,我們使用*多的是專用氣體傳感器。檢測毒氣的傳感器主要有半導體式,電化學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氣體時產(chǎn)生離子,從而形成電動勢,測量電動勢從而測量氣體濃度。
由于這種傳感器電導率高,靈敏度和選擇性好,得到了廣泛的應用,幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域,僅次于金屬氧化物半導體氣體傳感器。如測量H2S的YST-Au-WO3、測量NH3的NH+4CaCO3等。電化學式傳感器是目前被廣泛應用的檢測毒氣的傳感器。它利用氧化還原反應,通過不同的電解質(zhì)可檢測幾十種有毒氣體。
氣體傳感器的原理:根據(jù)電解質(zhì)的質(zhì)量,其壽命一般為2~4年。電化學傳感器的構(gòu)成是:將兩個反應電極--工作電極和對電極以及一個參比電極放置在特定電解液中(如上圖如示),然后在反應電極之間加上足夠的電壓,使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進行氧化還原反應,再通過儀器中的電路系統(tǒng)測量氣體電解時產(chǎn)生的電流,然后由其中的微處理器計算出氣體的濃度。
目前,電化學傳感器是被廣泛應用的檢測無機有毒氣體的傳感器,可以檢測到特定氣體的電化學傳感器包括: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)性有機化合物的檢測對揮發(fā)性有機化合物的檢測還有一種光離子化檢測器(photo-ionization detector簡稱PID),它可以測量低至ppm(并萬分 之一)的有機有毒氣體和蒸氣濃度。
PID可以檢測大多數(shù)的揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compound,簡稱VOC)簡單地講,PID可以測量含碳數(shù)從1(比如,CH2Cl2)一直到10(比如萘)的揮發(fā)性有機化合物。PID可用于各類使用、生產(chǎn)、存儲、運輸各類有機化合物企業(yè)的**衛(wèi)生。同時,它也可以用于環(huán)保行業(yè)的應急事故、工業(yè)衛(wèi)生咨詢、公安檢查、防化等等 各個領(lǐng)域。
4.氧氣檢測儀氧氣也是在工業(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23.5%稱為氧氣過量(富氧),此時很容易發(fā)生爆炸的危險;而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足(缺氧),此時很容易發(fā)生工人窒息、昏迷以至死亡的危險。正常的氧氣含量應當在20.9%左右。氧氣檢測儀也是電化學傳感器的一種。