气体侦测器原理

《气体侦测器原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气体侦测器原理（19页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、气体探测原理可燃气体传感器 很多人可能曾经看过防爆灯，并了解其一些用途，作为一种早期形式 的地下煤矿下水道内的“沼气”气体探测器。尽管最初是准备用来作 为光源使用的，但该设备还可用于评估可燃气体的水平一精确度约为 25 50%，这主要取决于用户的经验、培训、年龄、色知觉等。现代 可燃气体探测器应较原始物更加精确、可靠及具有更高可重复性，尽 管已经人们曾经做了很多尝试设法克服安全灯的测量主观性（例如使 用一个火焰温度传感器），但安全灯现在却几乎完全被更现代的电子 设备取代了。尽管如此，但现在最常用的设备，燃烧式传感器，在某 些方面却可以说是早期防爆灯在现代的发展，这是因为它还是将其操 作依赖于一

2、种气体的燃烧及其向二氧化碳和水的转化。催化式传感器几乎所有现代低成本的可燃气体探测传感器都是电催化类型的。它们包含一个很小的传感元件，这个传感元件有时被称为“bead （珠）”、 “Pellistor”或“Siegistor” 一其中后两者已经被注册为商业设备 的商品名。它们是用一个电加热的铂金属螺旋线制成，该铂金属螺旋 线外覆盖了两层物质，里面一层为陶瓷基料，如氧化铝，外面一层则 是最终外部铂金属涂层或分散在氧化钍底层上的铑催化剂。 传感 器输出稳定运行可通过使用防毒传感器得到进一步改进。这些传感器 对那些可迅速去活（或“抑制”）其他类型的燃烧式传感器的物质的 降解作用具有更高抵抗作用。为在

3、不断变化的环境状态下确保温度稳 定性，最好的催化燃烧式传感器使用了热对珠。它们分别位于 Wheatstone 电桥电路对立的两个支路上，在这两个支路上，其中一 个“灵敏的”传感器（即常所谓s传感器）将会与所有存在的可 燃气体反应，而另一个平衡的惰性或不灵敏的（n-s ）传感 器则不会。惰性操作可以通过在珠上涂上一薄层玻璃或使催化剂无效 而达到，从而使其仅作为任何外部温度或湿度变化的补偿器而作 用。响应速度0要符合设计安全的必要要求，应将催化燃烧式传感器安装在一个坚固 的金属机壳内，放置在防火器后面。这就允许了气体/空气混合物进 入机壳内并扩散到热传感器元件上，但却能阻止任何火焰蔓延到外部 大气

4、中。防火器会稍微降低传感器的响应速度，但是，在大多数情况 下，电输出也仅仅不过在探测到气体后几秒钟内就能显示读数。然而， 由于响曲线在达到最终读数时非常的平，所以，响应时间一般指定为 到达90%最终读数的时间，所以，也就是所谓的T90值。催化燃烧 式传感器的T90值一般在20到30秒之间inSewIoTrnwilh inlnrvfinaiFiuui cnMtrzilioc-TrftimitDfr mW iwinin-anw onosnum (:比bnrln-n（注意：在美国和其他一些国家，这个值通常被引用为较低的T60读数，因此，在比较不同传感器的性能时，应特别注意。）标定TYflGAL TY

5、PES OF GAS SEHSOR/TRANSMITTEft燃烧式传感器最常见的故障是由于暴露在特定 毒物下而引起的性能退化。所以，所有气体监测系统都不只要在安装 时标定，而且还应定期进行核对，并进行必要的重新标定，这些都是 必不可少的。核对时必须使用经精确标定的标准气体混合物，这样， 就可以在控制器上正确的设置零点和“间距”水平了。EN50073：1999等规范的规则可以为核对频率和报警级别设置的标定提供一些指导。一般而言，开始时应每周进行一次核对，但 在获得操作经验后，这个周期可以延长。当需要两个报警级别时，这 两个报警级别通常会被设置为下限20 25%LEL,上限50 55%LEL。 早

6、期（及低成本）的系统需要两个人核对和标定，其中一个人的责任 是将传感器暴露于气流中,另一个的责任则是核对传感器控制部件的 标度上所显示的读数。然后,就要在控制器上调整零点和间距电位计, 直到读数完全与气体混合物的浓度一致为止。记住,当必须在一个防 火机壳中进行调整时,首先必须断开电源,然后必须获得打开机壳的 许可。现在,市场上可以买到很多“单人”标定系统,这些系统允许 传感器自身执行标定程序。这就大大减少了维护的时间和成本,尤其 是对那些很难到达传感器位置的标定,如海上石油或煤气钻井平台。 或者,现在还有一些可买到的传感器是为了内在安全标准而设计的, 且因此具有在远离场所的方便地方（如维修站）

7、进行标定的可能。因 为它们是内在安全的,所以,当场所内需要替换传感器时,可以用这 种传感器自由交换,而不需要处于安全原因在替换前先关闭系统。因 此,维护可以在“通电”的系统上进行了,并且比早期的传统系统更 快速和便宜。 半导体传感器Voltage Source用半导体材料制成的传感器在20世纪80年代末开始变得非常流行， 曾经一度似乎提供了生产出一种万能的低成本气体探测器的可能性。 与燃烧式传感器相同，它们也是依靠在一种加热氧化物的表面吸收气 体而工作的。事实上，这是一层沉积在硅片上的金属氧化物薄膜（通 常为过渡金属或重金属，如锡的氧化物），其沉积的过程基本与电脑 “芯片”的制作过程相同。氧化

8、物表面对样品气体的吸收，接着进行 催化氧化，从而导致金属氧化物电阻的变化，且能反映到样品气体的 浓度变化上。传感器表面被加热到200 250 C之间的一个恒定温 度，以增加反应速率，降低环境温度变化所带来的影响。半导体传感器非常简单，但却很坚固，同时还是非常灵敏的。在用于 探测硫化氢气体时，半导体传感器非常的成功，这种传感器还广泛地 应用于廉价的家用气体探测器的制造。然而，在用于工业应用时，它 们却不是非常的可靠，这是因为它们不是特定气体专用的，且大气温 度和湿度的变化也会对之产生影响。这种传感器多半比其他类型传感 器需要更多的核对，因为我们已经知道，若不使用气体混合物对之进 行定期核对的话，

9、它们就会“麻木”（即失去灵敏性），且在暴露于 气体喷发之后，它们的响应速度和恢复速度都很慢。导热性Sealed 呵ermce ggg cMamtserfieferenw elementSers-ing alwiwnt该气体探测器技术适用于高浓度（v/v）二元气体混合物的测量。 主要用于探测导热性远远超过空气的气体，如甲烷和氢气。而导热性 接近于空气的气体则不能探测到，如氨气和一氧化碳。导热性小于空 气的气体就更难以探测了，因为水蒸气会产生干扰，如二氧化碳和丁 烷。这种技术还可以测量两种气体的混合物（在隔绝空气情况下）。将经加热的传感元件暴露于样品中，而参考元素则被包围在一个密封 的小隔间内。若

10、样品气体的导热性大于参考元素的导热性，那么，传感元件的温度就会下降；若样品气体的导热性小于参考元素的导热 性，那么，样品元素的温度就会升高。这些温度变化是与样品元素处 存在的气体的浓度成比例的。红外气体探测器 很多可燃气体在光的电磁波谱的红外区都具有吸收带，而很多年以 来，红外吸收的原理就已经是一种实验室分析工具了。然而，自20 世纪 80 年代以来，电子学和光学的发展使得设计一种电源足够低、 体积较小的设备变为可能，从而使得可以将该技术应用于工业气体探 测产品。这些传感器较之于燃烧式传感器，具有一些重要的优势。其 响应速度非常快（一般少于 10 秒），维护价格低，核对简单，使用 了现代微处理

11、器控制设备的自检设备。它们还可被设计成不受任何已 知“毒物”的影响，并且非常可靠，且可在惰性大气、各种环境温度、 压力及湿度状态中成功作业。本技术基于双波长 IR 吸收原理工作，光借助这项技术以两个波长通 过样品混合物，其中一个波长被设置为所探测气体的吸收峰值，而另 外一个则不是。这两个光源交互脉冲，并沿着一个普通的光学路径前 进，以便于通过一个防火“窗”显现出来，然后再通过样品气体。然 后，光束再被一个向后反射器反射回来，再次穿过样品，并进入部件。 这时，探测器通过相互抵消的方式比较取样与参考光束之间的信号强 度，进而测量出气体浓度。该种类型的探测器仅可探测双原子的气体分子，因此，适用于探测

12、氢 气。开路式红外可燃气体探测器$gU riJa dictionMa sgsMii kud sat Mum哪軒I -Ubnewfu1 Uuidterv rOOufrta耐MX*曲砂_阳叶溯帥曲1品一般而言，传统的气体泄漏探测方法是点探测，使用一些单个传感器 覆盖一个区域或周边。然而，近些年来，市场上已经可以买到一些使 用宽光束（或开路）的红外和激光技术的仪表，这些光束可以覆盖好 几百米的距离。早期的开路设计一般用于补足点探测，然而，其最新 的第三代仪器却经常被用为主要的探测方法。已经获得相当成功的典 型应用包括FPSO、码头、装料站/卸货码头、管道、周边监测、海 上钻井平台及LNG （液化天然

13、气）储存区域。早期设计采用了双波长光束，第一条光束波长与目标气体吸收带的峰 值相一致，第二条参考光束则位于一个未被吸收的区域附近。仪器持 续地对两个通过大气传送的信号进行比较，这两个信号的传送是通过 向后反射器向后散射的射线，在更新的设计中更常见的，通过单个传 送器和接收器。这两个信号比例的任何改变都是通过气体测量的。然 而，该设计对来自雾中的干扰非常敏感，因为不同类型的雾可以提高 或降低信号比例，并因此而错误地显示一个偏向高刻度的气体读数 报警或偏向低刻度的气体读故障。最新的第三代产品设计使用了双 带通滤波器，该滤波器具有两个参考波长（样品波长的两比边各一 个），完全弥补了所有类型的来自雾和

14、雨的干扰。在原有设计中的一 些相关问题,已经通过使用共轴光学设计消除由于光束部分被遮住而 引起的错误报警而得到克服，而对脉冲氙灯和固态检波器的使用，则 使仪器从整体上对日光或其他放射源如火炬烟囱、电弧焊或闪电等所 产生的干扰具有免疫作用。开路探测器设计上测量了光束内的总气体分子数（即气体数量）。这 个值不同于在单点处所给出的通常浓度，且因此是在 LEL 仪表上表示 出来的。开路式红外毒性气体探测器在于红外近区中提供可靠的稳态激光二极管，且最新一代数字信号处 理器所提供的处理能力增加的情况，考虑将新一代气体探测器产品通 过光学装置应用于毒性气体的可靠探测是切实可行的。现在，对易燃 气体的光学开路

15、和点探测已经得到很好的确立，它们已经在石油化学 行业内得到广泛认同，因其已经在该领域内证明了，它们是一种可行 而可靠的测量技术。应用该技术测量毒性气体最大的挑战就是必须可 靠地测量到极低的气体水平。一般而言，易燃气体需按照浓度的百分 水平得到测量。然而，典型的毒性气体在百万分之一 pm ）的水平, 即比易燃气体探测低1000 倍的因素时也是很危险的。若只是简单的 应用开路红外易燃气体探测器中所应用的技术的话，则是不可能达到 这些极低的灵敏性的。开路红外毒性气体探测器必须以一种不同的测 量原理应用，在该原理中，仪器探测各气体排列的方法是与较宽的光 谱范围相反的。这可以通过使用一个激光二极管光源而

16、得到促进。事 实上，所有的激光输出在一个单一波长时都是完全有效的，且没有“浪 费”任何光，而且，所有的放射光都是易于为目标毒性气体吸收的。 相较于开路易燃气体探测技术而言，该技术在灵敏性方面有了大大的 增强，且若使用高级调制技术的话，灵敏性还可以获得进一步增 强。 电化学传感器 气体专用电化学传感器可用于在各种安全应 用中探测大多数的普通毒性气体，包括CO、H2S、Cl2和S02等。电化学传感器都是小型的传感器，它们耗电量低，但却表现出极佳的 线性和重现性，且一般具有很长的使用寿命（一般为1到3年）。响 应时间，表示为T90，即到达90%最终相应的时间，一般为30到60 秒，最小探测极限的范围

17、从到50ppm，具体情况视目标气体的类型而 定。HccisinoCarbcfl FilterofkingEledro-Jt!1 st saii eledrdyte2iid eKpansMTOulpU PlIEPatented Sureoetl Two Reservoir Design尽管电化学电池的商业设计种类繁多，但它们却具有下面所描述的共 性：将三个活性气体扩散电极浸入一种普通的电解质中，通常是浓缩 的酸水溶液或盐溶液，这样就可以在工作电极与负电极之间进行有效 的离子导电了。根据特定电池类型不同，目标气体在工作电极表面会被氧化或被还 原。该反应以参考电极为标准改变了工作电极的电位。与电池相

18、连的 电子驱动电路的主要作用是在工作电极与对电极之间根据与目标气 体浓度成比例的标准传送电流，以降低两个电极之间的电位差。气体 通过一个外部扩散隔膜进入电池，其中，外部扩散隔膜是气体可渗透 而液体不可渗透的。 很多设计都引入了毛细管扩散隔膜，以限制接 触到工作电极的气体的数目，并藉此保持“电流检测计”的电池操作。 为了使所有电化学电池都能正确操作，氧气浓度就必须达到其最小 值，使其不适合一些特定的检测过程应用。尽管电解质中包含了一定 数量的溶解氧，使得短期（几分钟）的目标气体探测可以在一个无氧 环境中进行，但我们还是强烈建议所有的标定气流都包含空气作为主 要成分或稀释剂。目标气体的特指性可通过

19、电化学优化而实现，即催 化剂与电解质的选择，或在电池中引入过滤器，其中，过滤器为了增 加目标气体的特指性，会对特定干扰气体分子进行物理吸收或与之进 行化学反应。参考适当的产品手册以了解潜在的干扰气体对电池响应 的影响是很重要的。电化学电池中必须包含必要的含水电解质，这样 会产生一种对环境状态（温度和湿度）敏感的物质。为达到这个目的， 专利的Surecell设计引入了两个电解质蓄积池，分别为在高温/高 湿度及低温低湿度环境下“接纳”及“损失”电解质而做准备。电化学传感器寿命一般担保为 2 年，但其实际寿命通常会更长一些。 例外情况为氧气、氨气和氰化氢传感器，在这些传感器中，电池元件 会作为传感反

20、应机制的一部分而进行必要的消耗。 Chemcassette 采用了吸收性条状过滤纸，该滤纸作为干反 应基质存在。它不仅作为气体收集媒介，同时还起到气体分析媒介的 作用，而且还可以在持续的操作模式中使用。该系统基于经典的比色 法技术，且可用于探测特定气体的极限探测下限。它可以成功探测各 种高毒性物质，包括二异氰酸盐、碳酰氯、氯气、氟以及在半导体的 制造过程中所使用到的各种氢化物气体。通过使用特定配方的化学试 剂，实现探测的特指性和灵敏性，这些化学试剂将仅与样品气体或混 合气体反应。在通过一个真空泵将样品气体分子从Chemcasse tte中 吸出时，这些气体分子将与干化学试剂反应，并形成一个仅与

21、特定气 体相对应的色斑。色斑的强度与反应气体的浓度成比例，即气体浓度 越高，色斑颜色越深。只要小心地调节气体进入Chemcasse tte的取 样间隔和流速，可以很容易地探测到低至十亿分之一（即 10-9）的 浓度水平。色斑强度通过一个电子光学系统进行测量，这个电子光学系统将来自 基质表面的光反射到一个与光源成一定角度的光电管上。然后，当色 斑显色出来时，反射光就会减弱，而这个强度的减弱会被一台光探测 器以模拟信号的形式检测出来。之后，这个信号会被转化成数字格式, 并以气体浓度的形式表现出来，在这个过程中使用了一个内建的校准 曲线和一个适当的软件库。Chemcasse tte配方提供了一种独一

22、无二的探测媒介，这种媒介不仅 迅速、灵敏和有针对性，而且是唯一能够留下确实发生过气体泄漏或 释放的实际证据（即记录纸带上的色斑）的系统。LlflE嫌 iKl frlCl帥& suafci -wi气体探测技术比较G-asCalalrUa別* E1CT5晌 rtaEfijitY 0 审咖Cfln DCm lew. Cmctsh： irt $hcgnM rwjms on ynrtwtOW We fn册FHu rffi 脚卿1 iv H 国 im塾 Plijh pOM.EzteVoeliemiaJhit脸血i皿 攀跆 昶rti世踰伽 eenfilriHis 啪注 range er 怦岂.cm be -

23、deiHsed. 眄 Sew pewefFr-e irate 酗 umW jfte$IWCDfllfQ BKmquK 3. 币qiEs EK/efi 窗 wK. RoMUorM聊i erfbed他ilriR InlrartdiOnPAEh IhfrrtdUses a rallifen chertalbadwi纳e Lass 曲trvti Id cHran.G(i Flora Moiraeen 淞傅冋0晦.Can &e used 憫 men ascEflimBs刚邛妙日砂已呵工申如 社feaJLw un tMijre exi鬥丄讯 e$i ieWry Cfid肠 i4iKX的f&Sti 知 tU

24、uZ 曰幻Mi呼 n世 酒磁PE肚魚Flunmafcic 声 deHwiton. 4吋疥丸 R FFT即. 肚湖帧 ECOTMun 世 IkurmiaMo gas whfch山侶 脂ri ! Ek rnU4曲尿Higtte*pu血独iw 加划Me nxu迪虽(bdJufnkfloductorM&cftanHat1 r4 总 fciri#T mUtufifi神 11 Uh侧 DrnSukcdU* I conUHirwils 钿 cffingcS m 如如昭吹 fevLw i*etleqn甲Hgii 塑 DXKfnrtitxis Mf. Lun咖 rmge cf gaK.CanfclreasifH

25、 qse Mi xpdbdhe& dose b ar. Htfer raaiiBnance rwwWii.fk-qtKO edactjort 那lym H- y 口My- sefTEH 旳torPper TjqlaL曲栏邮血硼甌耳arn凹购胞Mo iahe ajms便携式气体探测器 易燃性和毒性气体探测仪器大体上是以两种形式提供的：便携式，即“点读取”探测器和“固定式”，永久安装的监测器。对于一个特定 应用而言，到底哪种类型的探测器更适用，取决于几个因素，包括工 作人员间隔多长时间对该区域进行一次访问，场所条件，危害是永久 性的还是暂时性的，多长时间需要进行一次测试，最后非常重要的一 点，客户

26、财务状况。当前，人们对便携式仪器的使用约占所有使用的现代电子气体探测 器总数的一半。在大多数国家，法规也要求所有在局限空间（如下水 道和地下电话和电力电缆沟等）中作业的人们使用便携式气体探测 器。通常，便携式气体探测器是小型、坚固、防水并且重量较轻的设 备，便于携带或附着在衣服上。对于起初使用的是固定探测系统的情 况，便携式气体探测器也适用于精确定位泄漏点。便携式气体探测器分为两种形式，即单一气体或多气体装置。单一气 体装置包含一个传感器用于探测特定气体，而多气体装置通常则包含 多至 4种不同的传感器（一般为氧气、易燃气体、一氧化碳和硫化氢）。 产品范围从简单的只有报警功能的一次性探测器到全配和耐用的高 级探测器, 比如带有数据记录、内部泵取样、自动校准程序以及可以 连接到其他装置等功能。近年来，便携式气体探测器设计有所发展，包括使用了更加坚固且 轻质的材料用于探测器的制造。对大功率微处理器的使用则使得人们 可以为仪器自检、运行操作软件、数据储存及自动标定程序等程序进 行数据处理。模块化设计使得简单的程序保养和维护成为可能。全新 电池技术则使得电池在更小和更轻包装的前提下, 实现了两次作业 之间更长的充电间隔时间。在未来的设计中，很可能集成GPS、蓝牙 及语音通讯等其他技术，或者可能将气体探测整合到其他安全设备 中。