气体探测器的原理.doc

1、气体探测器的原理 气体探测器的介绍：气体探测器的主要作用是有泄露或危险将要发生时，提醒有关人员采 取相关措施保护在现场工作的人员，生产设备的安全运转以及周围环境。如果你能正确地 选择所使用的探测器，你将使它们表现得更好。目前有许多种气体探测技术可帮助今天的 工业来保护人类和生产，当然，每一种技术都有优点和缺点。从以下最流行的技术中我们 将看出没有单一“最好的方法”，而只有根据你的实际情况由多种技术组合成的最好的气 体探测系统。 气体探测器主要是由传感器和相关电路组成。传感器是整个探测器的关键部 位，它是决定其可靠性的重要因素之一。目前有以下几种气体探测技术：电化学技术，催 化燃烧技术，化学纸带

2、技术，固态金属氧化物技术，红外技术, 以及光电离技术等等。 电 化学技术与催化燃烧技术 不同电化学气体传感器中所包含的不同成份决定了它可与相应的 毒气发生反应；测量头可测量反应所产生的电流并将其转换成气体浓度值(PPM 或 PPB)。 催化传感器在涂有催化剂的小球上“无焰燃烧”可燃性气体；测量头可测量电阻的变化并 通过 A/D 转换，显示变化相应的读数。一般以爆炸下限作为满量程。 由于电化学型和催 化燃烧型测量头相对较低的成本，它们通常被用于“源点”(即泄漏有可能发生的地方) 处 的测量。因而对泄漏的反应迅速并可连续探测。另外，由于没有可移动部件，所以不会造 成机械故障。 但是，这两种类型的传

3、感器也有缺点：一些气体传感器不但对与之相应的气 体（即它们按照设计应该反应的气体）反应，而且对其他气体（干扰气体）也发生反应， 因此有必要注意在设计和安装过程中避免将这些传感器用在有可能有干扰气体存在的地方。 传感器需要定期标定，通常为三个月一次（视不同品牌，工作环境，工作状态等因素的影 响）；传感器在使用 1 到 3 年后通常需要更换（视不同品牌，工作环境，工作状态等因素 的影响）。另外，有些品牌的传感器使用的是电解溶液，这就需要定期填充电解液。 化学 纸带技术 化学纸带技术是用经过化学浸泡的纸带去探测有毒气体。这种纸带非常象石蕊试 纸当遇到某种相应的气体时会改变颜色；纸带机通过光电管测量，

4、分析纸带颜色的变化， 并将其转换成气体浓度值。 这种系统的优点是，作为颜色变化反应的结果，纸带机提供的 是气体泄漏的物理证据（相反,电化学型，催化燃烧型，固态金属氧化物型，和红外型测量 头仅仅输出 420mA 的信号）。特别是它们也受干扰气体的影响，但要比电化学型，固 态金属氧化物型的影响小，因此比它们更具专一性。另外，纸带机比电化学型能探测更多 的气体。 纸带机的缺点是：它们只能用于有毒气体的探测而不能探测象氢气等的可燃性气 体。由于纸带机价格昂贵，所以通常被置于中心位置并通过采样管与各个测量点相连；每 个测量点的气样被依次泵吸过来。因此在气体泄漏和探测之间存在着显著的时间滞后现象， 而且依

5、次泵吸可导致探测仪表忽略一些气体泄漏。另外，活泼气体（象 HF，Cl2 ，HCl ， 和 NH3）很容易被吸附到采样管上而导致探测仪表无法“看见”气体泄漏。机械故障也总 是纸带机的一个问题（纸盒驱动轧住了，光学镜头脏了，泵坏了，过滤器堵塞了以及流量 不稳定），所以需要定期的预防性维护。光学系统的定期标定也是必要的。制造商建议每 半年要更换一次纸带， 虽然这是一个简单的过程，但纸带的购买和处理确是十分昂贵的。 固态金属氧化物技术 固态金属氧化物传感器是由金属氧化物（通常为氧化锡）制成的，通过改变电阻来反应气 体的存在；测量头测量电阻的变化并将其转换为浓度。 固态金属氧化物传感器的优点是： 它们有

6、很长的寿命，通常为 10 年。它们能探测的气体范围非常广，甚至包括电化学型和 纸带机所不能探测的气体。因为它们相当便宜，所以通常被用于“源点”处的探测，而且 对泄漏的反应迅速并可连续探测。它们没有可导致机械故障的可移动部件。 虽然固态金属 氧化物传感器能够探测很多种气体且灵敏度高，但是它们的选择性很差，因此“误报警” 的机率要明显高于其他技术。另外，当它们不暴露于被探测气体一段时间后，固态金属氧 化物传感器将被氧化并进入“睡眠”状态，这意味着它们对真正的气体泄漏不发生反应。 而且固态金属氧化物传感器提供的是非线性输出，因此要比具有线性输出的电化学传感器 的标定困难的多，所需时间也长。 红外技术

7、 傅立叶变换型红外（FTIR）仪表 傅立叶变换 型红外（FTIR ）仪表是利用分光光度技术探测气体的。当红外光通过样气时被样气吸收， 该仪表通过分析其吸收光谱来决定它的组成。 到目前为止，毫无疑问 FTIR 在通常的应用 中是最精确的气体技术，它具有良好的灵敏度和极低的误报警。没有消耗备件，因此后期 维护费用远远低于其他技术。但是，由于价格昂贵，FTIR 通常被置于中心位置并通过采样 管与各个测量点相连；每个测量点的气样被依次泵吸过来。因此在气体泄漏和探测之间存 在着显著的时间滞后现象。 另外，象纸带机一样，活泼气体（象 HF，Cl2 ，HCl，和 NH3）很容易被吸附到采样管上而导致探测仪表

8、无法“看见”气体泄漏。机械故障也是 FTIR 仪表的一个问题旋转光闸损耗或轧住了，泵坏了。 两波长红外吸收技术 两波长红 外吸收仪表是根据碳氢化合物的气体和蒸气在电磁光谱中的红外区域可吸收一定波长红外 能量的原理制成的。所谓两波长，即参考波长，碳氢化合物在此波长不吸收红外能量；测 量波长，碳氢化合物在此波长强烈吸收红外能量。如果有碳氢化合物在测量区域内，那么 在测量检波器上测到的红外能量将低于参考检波器上的。仪表通过测量两者的差来给出碳 氢化合物气体和蒸气的浓度。 它是在 FTIR 技术分析实验室技术的基础上发展起来的， 更适合于职业防护和工作现场的监测。相比于催化燃烧型，它反应速度极快；没有

9、催化燃 烧型的中毒现象；准确度不受碳氢化合物气流速度的影响；测量范围最低 01000ppm ， 最高可达 0 -100%v；由于它在测量中不需要氧气 空气，所以可应用于惰性气体环境。 它通过使用不可移动部件，可不受振动和冲击的影响；使用防尘罩，防溅罩和镜面加热技 术，使之可用于十分的恶劣环境；非损耗型电子循环红外光源，寿命至少有 4 年；除灯外， 所有部件无老化现象；测量头通过定期自检，具有自动报告故障的特性；标定可每 6 个月 进行一次；因此比 FTIR 技术显著降低了后期维护费用并降低了误报警的可能性。 由于红外波长的限制，它只适用于具有碳氢键的碳氢化合物，而不能探测 CS2，H2，CO，

10、NH3 等气体，而且象乙炔和苯这样的碳氢化合物也不能探测。因此相比 于催化燃烧型传感器，它更适用于具有长链的碳氢化合物。虽然其开始投资价格昂贵，但 总体价格要低于催化燃烧技术。 光电离技术(PID) 光电离传感器利用紫外光电离气体分子， 并用于探测易挥发有机化合物。 特制的紫外灯产生紫外光辐射能，气体分子受到紫外光辐 射而电离。测量头将此时测量到的紫外光辐射能转化为气体浓度。这种紫外光辐射能的单 位为电子伏。标准的紫外光源有 8.4eV, 9.6 eV, 10.6 eV, 和 11.7 eV。而最通常的是 10.6 eV，因为它的光源更结实。11.7 eV 的光源是锂的氟化物，它较软，易碎。光

11、电离技术可 探测那些气体电离势能在紫外光源辐射能量水平之下的气体。例如，苯的光电离势能是 9.24 eV,所以可用 9.6 eV, 10.6 eV, 和 11.7 eV 的光源。 PID 传感器的优势是良好的灵 敏度和快速反应。 这种测量头可以对许多低浓度的气体快速反应。由于 PID 传感器不会 受到高浓度气体的伤害，所以通常被用于决定使用何种个体防护装备。 PID 传感器的缺 点是选择性。 PID 只可以探测那些气体光电离势能低于光源辐射水平的气体。由于光源需 要经常清洗，仪表需要经常标定以确保准确性。 传感器如何工作 电化学型气体探测有许 多优点，并被认为是在需要气体探测的地方所使用的最好

12、的技术。绝大多数电化学有毒气 体传感器是基于同样的原理制造的。但是，不同制造商生产的传感器存在着显著的不同。 假设气体探测系统对你的设施十分重要，你最好就要了解这些不同，以及这种技术通常的 局限性。 电化学传感器通常有三个主要部件：电极（一个或多个涂有催化剂的电极），电 解液和可渗透性的薄膜。气体通过薄膜扩散进来，在电解液催化剂交界处发生反应产生 电流。例如，HCl 的反应： 2HCl+H2OCl2+4H +4e 4H +O22H2O 测量头测量所 产生的电流并将其转换成气体浓度。因为释放出的电子数量与气体浓度成比例，所以传感 器的输出是线性的。 传感器的寿命 传感器的寿命由许多因素决定，包括

13、热，湿度，粉尘 和累加的气体暴露。在正常工作状况下，传感器的寿命最少应该有一年，在很多情况下可 达到三年。短时间暴露于高浓度的气体将影响传感器在近期内的表现，甚至影响传感器的 寿命。 虽然传感器的输出是线性的，但反应时间是一个对数函数。通过薄膜扩散进来的第 一个气体分子在反应中将产生一个非常迅速的变化；当传感器的输出达到了实际环境中的 气体浓度时，反应的变化速率慢慢降低。最好的传感器的反应曲线看起来非常象一个阶梯 函数；而最坏的看起来更象一条直线。反应曲线倒过来决定了传感器在暴露于气体之后的 恢复时间。 制造商通常定义一段时间，例如 10 分钟，作为传感器达到它的最大输出时所需要的时间。 传感

14、器的 T90 是它达到这个值的 90时所需要的时间；T50 是达到 50时所需要的时间。 这两个数越低，传感器的表现就越好。 预热周期 绝大多数电化学传感器需要对传感器的 电极维持一个固定的偏差。这个偏差是传感器表现好坏的关键因素之一；使用它之后，电 解液通常需要时间去达到平衡。对大多数传感器来说，预热周期为 48 个小时。然而， 一些制造商生产的传感器具有维持这个偏差的内置电池，从而缩短了预热时间。 因为电化 学传感器通常被标定为标准状态，这个标准状态不可能恢复为最初的标准状态，所以“准 确度”对电化学传感器来说是个使人误解的名词。而通常使用最多的表现测量状况的是线 性、重复性和灵敏度。传感

15、器的线性和重复性按照标准的定义。被认为是最低探测度 （MDL）的灵敏度通常被定义为传感器固有本底噪声的 3 倍。 漂移和干扰 所有电化学传 感器都有零点漂移现象。但这通常是一个长期的现象，而且可通过定期的标定充分补偿它。 干扰气体而不是目标气体导致传感器发生反应确是用户关心的短期现象；而这种现象通常 被误认为是零点漂移。因为干扰气体与电解液的组分有关，所以不能消除其对传感器的影 响。但是，在许多实际应用中（例如气柜）它们又不是个问题不存在干扰气体。对于其 他的应用，制造商可提供一些过滤装置阻挡某种干扰气体（例如 H2S 或 HCl）进入传感器。 在设计和安装过程中仔细安置气体探测装置也可避免气

16、体干扰的问题。 湿度和气流 传感 器中的电解液通常是吸湿的，这就意味着电解液中的水倾向于与周围空气中的水达到平衡。 因为水是电化学反应的关键部分，所以在非常干（和非常热）的地区，传感器的寿命将会 缩短。类似的，在具有持续高湿的环境中也会缩短传感器的寿命。一些制造商为解决这些 问题生产出用于干燥或潮湿环境中的具有特殊配方的传感器。快速经过传感器表面的气流 （通常大于 1 升/分钟）能够改变气体扩散的性质，从而影响传感器的性能。另外，高的空 气速度可使传感器更快的风干从而缩短其寿命。一些制造商通过提供控制流经传感器表面 气流速度的装置来解决这些问题。 对于任何一种仪表，定期维护是保持您的气体监测系统 永远处于良好运行状态的保证。标定，零备件等费用超过了仪表本身的费用，代表了您的 主要投资，通常是设备初期投资的两倍。 因此，您需要从供货商了解的最重要的问题是维 持整个系统正常运转所需要的费用：标定需要多长时间，几年需要更换一次传感器，以及 其它维持整个系统的费用。