氣體檢測專題知識專家講座

第四章氣體檢測

一、本章教學目標掌握氣體檢測儀表原理、使用及各種氣體傳感器檢測原理。二、本章主要內容第一節(jié)氣體檢測概述第二節(jié)熱導型氣體檢測熱導型氣體檢測工作原理、測量熱導元件、傳感器結構與檢測原理第三節(jié)載體熱催化原理氣體檢測熱催化元件、熱催化型元件檢測甲烷等可燃氣體原理、載體熱催化元件特征、可燃氣體遙測報警斷電儀第四節(jié)一氧化碳和硫化氫氣體檢測檢知管結構和檢測原理、定電位電化學一氧化碳傳感器、一氧化碳和硫化氫檢測報警器、紅外線氣體分析氣體檢測專題知識專家講座第1頁第五節(jié)氧氣（O2）濃度檢測電化學化測氧、電磁法測氧(O2)、第六節(jié)光干涉法瓦斯檢測器光干涉式甲烷檢定器原理與結構、光學甲烷機檢定器使用第七節(jié)氣相色譜儀氣相色譜儀組成及檢測原理、定性與定量分析重點與難點：1、各種氣體檢測儀表原理；2、各種氣體檢測傳感器原理與性能氣體檢測專題知識專家講座第2頁第一節(jié)概述1、有害氣體成份可燃爆炸性氣體：——CH4、C2H4、C2H6、C3H8、H2、C2H2等中毒性氣體：——CO、H2S、氰氫酸等窒息性氣體：——NH3、N2、CO2等助燃氣體：——O22、氣體檢測傳感器種類熱導類――各類氣體熱催化類――可燃性氣體電化類――CO、O2磁學類――順磁性氣體O2、NO、NO2光學類――紅外線CO、CH4等各種氣體氣相色譜類――氣體分析，各類氣體氣體檢測專題知識專家講座第3頁3、氣體檢測傳感器要求1)可燃氣體最小值在下限1/10以下；2)中毒性氣體在允許濃度1/10以下；3)可燃性氣體反應速度<30S；4)中毒性氣體反應速度<10S；5)不論是可燃氣體，還是中毒性氣體報警點都任意可調；6)工作環(huán)境(1）工作溫度-20～40℃；(2）工作電壓或電流為工作電源電壓或電流±10%波動;(3）本身要防爆、防中毒；(4）防振、防沖擊、強度大。氣體檢測專題知識專家講座第4頁第二節(jié)熱導型氣體檢測

一、檢測原理1、熱導原理利用各種氣體熱導率與空氣熱導率差異，以及熱導率與氣體濃度關系原理來實現(xiàn)對氣體濃度進行檢測。各個氣體熱導率：λ—氣體熱導率，cal/cm.s氣體分子量，kg氣體分子熱運動平均速度，cm/s氣體定容比熱，Jmol/K單位體積內分子數(shù)自由旅程平均長度，cm氣體分子有效直徑，cm絕對溫度，K肖節(jié)倫德常數(shù)，由試驗確定由上式可知，氣體熱導率隨溫度增加而增加，當溫度為定值時，熱導率與氣體分子直徑成反比，分子直徑越小，由其熱導率越大，在普通情況下熱導率與氣壓無關。氣體檢測專題知識專家講座第5頁

2、混合氣體熱導率氣體熱導率與溫度關系復雜，慣用下式表示：式中：λt、λ0——分別為t和0℃時熱導率；β——一定范圍內氣體熱導率溫度系數(shù)。對于混合氣體熱導率能夠粗略認為是各組分熱導率之平均值，即：式中：λc、λi——分別為混合氣體熱導率和i種氣體熱導率。ni——為第i種氣體百分含量。氣體檢測專題知識專家講座第6頁設空氣中有CH4為m，空氣熱導率為λa，甲烷熱導率為λ。甲烷和空氣混合氣體熱導率為λc。則：

由上式可看出，只要測出λc，就可測出m值。氣體檢測專題知識專家講座第7頁主要氣體導熱率單位：卡/厘米·秒·度

氣體名稱0℃時熱導率（×10-5）100℃時熱導率（×10-5）相對熱導率空氣5.667.2771O25.8397.881.03CO7.3020.94He40.795.99H248.976.65NH310.9281.30NO5.6477.5621.00CO23.4855.4840.615N2O3.6265.7110.64SO21.950.345氣體檢測專題知識專家講座第8頁二、熱導元件——熱量——電阻變換元件、熱變元件

1、金屬絲熱敏電阻因為ΔR與t成正比，普通選取用R溫度系數(shù)較大材料好，鉑電阻、鎢絲、錸鎢絲要求：絲直10～50μm

，純度愈高愈好，特點：穩(wěn)定性好，零漂小，線性好，重復性高，壽命長缺點：工藝復雜，化學穩(wěn)定性差；交換性差。氣體檢測專題知識專家講座第9頁2、半導體熱敏電阻1）金屬氧化物半導體2）炭化硅半導體3）鈦酸鋇正特征熱敏半導體

熱敏電阻溫度系數(shù)比鉑絲溫度系數(shù)大得多。當工作溫度為180℃時，相當于鉑絲5倍，故半導體熱敏電阻靈敏度比鉑絲靈敏度高約5～10倍。

特點：（1）受CO2、水蒸氣影響較大；（2）零點飄移；（3）元件一致性和交換性較差――受加工工藝影響較大。甲烷熱導率是空氣熱導率1.296倍，因而用熱導方法來測量濃度很低甲烷時得到輸出信號很小，氣體檢測專題知識專家講座第10頁三、傳感器原理熱導式傳感器采取電阻溫度系數(shù)較大金屬絲（鉑絲或鎢絲）或半導體熱敏電阻作為敏感元件。把性能相同一對熱導元件分別接在電橋電路兩個臂上，一支放置在與被測氣體相通氣室中，叫測量元件；另一支放置在充滿地面標準大氣密閉氣室中，叫賠償元件，如圖所表示。工作時，當測量元件與賠償元件輸入一樣電流后，產(chǎn)生熱量相同，但因為散熱介質不一樣，使兩元件存在一定溫差，兩元件產(chǎn)生一個與溫差相適應熱態(tài)電阻差，破壞電橋平衡，電橋輸出一個與被測氣體濃度改變成百分比關系電信號。氣體檢測專題知識專家講座第11頁四、特點因為純被測氣體或高濃度被測氣體熱導率與空氣熱導率相差較大，所以測量高濃度時，精度高。不過假如被測氣體濃度較低，其熱導率與空氣熱導率相近，輸出信號較弱，其靈敏度和分辨力很小，所以，這類傳感器不適合用于在低濃度下使用。五、儀器當前，熱導型儀表型號繁多，有我國生產(chǎn)LRD—1型甲烷檢定器和與煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)相配接KG3001型甲烷傳感器，波蘭生產(chǎn)CKA型高濃度甲烷傳感器和德國生產(chǎn)BD甲烷傳感器等等。氣體檢測專題知識專家講座第12頁第三節(jié)載體熱催化原理氣體檢測

一、載體熱催化特點1、對可燃氣體下限以下氣體濃度測量，其輸出呈線性；2、對于爆炸下限以下濃度測量時，能輸出數(shù)十毫伏電信號，靈敏度高；3、對不可燃氣體不反應；4、受硫化物、鹵化物、硅氧基化合物及砷、氯、鉛等化合物和空氣中OH鍵及氮氧化物影響，元件產(chǎn)生中毒現(xiàn)象；5、元件碰到高濃度可燃氣體時，易損壞；6、元件工作溫度高，表面溫度在300～400℃，而內部溫度可達700～800℃，對氫氣有爆炸性。氣體檢測專題知識專家講座第13頁二、熱催化元件1、純鉑絲催化元件1）結構：如圖所表示。2）特點(1)結構簡單，制造輕易；(2)抗中毒能力強――在100ppmH2S，1％CH4可連續(xù)工作4小時，活性不下降；(3)元件工作溫度高（900～1000℃），鉑絲升華嚴重，造成零飄嚴重；圖純鉑絲元件氣體檢測專題知識專家講座第14頁

2、載體催化元件1）載體催化元件組成載體催化元件組成如圖4-3-2

由鉑絲線圈、載體和催化劑。載體催化劑鉑絲線圈氣體檢測專題知識專家講座第15頁2）各部分功效(1)鉑絲線圈：A、對載體和催化劑進行加熱，使可燃氣體接觸元件后達一定氧化狀態(tài)；B、把可燃氣體在催化劑作用下燃燒生成熱量檢測出來；(2)載體A、提供較大反應接觸面積；B、固定鉑絲幾何形狀；C、附載催化劑；D、傳導熱量給鉑絲。(3)催化劑：鈀Pd、鉑Pt、釷Th等A、加緊反應速度；B、降低氣體燃燒溫度（650降到350℃）氣體檢測專題知識專家講座第16頁3）制作纏絲――去芯――附載體―附催化劑――老化處理黑元件――檢測元件；白元件――賠償元件（未涂催化劑，對環(huán)境（風速、溫度、濕度、電流、電壓）改變影響進行賠償；

配對使用。氣體檢測專題知識專家講座第17頁二、催化型元件檢測可燃氣體原理1.載體熱催化元件及檢測原理

其檢測原理是甲烷等可燃氣體在催化劑（鉑、銠、鈀）作用下，在元件表面產(chǎn)生氧化反應，生成二氧化碳和水，同時放出熱量。其氧化反應式為：

釋放出熱量Q使元件溫度上升，造成鉑絲阻值改變。鉑絲電阻在0～630.74℃范圍內與可燃氣體濃度成正比。氣體檢測專題知識專家講座第18頁2.載體熱催化型可燃氣體傳感器利用載體熱催化元件制成傳感器結構如圖所表示，主要有黑（熱催化元件）和白（賠償元件）兩種元件，其阻值分別為r1和r2，與固定電阻R1和R2組成電橋電路。為使電橋在無可燃氣體狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，橋路內裝有調零電位器W1。電阻r2’并聯(lián)在白元件r2上，賠償黑白元件熱學性質差異元件，以改進電橋零點飄移。圖載體熱催化原件測量原理圖R2R1電阻溫度系數(shù)小調零電位器賠償黑白元件熱學性質差異氣體檢測專題知識專家講座第19頁3.工作過程傳感器工作時，在恒流源作用下，有電流流過電橋四個臂。無可燃氣體氣體時，電橋輸出平衡；有可燃氣體時，可燃氣體與氧氣在黑元件表面進行無焰燃燒，放出熱量被元件吸收引發(fā)元件溫度升高，使鉑絲電阻增大。另首先，白元件上無催化劑，可燃氣體在其表面不進行氧化燃燒。但它處于與黑元件相同工作環(huán)境，起著對非可燃氣體環(huán)境改變（環(huán)境溫度改變、濕度改變、風速改變以及電源電流電壓改變）而引發(fā)催化元件阻值改變賠償作用。這么就破壞原來電橋平衡，輸出一個與可燃氣體濃度成正比電信號。然后將此信號送入放大電路放大，再送至顯示、報警或其它單元，實現(xiàn)對可燃氣體濃度檢測。

氣體檢測專題知識專家講座第20頁

三、可燃氣體檢測報警便攜儀當前國內外利用載體熱催化原理元件生產(chǎn)可燃氣體檢測報警便攜儀廠家和型號較多，但它們檢測原理和結構基本一樣，采取載體熱催化元件作為檢測元件，經(jīng)過電橋電路輸出電信號，經(jīng)放大后，分別送給報警電路和A/D轉換電路。A/D轉換電路將模擬信號轉換為數(shù)字信號，由液晶顯示出可燃氣體濃度大小。當可燃氣體濃度到達報警設定值時，經(jīng)過比較器輸出一高電平，驅動報警電路實現(xiàn)聲光報警。為了確保儀器使用可靠性，多數(shù)儀器均設有欠壓報警（或指示）及傳感器故障等自檢電路。如圖4-3-4。氣體檢測專題知識專家講座第21頁本安型電池聲報警驅動光報警驅動報警信號發(fā)生器報警信號鎖存器過沖保護電路穩(wěn)壓電源電源變換邏輯電路電橋電路控制開關A/D轉換LED數(shù)字顯示轉換超限比較工作選擇報警點選擇欠壓、指示、控制數(shù)字鎖存本安型電池聲報警驅動光報警驅動報警信號發(fā)生器報警信號鎖存器過沖保護電路穩(wěn)壓電源電源變換邏輯電路電橋電路控制開關A/D轉換LED數(shù)字顯示轉換超限比較工作選擇報警點選擇欠壓、指示、控制數(shù)字鎖存圖4-3-4某甲烷氣體檢測便攜儀原理框圖氣體檢測專題知識專家講座第22頁優(yōu)點：體積小，結構簡單，功耗低、性能較穩(wěn)定及使用壽命長。測定低濃度可燃氣體時，輸出信號較大（1%CH4時，輸出電壓可達150mV以上），信號處理和顯示較簡便、直觀，易于實現(xiàn)超限報警、遙測。缺點：是催化劑與硫、鉛、磷、氯等化合物接觸時，催化性能逐步降低，使儀器靈敏度降低。氣體檢測專題知識專家講座第23頁80%圖載體熱催化元件輸出特征輸出mV0CH4濃度

四、載體熱催化元件工作特征

1、元件活性：可燃氣體燃燒速率?；钚愿?，輸出信號大；

2、穩(wěn)定性：在新鮮空氣與一定可燃氣體環(huán)境中連續(xù)工作時間；

3、工作點和工作區(qū)間：元件標準工作電壓或電流（如1.2V）；元件工作電流或電壓變動時，元件輸出活性保持直線，電壓或電流改變范圍稱為工作區(qū)間（±10%）；

4、輸出特征：元件輸出與可燃氣體濃度之間關系，對于載體熱催化元件，存在雙值現(xiàn)象；5%9.5%缺氧使燃燒不充分氣體檢測專題知識專家講座第24頁5、靜態(tài)方程――熱量平衡載體熱催化元件是利用甲烷與氧氣在元件表面反應熱效應來檢測甲烷濃度。元件在工作過程中熱力學關系決定了它工作特征，其中元件溫度增量△T是熱力學關系中中心變量。工作時元件置于檢測氣室中，通工作電流，對于賠償元件(白元件)因為工作電流加熱功率轉換后所取得熱量Q。(4-3-2)式中Q——元件取得熱量，W；I——元件工作電流，A；R——元件電阻，Ω。氣體檢測專題知識專家講座第25頁賠償元件損耗熱量，包含周圍空氣帶走熱量Q1，元件向周圍空間輻射散熱Q2，元件鉑絲經(jīng)過引線傳導散熱Q3，設環(huán)境溫度為T0，賠償元件溫度為Ti，熱導功率與溫度梯度成正比，與熱導面積成反比。α1、α3——分別為空氣熱傳導系數(shù)和鉑絲熱傳導系數(shù)，J/m2·S·℃；S1、S3——分別為元件和鉑絲截面積，m2；Ti、T0——分別為元件溫度和環(huán)境溫度，℃。A——輻射系數(shù)；δ——斯芯潘常數(shù)，δ=5.6686×10-12，J/m·s·K4。氣體檢測專題知識專家講座第26頁白元件達熱平衡時，(4-3-4)對于檢測元件(黑元件)，因為有甲烷產(chǎn)生燃燒，產(chǎn)生反應熱△Q，電阻也有一個對應增加量△R，故對檢測元件熱平衡方程：(4-3-5)氣體檢測專題知識專家講座第27頁設鉑電阻溫度系數(shù)為αt，黑元件作為絕對黑體處理，A=1，而△R=R0αt△T，則(4-3-5)式可寫為：式中αt——金屬絲電阻溫度系數(shù)；Q——元件取得熱量，W；ΔQ——甲烷燃燒生成熱量，W；ΔT——ΔQ引發(fā)溫升，K；ΔR——ΔT引發(fā)電阻改變，Ω；I——元件經(jīng)過電流，A；R——元件經(jīng)過電阻，Ω。氣體檢測專題知識專家講座第28頁由靜態(tài)方程(4-3-4)和(4-3-6)式可知，熱傳導和熱輻射是工作元件熱損耗。它們情況決定了元件工作特征。伴隨加熱電流增加，元件溫度逐步上升，開始輻射熱較小，熱傳導損耗是耗熱主要部分。因為輻射熱與溫度4次方成正比，隨溫度升高，輻射散熱所占比重逐步增大。當溫度升高到400℃以后，輻射散熱超出傳導熱而成為主要部分。溫度繼續(xù)升高，輻射熱快速增加，當溫度超出620℃時，因為輻射散熱作用，元件溫度深入增加就比較困難。溫度620℃對應甲烷濃度是4%(工作電流0—340mA)。所以，4%以后濃度再增加，元件輸出增加量將顯著降低，這就引發(fā)元件對高濃度CH4進行檢測時呈非線性，誤差大。利用靜態(tài)方程，可對元件工作特征，如檢測范圍、賠償電阻作用等問題給予解釋。氣體檢測專題知識專家講座第29頁6、元件中毒特征

催化劑與S、P、Pb、Cl、Si作用，使其催化活性降低，其實質是發(fā)生物理化學作用。暫時中毒――能恢復，如S、Cl化物；永久中毒――不能恢復；如Si、Pb。中毒程度與中毒物濃度和接觸時間長短相關；用相對靈敏度表示：相對靈敏度＝某一時間元件靈敏度/元件初始靈敏度＊100％

辦法－－了解毒物，用抗中毒元件，加過濾器等氣體檢測專題知識專家講座第30頁

7、載體催化元件激活特征――經(jīng)過一段工作元件碰到高濃度可燃氣體數(shù)分鐘后，元件活性升高，高濃度可燃氣體消失后，幾十小時元件活性又下降到原來值。

8、載體催化元件儀器反應速度――指儀器從接觸可燃氣體到傳感器元件能正確地指示數(shù)據(jù)為止，所經(jīng)歷時間。與傳感器元件本身時間常數(shù)和氣體進入儀器氣室結構相關。(1)元件本身時間常數(shù)E、T、I(2)氣室結構――擴散型和對流型擴散型與對流型氣室反應速度對比表氣體檢測專題知識專家講座第31頁9、高濃度可燃氣體影響(1)可燃氣體濃度在爆炸范圍內――燃燒充分，元件燒結，燒裂，催化劑揮發(fā)；(2)可燃氣體濃度在爆炸范圍以上――燃燒不充分，碳粒集結，元件燒崩裂，催化劑揮發(fā)；10、元件使用壽命――靈敏度下降50％時間。50%氣體檢測專題知識專家講座第32頁五、可燃氣體遙測報警斷電儀可燃氣體遙測報警斷電儀除含有連續(xù)監(jiān)測可燃氣體濃度功效外，還含有報警、斷電功效、輸出標準信號和探頭斷線自檢功效。實現(xiàn)了由“間斷”到“連續(xù)”，由“就地”到“遠距離”檢測飛躍，為礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展奠定了基礎。1.可燃氣體遙測斷電儀可燃氣體遙測報警斷電儀種類較多。不過它們功效、基本原理和線路基本相同。儀器主要由就地和遠地兩部分組成，就地部分由傳感器、主機、和聲光箱組成；遠地部分主要是由接收機和統(tǒng)計儀組成。就地和遠地均是由電纜連接。如圖4-3-5某可燃氣體遙測儀原理框圖。氣體檢測專題知識專家講座第33頁圖4-3-6可燃氣體遙測儀原理框圖氣體檢測專題知識專家講座第34頁探頭是采取黑白元件組成電橋電路，將可燃氣體濃度變成電信號送給放大器進行放大，放大信號分為四路：第一路送給本身電表就地顯示可燃氣體濃度；第二路送給報警電子開關，當可燃氣體濃度到達報警點時，報警電子開關動作，發(fā)出聲光報警；第三路送給斷電電子開關，當可燃氣體濃度到達斷電點時，即信號到達斷電開關觸發(fā)電壓時，則電路翻轉，繼電器吸合，使外控磁力起動器控制繞組斷電，從而到達切斷就地電氣設備電源之目標；第四路送給V/f轉換電路，將直流電壓信號轉換成頻率信號，去調制載波信號向地面發(fā)送。氣體檢測專題知識專家講座第35頁接收機接收到遠處發(fā)送被調制信號，經(jīng)過接收、放大和檢波后，轉變成與就地主機內電壓頻率轉換輸出方波個數(shù)相同脈沖信號，再進行頻率/電壓轉換，又將頻率信號轉換成電壓信號。一路送給遠處主機電表顯示就地被測地點可燃氣體濃度；另一路送報警電路，在地面發(fā)出聲光報警；第三路送給統(tǒng)計儀，實現(xiàn)遠處對就地可燃氣體濃度連續(xù)檢測。

氣體檢測專題知識專家講座第36頁2.可燃氣體斷電儀可燃氣體斷電儀有固定型（用于控制固定型電氣設備）、車載型（用于控制電機車）和機載型。它主要是由主機、探頭和聲光箱三部分組成固定式監(jiān)測儀器。實現(xiàn)對可燃氣體連續(xù)檢測。同時在可燃氣體超限時，能發(fā)出聲光報警及自動切斷被控設備電源，它與可燃氣體遙測儀區(qū)分就是不能遠距離發(fā)送。比如AWD-3型可燃氣體斷電儀原理框圖如圖4-3-6所表示。氣體檢測專題知識專家講座第37頁圖4-3-7可燃氣體斷電儀工作原理框圖氣體檢測專題知識專家講座第38頁第四節(jié)一氧化碳和硫化氫氣體檢測

檢測一氧化碳和硫化氫濃度儀器按其工作原理有：檢知管、電化學、氣敏半導體、紅外線、氣相色譜分析等。按其結構形式分為便攜式和固定式兩類。一、檢定管1、結構圖4-4-1比長式CO判定管1－外殼，2－堵塞物，3－保護膠，4－隔離層，5－指標膠；6－刻度

氣體檢測專題知識專家講座第39頁2、檢測原理檢知管是一支φ4～6mm×150mm(長)玻璃管，內裝活性載體，載體吸附化學試劑，管口溶封。使用時先打開管口，待測氣體以一定速度經(jīng)過檢知管，與管內化學試劑進行化學反應，產(chǎn)生變色圈，依據(jù)變色圈長度來測定待測氣體濃度。一氧化碳檢知管是活性硅膠吸附了發(fā)煙硫酸和五氧化二碘（I2O5），當含有CO氣體經(jīng)過時，發(fā)生以下反應：（綜色）形成棕色變色圈，變色圈長度與經(jīng)過CO濃度成正比，由檢知管上刻度可直接讀出CO濃度。這種檢知管，稱為比長式檢知管。我國用于煤礦檢知管還有CO2、H2S、NO2等。氣體檢測專題知識專家講座第40頁它們性能如表4-4-1(幾個檢知管性能表)檢知管類型載體吸附化學試劑變色CO活性硅膠發(fā)煙H2SO4和I2O5

由白色變成綜色CO2

活性氧化鋁NaOH藍色變?yōu)榘咨獺2S活性硅膠Pb(COO)2

由白色變成褐色3、測定方法1）選取適當量程檢知管（預先預計）；2）采樣時注意安全（毒性氣體）；3）唧筒使用；4）使用：一定量，勻速，200ml,100S；5）超量程時近似測量：高濃度用降低進樣量或稀釋方法；低濃度采取屢次進樣方法。氣體檢測專題知識專家講座第41頁二、定電位電化學一氧化碳傳感器1、原理――各種物質在電解池中氧化還原反應均在一定電位下進行，某物質標準電極電位是在要求濃度溫度下物質電極電位，當高于該標準電極電位時，產(chǎn)生氧化反應，低于該電位時產(chǎn)生還原反應。在工作極上：在對極上：在工作極W與對極C之間產(chǎn)生電流I與CO濃度C、擴散層面積A、薄膜擴散系數(shù)D成正比，與擴散層厚度δ成反比，

F――法拉第常數(shù)，n—1克當量氣體所產(chǎn)生電子數(shù)

氣體檢測專題知識專家講座第42頁2、傳感器結構如圖4-4-2是CO傳感器電化學池結構及工作原理示意圖。其內是一個裝有三個電極電池，W為工作極，C為對極，R為提供恒定電位。該電池在恒定電位器產(chǎn)生0.9～1.1V恒定電位作用下，在恒電位電池場中，通入CO氣體并擴散至工作極時，CO氣體發(fā)生氧化反應生成CO2；同時，氣體中氧擴散到對極C處，發(fā)生還原反應。在反應中，工作極W放出電子，對極C上取得電子，從而在工作極W與對極C之間形成電解電流。其電流大小與CO濃度成正比。輸出電流信號經(jīng)放大、A/D轉換，以數(shù)字形式顯示出CO濃度。

氣體檢測專題知識專家講座第43頁圖4-4-2CO傳感器電化學池結構及工作原理示意圖電解槽對極C電解液工作極W薄膜參比極R氣體檢測專題知識專家講座第44頁

3、特點.優(yōu)點：靈敏度高，在一定范圍內線性好，響應快，體積小，價格低；

缺點：穩(wěn)定性、抗干擾性差，元件使用壽命短，保留困難。國產(chǎn)KG3013、KG3013A、KG3002一氧化碳傳感器，日本生產(chǎn)EC-109型、CM-550型，德國生產(chǎn)Comgtron2030i型，美國能源科學企業(yè)生產(chǎn)Ecolyzer型等等都是電化學原理。利用該原理制成各種便攜儀也較多，比如國產(chǎn)JB-3型和MINIPAC190型一氧化碳檢測報警儀。這類儀器或傳感器抗干擾性差，除CH4和CO2基本不參加反應，而NO2、H2、SO2、C2H4、H2S均參加反應，所以，使用時應在其前端加過濾劑，方便對干擾氣體加以吸收，提升檢測精度。氣體檢測專題知識專家講座第45頁三、一氧化碳和硫化氫檢測報警器1、MSA－570系列一氧化碳檢測報警器一氧化碳隔爆傳感器，由探頭和前置放大器組成，探頭是電化學極普電池。前置放大器電路上基準電壓發(fā)生器經(jīng)過緩沖放大器，給工作電極（測量電極）提供基準電勢?；鶞孰妱菔固筋^工作電極相對于參比電極有一個適當電勢，一氧化碳氣體經(jīng)過隔爆片及探頭表面塑料薄膜，以擴散方式進入探頭發(fā)生氧化反應時，工作電極釋放電子，參比電極取得電子，形成了與一氧化碳濃度成正比電流（微安級）信號，該信號經(jīng)過放大后經(jīng)過屏蔽電纜傳送到控制單元輸入放大器。其工作原理如圖4-4-3所表示。氣體檢測專題知識專家講座第46頁MSA－570系列一氧化碳檢測報警器，可連續(xù)檢測空氣中CO在0～600mg/m3范圍內濃度。當一氧化碳濃度到達設定預報值和報警值時，可分別發(fā)出報警信號，同時開啟聯(lián)鎖觸點信號帶動蜂嗚器發(fā)出報警。其控制系統(tǒng)安裝在控制室，傳感器安裝在測定現(xiàn)場，可遠距離連續(xù)檢測1～5點存在一氧化碳氣體場所濃度信號，傳輸距離可達1.5km。測量精度為5％FS，響應時間小于60S，傳感器壽命為12個月。喇叭220V電流表指示指示燈對探頭前置放大板放大電路穩(wěn)壓源延時電路整流濾波報警設定電路預報警電路報警電路故障報警電路繼電器繼電器繼電器聲報警電路量程細調調整氣體檢測專題知識專家講座第47頁2、MSA－580系列硫化氫檢測報警器MSA－580系列硫化氫氣體連續(xù)檢測系統(tǒng)可連續(xù)檢測工作場所空氣中硫化氫氣體在0～150mg/m3范圍內濃度，并將信號遠傳輸?shù)娇刂剖一蛑蛋嗍?。當空氣中硫化氫濃度到達15mg/m3時發(fā)出預報警，到達20mg/m3時發(fā)出報警信號（設定點用戶可自行調整）。信號傳輸距離可達1.5km。每臺儀表可容納1～5個單元，可同時監(jiān)測5個點空氣中硫化氫氣體濃度，其精度為±5％FS，響應時間小于60S，傳感壽命12個月。580系列硫化氫氣體檢測系統(tǒng)工作原理與570系列一氧化碳氣體檢測系統(tǒng)相同，只是傳感器有區(qū)分，580系列傳感器是由電化學極普電池及相關電路組成，被測氣體經(jīng)過隔爆片以及探頭表面塑料薄膜以擴散方式進入極普電池采樣區(qū)，極普電池使硫化氫氧化為硫酸，這種氧化過程與采樣區(qū)內硫化氫分壓成正比，經(jīng)過采樣電路、放大電路及接口電路輸出與環(huán)境氣體中硫化氫濃度成百分比電信號。傳感器為隔爆結構，防爆標志為dⅡCT6。氣體檢測專題知識專家講座第48頁四、紅外線氣體分析1、紅外線吸收法測試原理除惰性氣體及O2、N2、H2雙原子氣體外，大多數(shù)氣體和蒸氣都含有吸收一定波長范圍紅外光性質。當紅外光透過氣體試樣時，某一波長范圍內光強度因氣體吸收而降低，光強度降低許與氣體濃度成正比，濃度大，光強度降低許大，測經(jīng)過氣體光強度改變即可取得氣體濃度。依據(jù)朗伯――比爾幅射衰減定律，各種氣體吸收強度與氣體濃度關系：

I0、I――被氣體吸收前后光強度；C――介質濃度；L――幅射穿透氣體厚度（氣室長度）K――氣體介質對入射光吸收系數(shù)。

氣體檢測專題知識專家講座第49頁吸收波長μmCH4

COCO2

NO2H2SH2O次波長2.32.322.696.27.42.66主波長2.394.664.257.68.72.8表4-4-2各種氣體吸收紅外線波長氣體檢測專題知識專家講座第50頁

2、結構與原理

由兩組相同光學系統(tǒng)組成，一組為比較部分（也稱基準部分）另一組測定部分。紅外光同時經(jīng)過兩室，檢測室不含有待測氣體，光強度相同；假如檢測室含有待測氣體，因氣體吸收，光強度降低，最終抵達檢測器紅外光強度減小，兩束光出現(xiàn)強度差，強度差大小由檢測器轉變?yōu)殡娏?。檢測器內封裝高濃度待測氣體，中間安裝一可動金屬薄膜將檢測器分隔成兩個小氣室，當兩束不一樣光強度進入檢測器時，小氣室氣體吸收紅外光發(fā)生熱體積膨脹，一側進入光強度大，體積膨脹大，另一側小，體積膨脹小，存在壓力差，薄膜產(chǎn)生位移，測量位移量大小，即可測量膨脹壓力差。利用電容量改變就可測量待測氣體濃度。氣體檢測專題知識專家講座第51頁光源―鎳鉻絲，經(jīng)過電流1A，加熱800度，發(fā)紅外光，兩個特征相同熱絲串聯(lián)；干擾氣室―吸收掉對檢測有影響干擾氣體（如H2S）吸收段幅射能；切光片――把紅外光源變成斷續(xù)脈沖光，使光源按一定頻率射入檢測器，檢測器電容也按此頻率改變，在電容上進行重復充電和放電，充電和放電電流大小取決于電容量改變幅度。

3、特點與型號特點：含有選擇性強，靈敏度高，不受背景氣體影響，穩(wěn)定性好，但體積大，成本高，適合用于試驗室。這類氣體檢測有CO、CH4、CO2等，精度最高儀器之一

氣體檢測專題知識專家講座第52頁第五節(jié)氧氣（O2）檢測

一、伽伐尼電化學法1、原理及傳感器結構電化學燃料電池也稱伽伐尼電池，電池內有兩個電極和電解液，陰極為鉑或金，陽極用鉛或鋅作成，電解液為KOH，被測O2透過聚乙烯薄膜滲透陰極與薄膜層時，在陰極上產(chǎn)生化學反應：電解液中OH-在陽極上產(chǎn)生化學反應：總反應式：假如在兩極間加上負載就會有電流輸出，電流大小取決于透過薄膜氧氣量多少，從而到達測O2目標。氣體檢測專題知識專家講座第53頁2、特點優(yōu)點：準確、快速，在一定范圍內線性好，對除腐蝕性以外氣體干擾小，缺點：受氧氣分壓影響較大，高山和井下測量應注意。溫度改變影響；以消耗陽極為代價。壽命短。陽極：Pb,Zn陰極：Rt,AuKOH聚乙烯薄膜氣體檢測專題知識專家講座第54頁二、電磁法測O21、磁風原理――氧氣與其它氣體不一樣物理特征，氧氣含有順磁性，指氣體能被磁場吸引或排斥性質。當待氣體進入含有磁場和加熱線圈氣室時，因為磁場和加熱線圈作用，使氣流不停地流動形成所謂磁風，使氣室中熱敏元件阻值發(fā)生改變破壞電橋平衡，不平衡電流大小與氣樣中氧氣量相關。氣體檢測專題知識專家講座第55頁

當混合氣體中不含氧氣時，連通管兩端壓力相同，氣流不流經(jīng)橫向測量管，R1=R2，電橋平衡。當待測氣體中含有氧氣時，因為氧順磁性，氣體在磁場作用下吸入連通管，并被加熱。因為熱磁效應，氧受熱后順磁性減弱，被加熱氣體受到推斥，在連通管內形成被稱為“磁風”連續(xù)氣流，氣流速度取決于氧濃度。受氣流影響，電阻絲溫度發(fā)生改變，造成電橋失去平衡，用輸出電壓信號可度量氧氣濃度。

上圖為熱磁效應氧氣傳感器工作原理圖。傳感器制成環(huán)型室，環(huán)型室中有玻璃制成連通管。在連通管上繞有兩組加熱電阻絲R1和R2，接于直流電橋中，其中一個R1接在永久磁鐵兩極之間。氣體檢測專題知識專家講座第56頁二、電磁法測O21、磁風原理

氧氣與其它氣體不一樣物理特征，氧氣含有順磁性，指氣體能被磁場吸引或排斥性質。當待氣體進入含有磁場和加熱線圈氣室時，因為磁場和加熱線圈作用，使氣流不停地流動形成所謂磁風，使氣室中熱敏元件阻值發(fā)生改變破壞電橋平衡，不平衡電流大小與氣樣中氧氣量相關。因為氧磁性最強，所以含氧混合氣磁化率主要由氧濃度決定。順磁性氣體能被磁場吸引，氧氣是含有順磁性氣體。伴隨溫度升高，氧磁性減弱，含有熱磁效應?；谶@一物理現(xiàn)象，能夠測定氧氣濃度。圖4-5-3為熱磁效應氧氣傳感器工作原理圖。傳感器制成環(huán)型室，環(huán)型室中有玻璃制成連通管。在連通管上繞有兩組加熱電阻絲R1和R2，接于直流電橋中，其中一個R1接在永久磁鐵兩極之間。

氣體檢測專題知識專家講座第57頁

圖4-5-3熱磁效應氧氣傳感器工作原理圖氣體檢測專題知識專家講座第58頁當混合氣體中不含氧氣時，連通管兩端壓力相同，氣流不流經(jīng)橫向測量管，R1=R2，電橋平衡。當待測氣體中含有氧氣時，因為氧順磁性，氣體在磁場作用下吸入連通管，并被加熱。因為熱磁效應，氧受熱后順磁性減弱，被加熱氣體受到推斥，在連通管內形成被稱為“磁風”連續(xù)氣流，氣流速度取決于氧濃度。受氣流影響，電阻絲溫度發(fā)生改變，造成電橋失去平衡，用輸出電壓信號可度量氧氣濃度。氣體檢測專題知識專家講座第59頁

2、順磁測O2兩楔形永久磁鐵組成不均勻磁場，在不均勻磁場中懸吊一個水平桿，水平桿兩端各有一個石英小球，球內充有氮氣，呈“啞鈴狀”。當氧等順磁性氣體經(jīng)過時，因為在不均勻磁場中，氣體被吸引，磁力線密集地方氣體密度大，磁力線較疏地方氣體密度小，出現(xiàn)密度差，光源發(fā)出光照射到硅光電池上。

圖4-5-4順磁測氧原理圖氣體檢測專題知識專家講座第60頁這類儀器都有穩(wěn)流、穩(wěn)壓裝置吸氣泵。美國生產(chǎn)632－Ⅱ型，英國生產(chǎn)570A和580A型。3、特點含有性能穩(wěn)定，可連續(xù)測定，但體積大，重量重。適應于固定場所。氣體檢測專題知識專家講座第61頁一．光干涉式甲烷檢定器原理與結構

兩束光滿足振動方向相同、頻率相同和相位差一定三個條件而產(chǎn)生光干涉。光程是指已折算到真空中旅程，Xn。假如以氣室5各小室均充入一樣新鮮空氣時干涉條紋為基準，當在一支氣路中改變氣體成份、溫度或壓力等，那么因為折射率改變，光程和光程差也就會伴隨改變，這時干涉條紋位置也會移動一個距離。依據(jù)條紋移動距離可測算出折射率改變程度。假如使兩束光通路溫度、壓力相同，而被測氣體化學成份為已知，則可作為定量分析。這就是光干涉瓦斯檢定器原理。第六節(jié)光干涉法瓦斯檢測器光程差=Kλ光程差=(K+1/2)λ氣體檢測專題知識專家講座第62頁二．光學甲烷機檢定器使用光學甲烷機檢定器使用步驟以下：1）對吸收管內干燥劑等藥品進行檢驗。水—變色硅膠，蘭-粉紅；CO2，粉紅-淡黃2）對儀器進行氣密性檢驗，吸氣球和儀器3）檢驗干涉條紋是否清楚4）調零5）測定

氣體檢測專題知識專家講座第63頁第七節(jié)氣相色譜儀

一、特點高效能——一次全分析測量；高選擇——一個氣體在一定條件下對應于一個儀器；高靈敏度——CO在1ppm以下，CH4在10-7，O2達10-10；分析速度快——一個樣，各種氣體在幾分鐘內全部完成；樣品數(shù)量少——0.5ml,1ml；應用范圍廣——煤炭、石油、化工、農業(yè)等。氣體檢測專題知識專家講座第64頁二、組成及原理

1、組成

即使色譜儀型號繁多，功效技術指標相差很大，但組成儀器基本部分是相同，如圖4-6-1氣相色譜儀基本流程示意圖。主要由主機、電器部分和數(shù)據(jù)處理三大部分組成，如儲氣瓶、壓力指示和流量控制、色譜柱、檢測器、電器設備(電信號放大器、恒溫控制器)、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計等組成。穩(wěn)壓穩(wěn)流色譜柱檢測器數(shù)據(jù)處理載氣氣體檢測專題知識專家講座第65頁1）儲氣瓶――儲存載氣，對載氣要求：惰性，無腐蝕性，在200～400℃內不分解，氣體擴散性小，易得到并易純化，純度99.999%，價格廉價，能滿足檢測器要求。慣用載氣：N2、H2、He、Ar，慣用輔助氣體：空氣和氧氣；選擇載氣標準：首先滿足分析對柱效率和分析周期要求，從柱效率，擴散系數(shù)小，為得到好峰，用氮氣作載氣；要減小分析周期，用氦氣作載氣好；其次，依據(jù)樣品性質，分析氫同位素不能用氫作載氣；再次，依據(jù)檢測器要求，熱導型檢測器，為了提升分析靈敏度，用熱導系數(shù)大氦氣和氫氣好；電子捕捉檢測器用氮氣很好。載氣作用：推進試樣在色譜柱中運動；為試樣在色譜柱提供分配相；

氣路系統(tǒng)要保持氣密性，載氣流速壓力穩(wěn)定，用穩(wěn)壓閥和穩(wěn)流閥控制壓力和流量穩(wěn)定。氣體檢測專題知識專家講座第66頁2）色譜柱(1)作用――完成試樣分離，依據(jù)不一樣物質在由兩相――固定相和流動相組成體系中，含有不一樣分配系數(shù)，當兩相作相對運動時，在兩相之間進行重復屢次分配（吸附－脫吸，溶解－解溶），這么就使那些分配系數(shù)含有微小差異性質，在移動速度上產(chǎn)生很大差異，從而使組分到達完全分離。(2)分類――填充柱和毛細管柱，材質有不銹鋼、玻璃、銅、鋁、聚四氟乙烯圖5-7-2色譜柱分離示意圖氣體檢測專題知識專家講座第67頁(3)柱形狀與尺寸――U、螺旋形、柱長取決于柱箱和樣品分離，(4)老化――注意老化條件(5)選取――色譜柱和檢測器是色譜儀關鍵部件。依據(jù)分析不一樣混合氣體，選取不一樣色譜柱。分析CO、CO2、CH4--Φ=3～5mm,L=0.5～0.7m螺旋不銹鋼管柱，柱內裝TDX-01或TDX-02（60～80目）吸附劑。轉化爐360～380℃，氫火焰檢測器，CO+3H2→CH4+H2O分析O2、N2、CH4—5A分子篩（60～80目）,5m，Φ=3～5mm；熱導分析CxHy(C1～C3)—GDX試劑（60～80目）,5m，Φ=3～5mm；氫焰分析CxHy(C1～C4)—毛細管,20m；氫火焰檢測器分析SF6、CF2ClBr(1211)、氟里昂—5A分子篩（60～80目）,5m，Φ=3～5mm，電子捕捉檢測器氣體檢測專題知識專家講座第68頁3)檢測器(1)作用：完成物理量轉變電量裝置(2)種類：當前應用較多檢測器主要有：一是熱導檢測器TCD，用于常量分析，如分析大氣中O2和N2等；二是氫火焰檢測器FID，主要用于對可燃氣體進行微量分析，如分析井下CO氣體、CxHy氣體等等。而CO和CO2氣體必須經(jīng)過鎳觸媒作催化劑，在350～380℃溫度條件下轉化為可燃氣體，才能用氫火焰檢測器檢測；三是電子捕捉檢測器ECD，它主要是用于分析電負性物質，如氧氣和含鹵族元素化合物如SF6。四是火焰光度檢測器FPD，它主要是用于分析硫、磷等物質，如H2S和P2O5化合物。五是氮磷檢測器NPD

，它主要是用于分析農藥氮磷含量，(3)選取：依據(jù)檢測不一樣物質和精度要求，選取不一樣檢測器氣體檢測專題知識專家講座第69頁熱導檢測器――當有樣品進入時，純載氣變成了混合氣體，其熱導系數(shù)發(fā)生了改變，經(jīng)過池室時，破壞了原有電橋平衡，使熱絲溫度發(fā)生改變，其