气体感测器介绍PPT

1、气体感测器介绍气体感测器介绍 主讲人：王湘甫主讲人：王湘甫 美国美国quest公司中国市场部经理公司中国市场部经理 气体感测器介绍气体感测器介绍 应用领域应用领域 1. 周界气体监测周界气体监测(环境危害环境危害) 2. 烟道气体监测烟道气体监测(环境危害环境危害) 3. 车辆尾气监测车辆尾气监测(环境危害环境危害) 4. 工业安全气体监测工业安全气体监测(人身危害人身危害) 5. 制程制程(工艺流程工艺流程)气体监测气体监测 (生产品管研究生产品管研究) 气体监测分类气体监测分类 1. 可燃性气体可燃性气体(爆炸侦测爆炸侦测) 2. 氧气氧气 3. 毒性气体毒性气体 爆炸三要素爆炸三要素 氧

2、气空气中已存在氧气空气中已存在 燃料可燃性气体燃料可燃性气体,但浓度须在燃烧下限、但浓度须在燃烧下限、 lft与燃烧上限、与燃烧上限、ufl之间之间 热源点火源热源点火源 三因素需同时存在三因素需同时存在 爆炸三要素爆炸三要素 例：空气中的氧气被高浓度甲烷气取代，例：空气中的氧气被高浓度甲烷气取代， 造成氧气不足，无法进行燃烧、爆炸！造成氧气不足，无法进行燃烧、爆炸！ 氧气氧气 热源热源 燃料燃料 lfl-ufl 缺一不可缺一不可 氧气不足的环境氧气不足的环境 氧气浓度低于氧气浓度低于19.5%体积比，窒息气体体积比，窒息气体 及蒸气可能取代或消耗氧气导致氧气不及蒸气可能取代或消耗氧气导致氧气

3、不 足的环境！足的环境！ 氧气丰富的环境氧气丰富的环境 氧气浓度超过氧气浓度超过23.5%23.5%体积比，代表非常容易体积比，代表非常容易 导致火灾危害！导致火灾危害！ 缺氧危害缺氧危害 定义定义：氧气浓度低于：氧气浓度低于18% 氧气氧气 浓度浓度 氧之氧之 分压分压 动脉血液动脉血液 氧之分压氧之分压 动脉血液动脉血液 氧之饱和度氧之饱和度 症状症状 12-16% 120-19060-4589-85脉搏及呼吸增加、精神集中脉搏及呼吸增加、精神集中 费力、筋肉作业不顺、头痛、费力、筋肉作业不顺、头痛、 耳鸣耳鸣 10-14% 105-7050-4087-84判断力迟钝、不安定、精神判断力迟

4、钝、不安定、精神 状态如酒醉、失去记忆、体状态如酒醉、失去记忆、体 温上升、全身脱力、晕眩温上升、全身脱力、晕眩 6-10% 70-4540-2074-33意识消失、昏倒、中枢神经意识消失、昏倒、中枢神经 障碍、语焉不详、脸色苍白、障碍、语焉不详、脸色苍白、 全身肌肉痉挛全身肌肉痉挛 0-6% 45以下以下20以下以下33以下以下瞬间昏倒、昏睡、呼吸徐缓、瞬间昏倒、昏睡、呼吸徐缓、 呼吸停止、心脏停止活动呼吸停止、心脏停止活动 资料来源资料来源：niosh 不同氧气浓度的影响不同氧气浓度的影响 氧体积比氧体积比结果结果/影响人体影响人体 23.5以上以上富氧环境富氧环境,极容易造成火灾危害极容

5、易造成火灾危害 21.0%氧气在空气中正常浓度氧气在空气中正常浓度 19.5%最低最低“安全浓度安全浓度” 16.0%失去方向感失去方向感,降低判断力及呼吸降低判断力及呼吸 14.0%失去判断力失去判断力,快速疲劳快速疲劳 8.0%失去心智失去心智,昏厥昏厥 6.0%呼吸困难呼吸困难,数分钟內死亡数分钟內死亡 可燃性气体定义可燃性气体定义 定义定义：气体的爆炸下限在：气体的爆炸下限在10%以下以下, 爆炸上限与下限之差在于爆炸上限与下限之差在于20%以上以上! 如如:丙烯晴、丙烯醛、乙炔、乙醛、氨、丙烯晴、丙烯醛、乙炔、乙醛、氨、 一氧化碳、乙烷、乙胺、乙苯、氯乙烷、一氧化碳、乙烷、乙胺、乙苯

6、、氯乙烷、 氯甲烷、环氧乙烷、环氧丙烷、氰化氢、氯甲烷、环氧乙烷、环氧丙烷、氰化氢、 环丙烷、二甲胺、氢、三甲胺、二硫化碳、环丙烷、二甲胺、氢、三甲胺、二硫化碳、 丁二烯、丁烷、丁二烯、丁烷、 丁烯、丁烯、 丙烷、丙烯、溴甲丙烷、丙烯、溴甲 烷、苯、甲烷、甲胺、二甲醚、硫化氢烷、苯、甲烷、甲胺、二甲醚、硫化氢 在正常温度在正常温度、压力及含氧量、压力及含氧量 可燃性气体可燃性气体爆炸低限爆炸低限lel (空气中体积比空气中体积比) 爆炸高限爆炸高限uel (空气中体积比空气中体积比) 甲烷甲烷 methane5%15% 丙烷丙烷 propane2.1%9.5% 丁烷丁烷 butane1.8%8

7、.4% 乙炔乙炔 acetylene2.5%100% 氢气氢气 hydrogen4.0%75% 毒性气体定义毒性气体定义 劳工作业环境空气中有害物质容许浓度劳工作业环境空气中有害物质容许浓度 在在0.2%以下之气体以下之气体 分类：分类： 无机毒性气体无机毒性气体 如：氧、一氧化碳、二氧化硫、氨、氰如：氧、一氧化碳、二氧化硫、氨、氰 化氢、硫化氢化氢、硫化氢 有机毒性气体有机毒性气体 如：丙烯腈、丙烯醛、氯甲烷、氯丁二烯、如：丙烯腈、丙烯醛、氯甲烷、氯丁二烯、 环氧乙烷、三甲胺、二硫化碳、氟、溴环氧乙烷、三甲胺、二硫化碳、氟、溴 甲烷、苯、光气、甲甲烷、苯、光气、甲胺胺 有毒气体危害有毒气体危

8、害 各种不同各种不同co浓度影响浓度影响 co浓度浓度ppm影响人体影响人体/规定规定 25acghi-twa 35niosh-twa 50osha-pel/twa 200可能轻微前额头痛可能轻微前额头痛,在在2-3小时小时 內內,niosh ceiling 400前额头痛及反胃想吐前额头痛及反胃想吐,在在1-2小小 时后时后 800头痛、头昏眼花、反胃想吐头痛、头昏眼花、反胃想吐,在在 2小时內小时內 1200niosh-idlh 资料来源资料来源:aiha 有毒气体危害有毒气体危害 各种不同各种不同co浓度影响浓度影响 co浓度浓度ppm影响人体影响人体/规定规定 1600头痛及头昏眼花头

9、痛及头昏眼花,在在20分钟內分钟內 失去知觉并危及生命失去知觉并危及生命,在在2小时內小时內 3200头痛及头昏眼花在头痛及头昏眼花在5-10分钟內分钟內 失去知觉并危及生命在失去知觉并危及生命在30分钟內分钟內 6400头痛及头昏眼花头痛及头昏眼花,在在1-2分钟內分钟內 失去知觉并危及生命失去知觉并危及生命,在在10-15分钟內分钟內 12800立即产生影响立即产生影响,失去知觉失去知觉 危及生命危及生命,在在1-3分钟內分钟內 资料来源资料来源:aiha 有毒气体危害有毒气体危害 各种不同各种不同h2s浓度影响浓度影响 h2s浓度浓度ppm影响人体影响人体/规定规定 4.6可容易检测可容

10、易检测,闻到异味闻到异味 10开始刺眼开始刺眼,acghi-twa,niosh- ceiling 15acgih stel 20osha ceiling 27强烈不愉快的味道强烈不愉快的味道 50最大曝露量最大曝露量:10分钟分钟osha 资料来源资料来源:ansi 有毒气体危害有毒气体危害 各种不同各种不同h2s浓度影响浓度影响 h2s浓度浓度ppm影响人体影响人体/规定规定 100咳嗽咳嗽,刺眼刺眼,在在2-5分钟后鼻子失去味觉分钟后鼻子失去味觉; niosh-idlh 200-300眼睛发炎及呼吸管道刺激眼睛发炎及呼吸管道刺激,在在1小时后小时后 500-700失去知觉及可能死亡失去知觉

11、及可能死亡,在在30分钟分钟-1小时內小时內 700-1000快速失去知觉快速失去知觉,暂停呼吸及死亡暂停呼吸及死亡 1000-2000立即失去知觉并提早停止呼吸及死亡立即失去知觉并提早停止呼吸及死亡,在在 数分钟內数分钟內 资料来源资料来源:ansi 常见气体监测仪器种类常见气体监测仪器种类 1. 红外线红外线ir 2. 气相色谱气相色谱gc 3. 光游离检测仪光游离检测仪pid/火焰游离检火焰游离检 测仪测仪fid 4. 比色法比色法(比色管比色管) 5. 电化学及其他电化学及其他 红外线气体监测器红外线气体监测器 原理原理：利用气体可吸收特定波长之红外：利用气体可吸收特定波长之红外 线的

12、特性线的特性(o2、n2 、h2不吸收不吸收) 化合物化合物 波长波长 m co24.27 co4.76 so29.00 nh310.95 苯苯9.93 freon 1110.96 红外线气体监测仪器红外线气体监测仪器 优点优点 1. 可快速测出多种化合物可快速测出多种化合物 2. 单一气体定性定量佳单一气体定性定量佳 3. 可检测低浓度可检测低浓度ppm 缺点缺点 1. 湿气干扰大湿气干扰大 2. 混合复杂气体适用性依应用混合复杂气体适用性依应用 3. 需专业且有经验的人来研判结果需专业且有经验的人来研判结果 4. 价格高价格高 气相色谱仪气相色谱仪gc 原理原理 系统包括系统包括: 1.

13、检测器检测器-fid、tcd、pid、maid、ecd 等等 2. 载送气体载送气体 3. 分离柱分离柱(填充柱、毛细管柱填充柱、毛细管柱) 4. 可温控柱箱可温控柱箱 5. 讯号处理与记录讯号处理与记录 样品经由注射或自动导入样品经由注射或自动导入,由载送气体载送由载送气体载送 样品通过分离柱样品通过分离柱,到达检测器感测到达检测器感测,因不同成因不同成 份化合物通过分离柱的时间不同份化合物通过分离柱的时间不同,且浓度与且浓度与 检测讯号成比例检测讯号成比例,故可定性及定量故可定性及定量 气相色谱仪气相色谱仪gc 优点优点 1. 可同时监测数种挥发性有机化合物可同时监测数种挥发性有机化合物

14、2. 可定性及定量可定性及定量(需有标样需有标样) 3. 可检测低浓度可检测低浓度ppb或或ppt 缺点缺点 1. 操作复杂操作复杂 2. 需专业有经验需专业有经验 3. 分析时间最快分析时间最快,约约20-30分钟分钟 (从暖机到结果从暖机到结果) 4. 价格高价格高 光游离检测仪光游离检测仪pid 原理原理:使用能量使用能量10.2-10.6ev的的uv光光, 作从游离样品分子之能源作从游离样品分子之能源,样品游离样品游离 后后,以正电荷极收集游离电子以正电荷极收集游离电子,产生电产生电 流流,浓度与电流成正比浓度与电流成正比 光游离检监测仪光游离检监测仪pid 优点优点 1.使用方便使用

15、方便, 可快速量测可快速量测 2.操作不需专业人员操作不需专业人员 的经验判断的经验判断 3.适用土壤气量测适用土壤气量测 4.适合芳香族有机物适合芳香族有机物 的综合浓度指标的综合浓度指标! 5.价位适中价位适中 6.检测浓度检测浓度ppm-ppb 缺点缺点 1.湿气干扰大湿气干扰大 2.无法定性定量无法定性定量 3.极限于芳香族有机极限于芳香族有机 物物,带氯化合物无法带氯化合物无法 侦测侦测! 4.客户易误认它的功客户易误认它的功 效效!(宣传误导宣传误导) 5.无法测无法测o2、n2、co 及及co2 火焰游离检测仪火焰游离检测仪fid 原理原理:利用火焰燃烧裂解有机物利用火焰燃烧裂解

16、有机物,产生产生 导电之离子中间物导电之离子中间物,由于该导电之离由于该导电之离 子中间物可降低火焰之电阻子中间物可降低火焰之电阻,因此因此,当当 物质进入火焰且被燃烧游离时物质进入火焰且被燃烧游离时,会使会使 电流增加电流增加,此电流讯号与化合物之碳此电流讯号与化合物之碳 数数(ch基基)浓度成正比浓度成正比 火焰游离检测仪火焰游离检测仪fid 优点优点 1.非常灵敏及应用广非常灵敏及应用广 泛泛,技术成熟技术成熟 2.gc+fid实验室最佳实验室最佳 的定性定量分析工的定性定量分析工 具具 3.湿气不影响湿气不影响 4.检测浓度检测浓度ppm-ppb 缺点缺点 1.需使用需使用h2从载送气

17、体从载送气体, 不易成从便携式不易成从便携式 2.若无分离柱若无分离柱,则无法定则无法定 性定量性定量 3.co2、cs2、so2、 nh3、no、no2、 n2o、sif4、sic14无无 法检测法检测 4.价格高于价格高于pid 比色法比色法(比色管比色管) 原理原理:利用化学试剂与特定气体化合物反应利用化学试剂与特定气体化合物反应 后呈色后呈色,所呈现颜色与浓度具有关系所呈现颜色与浓度具有关系 优点优点 1.价格最便宜价格最便宜 2.使用方便使用方便,携带方便携带方便 3.可定性可定性 缺点缺点 1.一次性一次性,无法校正及重无法校正及重 复确认操作复确认操作! 2.有使用期限有使用期限

18、6个月个月-1年年 不等不等,依厂牌而定依厂牌而定 3.温度及湿气影响大温度及湿气影响大 4.适用范围小适用范围小 5.实际量测误差实际量测误差:+25% 或更大或更大! 电化学及其他气体检测器电化学及其他气体检测器 触煤燃烧法触煤燃烧法 (catalytic combustion method) 电化学法电化学法(electrochemical sensor) u 定电位电解法定电位电解法- potentiostatic electrolysis method u 隔膜离子选择电极法隔膜离子选择电极法 membrance type ion-selective electrode u 隔膜卡而

19、巴尼电池法隔膜卡而巴尼电池法 membrance type galvanic cell 半导体感测器半导体感测器 (semiconductive detector) 触煤燃烧法触煤燃烧法 主要用于量测可燃性气体主要用于量测可燃性气体 基本原理基本原理: hc + o2co2 + h2o 触煤氧化触煤氧化 250c-500c hc + o2co2 + h2o 氧化氧化 600c 触煤燃烧法触煤燃烧法 惠斯登电桥电路惠斯登电桥电路 r1/r2-电阻电阻 vr（可变电阻）（可变电阻） vin（输入电阻）（输入电阻） vout-输出电压（检测电压）输出电压（检测电压） d感测元件（样品通过）感测元件（

20、样品通过） 內部从白金丝，周围包覆耐高温氧化物內部从白金丝，周围包覆耐高温氧化物 （如氧化铝），其外表再涂上一层触煤（如氧化铝），其外表再涂上一层触煤 c补偿（参考）元件（样品不通过）补偿（参考）元件（样品不通过） 其结构与感测元件相同，用以温度变化其结构与感测元件相同，用以温度变化 补偿补偿 原理原理:当待测气体通过已预热且外表涂有触煤的当待测气体通过已预热且外表涂有触煤的 感测元件时感测元件时,因燃烧造成升温而感测端电阻升高因燃烧造成升温而感测端电阻升高, 电流下降电流下降.如此使在电桥之输出电压上升如此使在电桥之输出电压上升,电压改电压改 变的大小与浓度成正比变的大小与浓度成正比,经计算

21、成经计算成lel 触煤燃烧法触煤燃烧法 应用应用:检测可燃性气体的爆炸下限检测可燃性气体的爆炸下限lel 优点优点 1.使用简单使用简单,成熟技术成熟技术 2.输出值与气体浓度输出值与气体浓度 之线性良好之线性良好 3.适用高浓度适用高浓度 4.价格便宜价格便宜 缺点缺点 1.混合气体无法定混合气体无法定 性及定量性及定量 2.触煤表面容易被触煤表面容易被 h2s、so2、鉛、鉛、 so2、卤化物、硅化、卤化物、硅化 物汙染而中毒物汙染而中毒 定电位电解法定电位电解法 potentiostatic electrolysis method 结构：三极式结构：三极式 u感测电极感测电极 u参考电极

22、参考电极 u计数电极计数电极 u电解液电解液 感测电极感测电极 电解液（硫酸）电解液（硫酸） 计数电极计数电极参考电极参考电极 透气薄膜透气薄膜 分析气体渗入分析气体渗入 原理原理:在感测电极与参考电极之间保持一定在感测电极与参考电极之间保持一定 电位差电位差,感测而电极表面涂有触煤感测而电极表面涂有触煤(白金或白金或 黃金黃金),当分析气体经薄膜渗入电解液內当分析气体经薄膜渗入电解液內,在在 触煤表面则产生氧化或还原反应而释放出触煤表面则产生氧化或还原反应而释放出 电子电子,其在感测电极与计数电极之间所产生其在感测电极与计数电极之间所产生 的电流比例于浓度的电流比例于浓度 定电位电解法定电位

23、电解法 气体选择性气体选择性 決定于以下的组合決定于以下的组合 u 电解液电解液 u 电极材质电极材质 u 供应电压供应电压 所供应电压所供应电压,对检测灵敏度影响很大对检测灵敏度影响很大 此电压供应在感测电极与参考电极之间此电压供应在感测电极与参考电极之间 此电压须保持固定此电压须保持固定,即使当氧化反应产即使当氧化反应产 生时生时!(电流造成电压下降电流造成电压下降) 温度影响温度影响:电化学反应受温度变化影响电化学反应受温度变化影响, 需內有感温元件来补偿温度变化的影需內有感温元件来补偿温度变化的影 响响! 电位电解法感测器电位电解法感测器 例子例子:一氧化碳感测器一氧化碳感测器 u c

24、o经薄膜渗入电解液在感测电极被氧化经薄膜渗入电解液在感测电极被氧化 u 反应方程式如下反应方程式如下: 在感测电极：在感测电极： co + h2o co2 + 2h+ + 2e- 在计数电极：在计数电极： o2 + 4h+ + 4e-2h2o 经由氧化经由氧化co及原还及原还o2,则则2个电子被释放出而产生电流个电子被释放出而产生电流 上述反应约每上述反应约每ppm co产生产生0.1ma电流电流 在感测电极与计数电极间产生的电流与在感测电极与计数电极间产生的电流与co浓度成正比浓度成正比 u感测器所产生的电流经放大器及转换显示感测器所产生的电流经放大器及转换显示co浓度浓度 电化学感测器氧气

25、电化学感测器氧气 常见的两种基本的量测型式常见的两种基本的量测型式 1. 量测气体的分压量测气体的分压 2. 量测气体的浓度（量测气体的浓度（quest） 电化学感测器氧气电化学感测器氧气 量测氧气分压量测氧气分压 1.由气体经由薄膜扩散到內部电解液来控制由气体经由薄膜扩散到內部电解液来控制 2.传统方法（与水中溶氧相似）传统方法（与水中溶氧相似） 3.温度影响量测較大温度影响量测較大 4.海拔影响量测較大海拔影响量测較大 量测氧气浓度（量测氧气浓度（quest） 1.由气相扩散由气相扩散barrier来控制来控制 2.使用使用city technology的感测器的感测器 3.温度系数相对小

26、温度系数相对小 4.海拔改变对讯号改变很小海拔改变对讯号改变很小 电化学感测器氧气电化学感测器氧气 测量浓度测量浓度(quest)vs量测分量测分 压压 优点优点 1. 稳定性非常好稳定性非常好 2. 反应快速反应快速 3. 环境气压及海拔不影响量测环境气压及海拔不影响量测 4. 非常低的温度系数非常低的温度系数 半导体型感测器半导体型感测器 半导体型感测器半导体型感测器 emiconductive detector 原理原理:当待测气体通过已加热感测器当待测气体通过已加热感测器 时时,可吸附在金屬氧化物可吸附在金屬氧化物(如如sno2)表表 面面,造成感测材料之电导度造成感测材料之电导度(电

27、阻电阻)变化变化, 而电导度而电导度(电阻电阻)变化比例于浓度变化比例于浓度. sno2感测材料层感测材料层 白金丝量测电极白金丝量测电极 氧化铝之保护层氧化铝之保护层 al2o3氧化氧化 铝基板铝基板 白金丝白金丝 加热器加热器 半导体型感测器半导体型感测器 优点优点: 1.低浓度气体检测讯号低浓度气体检测讯号 输出变化大输出变化大,感度高感度高 2.寿命略长寿命略长,长期稳定性长期稳定性 佳佳 3.反应速率快反应速率快 4.操作简单操作简单 缺点缺点: 1.线性不佳线性不佳 2.不适用于高浓度气体不适用于高浓度气体 监测监测 3.选择性差选择性差,无法定性无法定性 定量定量 4.易受温度变化及湿度易受温度变化及湿度 的影响的影响 5.缺氧状况检测效果差缺氧状况检测效果差 电化学感测器电化学感测器 典型感测器反应时间典型感测器反应时间 感测器感测器t-90感测器