油轮有毒有害气体检测课件

1、第一章 气体检测常识气体检测在我司油轮船舶的运用中最常见的有可燃性气体、氧气、有毒有害气体（如一氧化碳、硫化氢等）的检测，下面主要介绍上述几种气体检测的原理，其中重点介绍可燃性气体检测的原理.这里在介绍可燃性气体的检测之前,先介绍一下燃烧与爆炸的原理.第一节 燃烧与爆炸本节介绍：燃烧概念及燃烧条件,可燃气的爆炸限, 可燃气爆炸三要素,爆炸限与温度,压力,的关系,部分可燃性气体名称,理化特性,爆炸限一览表.燃烧的基本原理燃烧是指某些物质在较高温度时,与空气中的氧化合而发热和发光的剧烈氧化反应现象.火灾,是指在时间或空间上失去控制并造成一定危害的燃烧现象.消防部门对火灾有火灾和火警之分,其共同点都

2、是失去了控制的燃烧.火灾和火警的主要区别在于经济损失的大小和有无人员伤亡以及受伤程度的轻重. 燃烧及其必要条件燃烧是着火的同义词, 燃烧反应具有三个特征:放热、发光、生成新物质.这三个特征是区分燃烧和非燃烧现象的依据.燃烧反应的发生包含能量的极限要求和物质传播的连续性要求,这是两个缺一不可的必要条件.如果传播速度变快,就会伴有冲击性的压力效应,产生爆炸现象.由此可见,燃烧和爆炸其实质是相同的,主要差异在于传播情况的不同而已.燃烧需要有三个条件 (1) 有可燃性物质存在,固体如木材、煤炭等,液体如柴油、乙醇,气体如甲烷、氢气等;(2) 有助燃物质存在,最常见的就有空气(氧); (3) 有导致燃烧

3、的能源,即点火源,如明火、静电、高温、光或射线等.任何燃烧现象的发生,都必须同时具备可燃物、助燃剂和着火源,这三个条件叫燃烧三要素,缺一不可,对于正在燃烧的火焰,若消除其中任何一个条件,燃烧就会停止.一、爆炸及其种类 爆炸是物质自一种状态迅速转变为另一种状态，并在瞬间释放出大量的能量同时产生巨大声响的现象。一般的爆炸(核爆炸除外)分为物理性爆炸和化学性爆炸两类。 A 、物理性爆炸是由温度、体积和压力等因素引起，爆炸前后物质的性质及化学成分均不变。B 、化学性爆炸是物质在短时间内完成化学变化，形成其他物质同时产生大量气体和能量的现象。化学反应的高速度、大量气体和大量热量是这类爆炸的三个基本要素。

4、 二、化学性爆炸物质 1 、简单分解的爆炸物 这类物质在爆炸是分解为元素，并在分解过程中产生热量。 2 、复杂分解爆炸物，如含氮炸药。 3 、可燃性混合物由可燃物质与助燃物质组成的爆炸物质。实际上是火源作用下的一种瞬间燃烧反应。可燃气体混合物的爆炸是一种化学性爆炸。三、爆炸极限1 、概念 可燃气体、可燃液体蒸气或可燃粉尘与空气混合并达到一定浓度时，遇火源就会燃烧或爆炸。这个遇火源能够发生燃烧或爆炸的浓度范围，称为爆炸极限。通常用可燃气体在空气中的体积百分比（）表示.可燃气体、可燃蒸汽或可燃粉尘与空气构成的混合物，并不是在任何混合比例之下都有着火和爆炸的危险，而是必须在一定的浓度比例范围内混合才

5、能发生燃爆。混合的比例不同，其燃烧速度,爆炸的危险亦不同。实验得知,当混合物中可燃性气体含量接近于化学计算量时,即理论上在空气中完全燃烧时该物质的含量,燃烧速度最快,爆炸的危险最大.混合物中可燃气体浓度减小到最小（或增加到最大），恰好不能发生爆炸时的可燃气体体积浓度分别叫爆炸下限和爆炸上限。爆炸上限和爆炸下限统称为可燃气体的爆炸极限.举例: CH4在空气中的爆炸极限为5-15%vol,就是说当CH4和空气组成的混合气体中CH4的浓度(以体积百分比计)达到5%时,遇着火源就可以发生爆炸, 5%vol就称为CH4气体的爆炸下限.爆炸下限LEL是英文Lower Explosive Limit的缩写,

6、当空气中的可燃气体或蒸汽的体积比低于LEL,将不会形成爆炸气体环境.当CH4和空气组成的混合气体中CH4的体积百分比浓度高于15%时,该混合气体不会发生爆炸, 这时15%vol就称为CH4气体的爆炸上限. 爆炸上限UEL是英文Upper Explosive Limit的缩写,当空气中的可燃气体或蒸汽的体积比超过UEL,将不会形成爆炸气体环境.爆炸气体环境:在正常的大气条件下由气体、蒸气形成的可燃气体混合物,在遇火源之后燃烧可彻底进行 (即发生爆炸),这样的环境就是爆炸气体环境.虽然浓度超过爆炸极限的混合物并不是理论上的爆炸环境,但为安全考虑,在某些情况下为分类目的,将其作为爆炸环境考虑是合适的

7、.爆炸下限和爆炸上限之间的可燃气体浓度范围叫爆炸范围.CH4在常温常压下的爆炸范围是:5-15%vol.可燃气体混合物在不同的温度和不同的压力下其爆炸范围是不同的.以下是天然气在不同压力下的爆炸极限:在常压下为 5 % 15 % ；在 1 MPa 时爆炸极限为 5.7 % 17 % ；在5 MPa 时爆炸极限为 5.7 % 29.5 % 。爆炸性混合物中极限氧浓度:当氧浓度降低到低于某一个值时，无论可燃气体的浓度为多大，混合气体也不会发生爆炸，这一浓度称为极限氧浓度。极限氧浓度可以通过可燃气体的爆炸上限计算。如甲烷在 1 个大气压下的爆炸上限为 15% ，当甲烷含量达到 15% ，空气的含量占

8、 85 % ，这时氧的含量为 17.85% ，即甲烷与空气混合，当氧的含量低于 17.85 % 时，便不会形成达到爆炸极限的混合气。在实际应用中，对极限氧浓度取安全系数，得到最大允许氧含量。天然气的最大允许氧含量可取 2% 。2 、爆炸极限的影响因素 爆炸极限是在常温、大气压力等标准条件下测定出来的，这一范围随着温度、压力和氧含量的变化而有变化。（ 1 ）温度 混合物的原始温度越高，则爆炸下限降低，上限增高，爆炸极限范围扩大。 （ 2 ）氧含量 混合物中含氧量增加，爆炸极限范围扩大，尤其爆炸上限提高得更多。 （ 3 ）惰性介质 在爆炸混合物中掺入不燃烧的惰性气体，随着比例增大，爆炸极限范围缩小

9、，惰性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物变成不能爆炸。 （ 4 ）压力 原始压力增大，爆炸极限范围扩大，尤其是上限显著提高。 原始压力减小，爆炸极限范围缩小。在密闭的设备内进行减压操作，可以免除爆炸的危险。 （ 5 ）容器 容器直径越小，混合物的爆炸极限范围越小。3 、爆炸极限的应用 （ 1 ）划分可燃物质的爆炸危险度.爆炸极限范围越宽,下限越低,爆炸危险性也就越大.（ 2 ）评定和划分可燃物质标准 （ 3 ）根据爆炸极限选择防爆电器（ 4 ）确定建筑物耐火等级、层数（ 5 ）确定防爆措施和操作规程 四、防爆技术基本理论 1 、爆炸反应的历程热反应的爆炸和支链反应爆炸历程有分别。热反应的爆炸

10、：当燃烧在某一空间内进行时，如果散热不良会使反应温度不断提高，温度的提高又促使反应速度加快，如此循环进展而导致发生爆炸。支链反应爆炸：爆炸性混合物与火源接触，就会有活性分子生成，构成连锁反应的活性中心，当链增长速度大于链销毁速度时，游离基的数目就会快速增加，反应速度也随之急剧加快，如此循环发展，瞬间使反应速度加快到爆炸的等级。爆炸是以一层层同心圆球面的形式向各方面蔓延的。2 、可燃物质化学性爆炸的条件(爆炸性混合物爆炸的三要素)（ 1 ）存在着可燃物质，包括可燃性气体、蒸汽或粉尘。 （ 2 ）可燃物质与空气混合并且达到爆炸极限，形成爆炸性混合物。（ 3 ）爆炸性混合物在点火能作用下。3 、燃烧

11、和化学性爆炸的关系 本质是相同的，都是可燃物质的氧化反应。区别在于氧化反应速度不同。 火灾和爆炸发展过程有显著的不同。二者可随条件而转化。火灾有初期阶段、发展阶段和衰弱阶段。 扩散燃烧和动力燃烧 扩散燃烧 如果可燃气体和空气没有混合并点燃，燃烧在可燃气体和空气的界面（反应区），并形成稳定的火焰，称为扩散燃烧。 动力燃烧 如果可燃气体和空气充分混合并点燃，氧分子和可燃气体分子不需扩散就可以迅速结合，这种燃烧称为动力燃烧。由于化学反应速度非常快，反应区火焰会迅速从引燃位置向周围传播，发生爆炸。 化学性爆炸过程是瞬间完成的。4 、防爆技术的基本理论防止产生化学性爆炸的三个基本条件的同时存在，是预防可

12、燃物质化学性爆炸的基本理论。 5 、防爆技术措施可燃混合物的爆炸虽然发生于顷刻之间，但它还是有个发展过程。首先是可燃物与氧化剂的相互扩散，均匀混合而形成爆炸性混合物，并且由于混合物遇着火源，使爆炸开始； 其次是由于连锁反应过程的发展，爆炸范围的扩大和爆炸威力的升级； 最后是完成化学反应，爆炸力造成灾害性破坏。防爆的基本原则是根据对爆炸过程特点的分析，采取相应的措施。阻止第一过程的出现，限制第二过程的发展，防护第三过程的危害。 其基本原则有以下几点：（ 1 ） 防止爆炸混合物的形成； （ 2 ） 严格控制着火源；（ 3 ） 爆炸开始就及时泄出压力； （ 4 ） 切断爆炸传播途径；（ 5 ） 减弱

13、爆炸压力和冲击波对人员、设备和建筑的损坏；（ 6 ） 检测报警。附录(表1-1):部分气体的理化特性和爆炸限一览表（本表摘自日本RIKEN产品资料）气体名称,理化特性,爆炸限一览表 (表1-1)气体名称分子式引燃温度闪点爆炸极限（VOL%）气体比重(空气=1）爆炸下限爆炸上限丙烯酸乙酯 ethyl acrylateCH2:CHCOO.C2H5372101.4143.45丙烯酸甲酯 methyl adrylateCH2:CHCOO.CH3415-32.4252.97丙烯晴 acrylonitrileCH2:CHCN,AN480-52.8281.83乙炔 acetyleneCH:CH305气体1.

14、51000.90乙醛 acetaldehydeCH3CHO140-384.0571.52乙晴 acetonitrileCH3CN52463.0161.42丙酮 acetoneCH3COCH3535-192.15132.00氨 ammoniaNH3630气体15.0280.59一氧化碳 carbone monoxideCO605气体12.5740.97乙醇 ethanolC2H5OH425123.3191.59乙烷 ethanolC2H6515气体3.015.51.04乙苯 ethylbenzeneC6H5C2H5431151.06.73.66乙烯 ethyleneCH2:CH2425气体2.7

15、340.97环氧乙烷 ethylene oxideCH2CH2O440气体3.01001.522-乙氧基乙醇 2-eyhoxyethanolCH2OH,CH3,O,C2H5235431.715.63.10氯乙烷 ethyl chlorideC2H5CL510-503.615.42.22二氯乙烯 vinyl chlorideCH2CHCL2415气体3.829.32.16氯甲烷 methyl chlorideCH3CL632气体8.117.41.78辛烷 octaneC8H18210120.86.53.94邻二甲苯 O-xyleneC6H4(CH3)465301.07.63.66乙酸 aceti

16、c acidCH3COOH485404.0172.07醋酸乙酯 ethyl acetateCH3COO.C2H5460-42.111.53.04醋酸乙烯酯 vinyl acetateCH3COO.CH.CH12385-82.613.42.98醋酸丁酯 butyl acetateCH3.(CH2)2.CH2CH3COO370221.484.01醋酸甲酯 methyl acetateCH3COO.CH3475-103.1162.56二乙醚 diethyl etherC2H5OC2H5170-451.7362.551，4-二哑烷 1,4-dioxaneC4H8O2375111.922.53.03环丙

17、烷 cyclopropaneCH2CH2CH2495气体2.410.41.45环己酮 cyclohexanoneCH2(CH2)4CO,(C6H10O)419431.49.43.38环己烷 cyclohexaneCH2(CH2)4CH2245-201.38.32.90二甲胺 dimethylamine(CH3)2NH400气体2.814.41.55二甲醚 dimethylether240气体3.0271.59氢 hydrogenH2560气体4.075.60.07苯乙烯 styreneC6H5CH:CH2490321.183.59葵烷 decane205460.75.44.90四氢味喃 tet

18、rahydrofuranCH2(CH2)2CH2O230-202.012.42.49三乙胺 triethylamamine(C2H5)3N-6.71.283.51甲苯 tolueneCH3,C6H553561.273.18哗啶 pyridineC5H5N550171.8122.731，3-丁二烯 1,3-butadieneCH2CHCHCH3415气体1.112.51.87庚烷 heptaneCH3(CH2)5CH3215-41.16.73.46气体名称分子式引燃温度闪点爆炸极限（VOL%）气体比重(空气=1）爆炸下限爆炸上限苯 benzeneC6H6555-111.282.70戊烷 pent

19、aneC2H12260-401.57.82.50甲基丙烯酸甲酯 methy methocrylateC3H5,CO,OCH3430102.112.53.45甲醇 methanolCH3OH455115.5441.111-丁醇 1-butanolC4H9OH340291.411.32.55丁烷 butaneCH3CH2CH2CH3365气体1.58.52.05丙烷 propaneCH3CH2CH3470气体2.09.51.56丙烯 propyleneCH3CH,CH2410气体2.011.71.49己烷 hexanen-CH3(CH2)4CH3233-211.27.42.79甲烷 methane

20、CH4537气体5.0150.55甲胺 methylamineCH3NH2430气体5.020.71.07-甲基苯乙烯-methylatyrene574.453.91.96.14.10汽油 gasoline260-201.073-4煤油 kerosine210380.754.50异丁烷 isobutane(CH3)2CHCH3460气体1.88.52.05第二节 气体检测原理本节介绍:几种气体传感器的检测原理介绍,仪器的分类和选型,有关术语,定义,气体定律及气体浓度的表示方法和换算举例,气体检测原理中爆炸极限与燃烧热的关系,不同气体之间的存在响应曲线关系.一.有关术语,气体定律及气体浓度的表示

21、方法和换算举例有关的术语、定律及浓度的表示方法和换算举例1、物质的量的单位摩尔摩尔是一体系的物质的量，该体系中所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数目相等。在使用摩尔时，应指明基本单元是原子、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的特定组合。摩尔用来代表特定数目的粒子，也可以用来代表以克为单位的特定质量。1摩尔的物质具有结构粒子数应是Avogadro常数，例如：1摩尔Fe原子=6.02×1023Fe原子1摩尔CO2分子=6.02×1023CO2分子1摩尔C1-离子=6.02×1023C1-离子1摩尔C-C键=6.02×1023C-C键。摩尔

22、代表物质的1克式量。 例如：1摩尔Fe=1克式量Fe=55.85 gFe1摩尔CO2=1克式量CO2=12.01g+2×16.00g =44.01 gCO21摩尔NaCl=1克式量NaCl=58.44 NaC1当一种物质由单个原子(如Fe、CH4)组成时，摩尔和克原子量具有相同的质量并代表相同粒子数目(6.02×1023)对于分子型物质(如CO2、H2、CH4)摩尔和克分子量具有相同的质量并代表相同的粒子数目(6.02×1023)了解物质的量的单位摩尔, 有助于理解气体浓度或含量的不同表示法之间的换算.可燃性气体的爆炸是可燃气体、可燃液体蒸气与空气混合物的爆炸,

23、关于气体浓度或含量有多种不同表示法, 常见的有质量比、体积比、摩尔比等。2、气体定律气体是物质的一种状态。一种物质的分子在气体状态中彼此之间有着比较大的间距。均匀地充满空间，无规则运动，互相之间不停地碰撞。运动随温度的升高而加剧，阻碍分子结合。因此，气体能发生变形，当压力和温度变化时，其体积就会有大的改变。气体可分为理想气体和实际气体。在自然界中存在的所有气体都是实际气体。它是由分子组成，具有一定的体积。它们之间与分子力在起作用，人们称它为“范德华力”。在理想气体状态中，分子可理解为点状的，忽略本身所占有的体积，并假设它们之间没有作用力。在压力相当小，温度相当高时，可以把许许多多自然气体和工业

24、气体看作理想气体，用理想气体状态方程式进行计算。理想气体定律：理想气体定律是一个用来描述气体四个基本变量之间关系的方程式。这个定律通常以下式表示：PV=nRT式中P是压力、V是体积、n是气体摩尔数、T是以Kelvin温标表示的气体绝对温度(开氏温标绝对温度0°K=-273)。数值R称为气体常数，对理想气体而言，如果压力、温度和体积都采用SI单位，R=8.31Pa·m3/mol·KPV=nRT nR= =-(状态方程式)当T一定时,= 即温度一定时,气体的压力与体积成反比. 当P一定时,=或= ,即压力一定时,气体的体积与温度成正比.当V一定时,=或= ,即体积一定

25、时,气体的压力与温度成正比.Dalton分压定律容器内的总压力等于组成气体各分压力之和。某种气体的分压等于与混合气体相同的温度下该气体在容器中单独存在时所具有的压力。3、气体浓度表示方法按目前实际采用以下方法表示气体的浓度或含量，其表示方式及单位符号见表2-1。混合气组分的浓度：某一组分的质量与在规定的温度、压力条件下该混合气的体积之比。质量比：某组分的质量与该混合气质量之比。体积比：在规定的温度和压力条件下，某组分的体积与该混合气体积之比。摩尔比：某组分的摩尔数与该混合气摩尔数之比。压力比：某组分的压力与该混合气的压力之比。 气体浓度表示法(表2-1)浓度表示单位和符号高浓度低浓度浓 度g/

26、m3mg/m3质 量 比%(m/m)10-6(m/m)体 积 比%(V/V)10-6(V/V)摩 尔 比%(mol/mol)10-6(mol/mol)压 力 比%(P/P)10-6(P/P) 4、气体浓度或含量的不同表示法之间的换算只要了解以下关系，就不难在气体浓度或含量的不同表示法之间进行正确换算：1) 理想气体状态方程式 PV=nRT2) 物质质量g与该物质摩尔数n的关系n=，式中M为物质的克分子量。3) 在一定温度，压力某物质质量g，与该物质体系V的关系V=Vmol式中Vmol为物质在一定温度和压力条件下的摩尔体积。一些常见气体在0°C，101.3kPa下的Vmol(摩尔体积)

27、见下表(表2-2)气体名称摩尔体积(升)气体名称摩尔体积(升)空气22.40甲 烷22.36氮22.40乙 烷22.16一氧化碳22.40丙 烷22.00氧22.39正 丁 烷21.50一氧化氮22.39异 丁 烷21.78氩22.39正 戊 烷20.87氢22.43乙 烯22.24氖22.43丙 烯21.96例1: mg/m3 mol/mol 将20°C，101.3kPa下浓度为100mg/m3的 CO/N2表示为摩尔比的换算:a. 从查表三可知，N2在0°C，101.3kPa下摩尔体积为22.40升，根据理想气体方程可以计算出20°C，101.3kPa下N2的

28、摩尔体积为V20°=×22.4升=24.04升，b. 计算N2的摩尔数nN2因1 立方米等于1000升，因此，在20°C，101.3kPa下nN2=41.60 mol。c. 计算CO的摩尔数nco因CO的分子量为28，因此nco=3.57×10mol至此，可以计算出以摩尔比表示的含量为=85.8×10(mol/mol)例2：mol/mol V/V将在0°C，101.3kPa下含量为100×10-6(mol/mol)氮中异丁烷表示为体积比的换算:根据查表三知道0°C，101.3kPa下氮和异丁烷的摩尔体积分别为22.

29、40和21.78因此以体积比表示的含量为：=97.2×10 (V/V)例3：V/V mol/mol将0°C，101.3kPa下体积比含量为1.10%(V/V)空气中异丁烷表示为摩尔比的换算:1.10%(V/V)即表示在100份的此混合物中含有1.10份体积的异丁烷98.9份体积的空气，这样此混合物的摩尔比就可以用下式计算：(V/V)=1.13% (mol/mol)5、测爆仪及其指示值测爆仪是可燃气体检测报警仪的俗称,是指非矿井作业环境下空气中可燃性气体爆炸下限以内浓度的测定和警报的一种仪器.它的量程通常是:0-100%LEL,指示单位是爆炸下限的百分比(即%LEL),并不表

30、示被测气体的实际浓度.爆炸下限的百分比(%LEL)也就是可燃气环境爆炸危险度,它的计算公式为:可燃气环境爆炸危险度(%)=空气中可燃性气体浓度达到其爆炸下限时,我们称该可燃气环境爆炸危险度为100%,即100%LEL;如果可燃气含量只达到其爆炸下限的10%,我们称该可燃气环境爆炸危险度为10%,即10%LEL.如果想知道被测气体的实际浓度(体积百分比浓度),还需根据其组分进行相应的换算.爆炸极限（可燃气和氧气混合比例范围值）可燃气不足 0 LEL UEL 100%v/vLEL: Lower Explosion Limit (爆炸下限)UEL: Upper Explosion Limit (爆炸

31、上限)从LEL至UEL中间段为爆炸区间,即该浓度范围内的可燃气和氧气混合物可以发生爆炸.当可燃气体浓度低于LEL（爆炸下限）浓度值时，即可燃气体浓度不足；反之，当可燃气体浓度高于UEL（爆炸上限）浓度值时，即氧气浓度不足。这两种情况都不会发生爆炸。测爆仪读数与被测气体实际浓度(体积百分比)的换算举例如下:1. 甲烷CH4的爆炸限是: (5-15),即CH4的爆炸下限=5%vol ,爆炸上限=15%vol;50%LEL=2.5%vol100%LEL=5%vol如使用CH4定标的测爆仪测量甲烷CH4气体时读数为:50%LEL,这时, 甲烷CH4气体实际浓度(体积百分比)是: 2.5%vol(或v/

32、v).2. 异丁烷i-C4H10的爆炸限是: (1.8-8.5),即i-C4H10的爆炸下限=1.8%vol ,爆炸上限=8.5%vol;50%LEL=0.9%vol100%LEL=1.8%vol如使用i-C4H10定标的测爆仪测量异丁烷i-C4H10气体时读数为:50%LEL,这时, 异丁烷i-C4H10气体实际浓度(体积百分比)是: 0.9%vol(或v/v).测爆仪原则上应使用与被测气体相同的标准气体进行标定;当定标的气体与被测气体不相同时,则应考虑不同气体在该仪器上的响应曲线关系问题.需要明确的一点是,对环境空气中可燃气的监测,常常只直接给出可燃气环境危险度,所以,这种监测也被称为“测

33、爆”,所用的监测仪器就是上述的“测爆仪”.测爆仪是一种非选择性的气体检测报警仪器,它检测的是非矿井作业环境下(在我国,矿井专用的称为瓦斯计或甲烷测定器)空气中可燃性气体爆炸下限百分数.它检测和判定的是环境中可燃性混合气体爆炸的危险程度,并不表明混合物的组分和实际浓度.二.可燃性气体浓度的检测第一，几种可燃气传感器原理介绍在爆炸性危险环境中常用的可燃气测量仪表的工作原理有热催化、热导、气敏、光干涉和非分散红外线原理五种。这五种原理的仪器在油轮检测仪器上运用广泛。1、热催化原理热催化检测原理如（图2-1）所示，由检测元件(补偿元件C，检测元件D)与固定电阻R1、R2及调零电位器VR1构成检测桥路（

34、惠斯通电桥），桥路以铂丝（Pt）为载体催化元件，通电后Pt丝温度升至工作温度，空气以自然扩散方式(或泵吸方式)到达元件表面，当空气中无可燃性气体时，桥路输出为零；当空气中含有可燃性气体并扩散(或泵吸)到达检测元件时，由于催化作用产生无焰燃烧，使检测元件温度升高，Pt丝电阻增大，使桥路失去平衡，从而有一电压信号输出。这个电压信号的大小与可燃性气体浓度成正比。信号经放大、模数转换，通过指针或液晶显示器显示可燃气体的浓度。这种仪表的满刻度通常等于可燃气体的爆炸下限。（图2-1） 催化检测与热导检测原理图催化燃烧(热催化)型仪器主要用于测量0100%LEL(爆炸下限)浓度范围的可燃性气体。其指示值与可

35、燃气浓度具有线性关系，不受检测环境背景气(如二氧化碳和水蒸气)的干扰，能自动补偿环境温度变化的影响，测量精度较高，其缺点是催化检测元件会因催化毒害物质(如硫化氢、硅、铅、砷等)而发生中毒现象，失去检测性能，使用时应注意环境中的催化毒害物质情况。如日本理研RIKEN KEIKI的GP-226型便携式可燃气体检测仪就是热催化检测原理。热催化检测原理如果用数字公式表示，可以写为êR=a·êT=a·êH/C=a·b·m·Q/C这里 êR： Pt因气体燃烧引起的电阻变化a： Pt的电阻温度系数êT： 气体

36、燃烧引起的温度变化êH： 气体燃烧的发热量C： Pt丝的热容量m： 气体浓度Q： 气体的燃烧热b： 由Pt丝决定常数当所用的传感元件的材料、形状及结构一定之后及测量气体一定时，那么上式的a，b，Q/C为一定，如果用K代替a·b·Q/C。那么可以得出：êR=K·m。上式可见，在爆炸下限以内，催化燃烧型热丝的电阻变化正比于可燃气体的浓度变化，这是热催化检测元件用于爆炸下限可燃气体浓度范围测定的理论根据。另外,各种烃类气体存在着一定的规律:就是一般的可燃性气体爆炸下限浓度与相应的燃烧热的乘积具有大体相同的数值，这就是一种可燃性气体检测仪可以测定多种可

37、燃性气体的原因。LEL传感器剖图(图2-2):(图2-2)与LEL传感器有关的名词含义:耐压防爆结构：全密闭结构，且在容器内部发生爆炸性气体的爆炸时，容器能忍受其爆炸压力，同时不会引燃外部爆炸性气体的结构。日本理研GP-226内置LEL传感器是符合耐压防爆结构的。耐压防爆结构又称隔爆结构，检测部（催化燃烧传感器）必须符合耐压防爆结构是因为：催化燃烧型，接触可燃气时，元件呈高温，故要采用隔爆型结构。隔爆就是说，爆炸是免不了的，但必须隔离开来，以免引起周围环境的爆炸，还有就是一定要坚固，炸不开。高热高压气温缓慢释放。在材料上通常采用40-60目厚度约3mm的不锈钢微珠压接而成。2、热导原理利用被测

38、气体的导热性与纯净空气的导热性的差异，把可燃气体浓度转换成加热丝温度和电阻的变化。在电阻温度计上反应出来。其检测原理与催化原理的电路相同。热导型仪器主要用于测量0-100%VOL浓度范围的可燃性气体，没有元件中毒问题，工作温度低，仪器使用寿命长，防爆安全性好；缺点是环境中的背景气(如二氧化碳、水蒸气等)对测量会产生干扰；在环境温度急变时指示值会受影响；在低于爆炸下限浓度范围内的测量,由于有效信号弱，以上干扰更为显著，所以主要用于LEL以上浓度范围的测量。如RIKEN NP-85的传感器就是热导原理。3、气敏原理气敏半导体检测元件吸附可燃性气体后，电阻大大下降(可由50kW下降到10kW左右)。

39、与检测元件串联的微安表可给出气样浓度的指示值。检测电路见（图2-3）。图中GS气敏检测元件，由电源U1加热到200300°C。气样经扩散到达检测元件，引起检测元件电阻下降，与气样浓度对应的信号电流在微安表M上指示出来。U2是测量检测元件电阻用的电源。（图2-3）TGS-815气敏检测电路图气敏型仪器的优点是测量灵敏度高，适于微量(100ppm级)检测，没有元件中毒问题，使用寿命长。缺点是检测输出气样浓度的关系因吸附饱和效应而呈现非线性，因此用在爆炸下限数量级上进行定量测量时误差较大。此外，因元件工作时需要预热，限制了它在启动频繁的携带式测量仪表上的应用。如SALWICO KVC-41

40、3的传感器TGS-815就是气敏原理。4、光干涉原理光干涉测量法是利用光线通过可燃气体与空气时的光速差异产生的光程差，借助干涉法将这个光程差检测出来。如（图2-4）所示，光源发出的光束经光学平板P表面的反射和折射，分成、两束光线，分别进入气样室A1和参比室B，经直角反射镜T折回，通过气样室A2和参比室B，到达光学平板后，两束光再经折射、反射重新汇聚，形成相干光束。此相干光束包含着通过气样室和参比室的光程差的信息，相干光束经反射镜M折向成像观察系统形成干涉条纹，由干涉条纹偏移量，可以确定光程差，亦即测出气样浓度。光干涉原理只适用于测定成份已知的样品，例如可在煤矿中测量矿井瓦斯的浓度。尽管有人探讨

41、过用光干涉法测量多种成份混合气的可能性，但其可靠性没有得到普遍承认。如RIKEN 17型就是光干涉原理的检测仪器。（图2-4）光干涉检测原理图5、非分散红外线式原理这种分析仪的测量原理是建立在一种气体只能吸收其独特波长的红外线特性基础上的，即是基于大多数非对称分子对红外线波段中一定波长具有吸收功能，而且其吸收程度与被测气体的浓度有关。如CO能够吸收4.5-5m波长的红外光线。该分析仪是由红外线光源，测量室(测定室、比较室)，回转扇和检测器构成。从采收部分输送来的多种气体共存在尾气中通过非分散型红外线分析部分分析测定气体(CO，HC)的浓度，用电信号将其输送到浓度指示部分。工作原理如（图2-5）

42、所示，它由两个红外线光源发出两组分开的射线，这些射线被两旋转扇片同相地遮断，从而形成射线脉冲，射线脉冲经滤清室、测量室而进入检测室，测量室由两个腔室组成，一个是比较室，另一个是测定室。比较室中充有不吸收红外线的氮气，使射线能顺利通过。测定室中连续填充被测试的尾气，尾气中CO含量越高，被吸收的红外线就越多。检测室由容积相等的左右两个腔室组成，其间用一金属膜片隔开，两室中充有同摩尔数的CO。由于射到检测室左室的红外线在通过测定室时一部分射线已被排气中的CO吸收，而通过比较室到达检测室右室的红外线并未减少，这样检测室左右两室吸收的红外线能量不同，从而产生了温差，温度的差异导致了压力差的存在，使作为电

43、容器一个表面的金属膜片弯曲。弯曲振动的频率与旋转扇片的旋转频率相符。排气中的CO浓度越大，振幅就越大。膜片振动使电容改变，电容的改变引起电压的变化，从而产生交变电压。交变电压经放大，整流成直流信号，变为被测成分浓度的函数，因此可用仪表测量。而HC由于受到其他共存气体的影响，所以使用固体滤光片，巧妙地利用了正已烷红外线吸收光谱。因此，样品室内共存的CO、CO2、H2O、HC以外的气体所产生的红外线被吸收，再经检测器窗口的选择和除去，仅让具有HC(正己烷)3.5m附近的波长到达检测室内。HC(正己烷)被封入检测器，样品室中的HC(正己烷)吸收量也就能被检测器检测出来。如RIKEN RI-415的传

44、感器就是非分散红外线式原理。（图2-5） 非分散红外线式工作原理第二，可燃气体检测仪的分类和选型可燃易爆混合物的爆炸事故是在具备一定的可燃气、氧气和火源这三要素的条件下产生的。因此，可以通过对这三要素的监测，预报爆炸事故，以便采取相应的技术措施。其中，可燃气的偶然泄漏和积聚程度，是现场爆炸危险性的主要指标。相应的测爆仪和报警器便是监测现场爆炸性气体泄漏危险程度的重要工具。可燃气体检测仪的分类大致有：1按浓度区段可分为LEL级爆炸下限浓度段、ppm级低浓度污染段和VOL%级全浓度段等3段，LEL（即爆炸下限）测量段的仪器，是目前使用最广泛的可燃气体检测仪，专门用于0-100%LEL爆炸下限范围内

45、的可燃性气体测量和报警，它以爆炸下限的百分数作为显示值，评价环境中可燃易爆混合物爆炸的危险程度，并不表示可燃性气体的实际浓度。这类仪器按使用环境又分为矿井作业环境用和非矿井作业环境用。矿井作业环境用又叫瓦斯计，用甲烷标定；非矿井作业环境用，俗称测爆仪，用于测量一般可燃性气体的，如石油产品挥发出来的油气和可燃液体的蒸气。ppm测量段的可燃气体检测仪，通常称为可燃气体泄漏检测仪，用于微量可燃气浓度检测。VOL%测量段的可燃气体检测仪，通常称为烃气HC（烃气）检测仪，用于缺氧环境下高浓度可燃气的检测。2按功能可分为便携式仪表、固定式检测报警器和大规模可燃气报警监测网络三种。3按采样方式可分为扩散式和

46、泵吸式。自然扩散进样对浓度变化的响应速度较慢，但结构简单寿命长，对携带式仪器来说还有节省电池减轻重量的优点。泵吸式则正好相反，响应较快，不足之处是气泵要长期高速运动，并有橡胶易损件，往往较易出现故障。可燃气体检测仪的选型：防爆检测仪表要根据使用目的来选择，一般的使用目的可分静态鉴定和动态监视两种。对停止运转的设备可用静态鉴定法。例如管路已经切断并经清洗的空油罐，在动火前可作静态鉴定，对运转中的设备和车间宜用动态监视法，例如汽油泵和管路阀门是较易发生密封失效的设备，要采用动态监视，在不具备动态监视条件时，也可用定时重复的静态测定代替。按功能选择：（1）浓度变化缓慢场所携带式测量仪；（2）浓度变化

47、可能较大的场所或生产中的关键部位固定式报警器；（3）爆炸危险性较大，须要自动防爆保护的场所报警控制器；（4）爆炸危险性高的企业(如化学联合企业和火箭发射场) 智能监测控制系统。按探测原理选择：（1）爆炸下限浓度监控催化燃烧型、光干涉型、非分散红外线式原理；（2）微量泄漏探测气敏半导体型、定电位电解型；（3）高浓度测定热传导型、光干涉型、非分散红外线式原理。第三，可燃气体爆炸极限与燃烧热的关系爆炸极限与燃烧热的关系设爆炸下限为,则与燃烧热和活化能有如下关系:-(1)式中,为以体积分数表示的可燃气体爆炸下限.由于有机化合物具有大体相同的活化能, (1)式可写为:·=常数-(2)该常数值对

48、多数碳氢化合物为1050±100.见下表: (表2-3)气体名称（%LEL）（kcal/mol）·甲烷5191.7958乙烷3372.81118丙烷2.2488.51074异丁烷1.8633.71140乙烯3.1316.2980丙烯2.4460.41104苯1.4757.51060甲苯1.2901.51081甲醇6.2167.51039乙醇3.6309.11112丙酮2.6403.71049乙醛4.1264.01082氢4.057.8231一氧化碳12.567.6845二硫化碳1246.6246汽油1.4459643焦炉煤气62101220城市煤气5150960如果把爆炸下

49、限用mg/l的单位以表示，则在20时，两者有如下关系：=-（3）式中为可燃气体分子量。将（3）式的倒数代入（1）式,可得：2.4=/-（4）其中=表示每克可燃气体的燃烧热。由此可见，式（4）与式（1）在形式上完全相同，只是式（1）中表示燃烧热(kcal/mol)，而在式（4）中表示每克物质的热量(kcal/g)。以烃类物质为例，其值随链长度而不同，但每克物质的燃烧热是大致相同的约为1011kcal/g之间。另外，在烃类物质中，活化能也可以假定为具有相同值，则公式（4）的右项变为一定值，因此用mg/l单位表示的这些气体的爆炸下限值是相同的，这样就可以认为：·=,为常数·表示在

50、下限浓度下每立方米爆炸性混合气体的发热量。也就是说所谓爆炸下限就是单位体积的混合气体，为了达到一定极限发热量所需的可燃气体浓度。也就是说，在爆炸下限以内，热丝的电阻变化正比于可燃气体的浓度变化。以上是用于可燃气体测定的首要理论根据。另外,从上表(表2-3)可以看出,各种烃类爆炸下限浓度与相应的燃烧热的乘积具有大体相同的数值，这就是一种可燃性气体检测仪可以测定多种可燃性气体的原因。第四，不同气体之间存在的响应曲线关系从上面可知,一个可燃气体检测仪可测量多种可燃气,但只有用被测气体对仪器进行校正才能得到准确的测量结果.在日常测量时,也可使用一种气体校正,而检测另一种气体时,参考使用校正系数.下表列出一些物质相对于另一些物质的校正系数(三家国外公司提供的对应关系):(1) RAE公司提供的系数表(此表格仅适用于RAE公司的产品,仅作参考) (表2-4)易燃易爆传感器的相对响应值可燃气体或蒸气用丙烷标定时的相对响应用甲烷标定时的相对响应甲烷1.51.0氢1.71.1丁烷0.90.6丙烷1.00.65乙醇1.20.8甲苯0.50.35(2) LUMIDOR公司提供的系数表(同样,此表格仅适用于LUMIDOR公司的产品,仅作参考) (表2-5)易燃易爆传感器的相对响应值可燃气体或蒸气用甲烷标定时的相对响应甲烷1.0氢1.0