气体侦测器原理

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

2、一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。为在不

3、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10(日 9(富(500 E1rr&oi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，

4、但却能阻止任何火焰蔓延到外部 大气中。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rmSew tCTEKl IQTrn wilh inlnrvfi noiFiiaii cdMfdMTranwWpr 必句 retngi qrmSew tCTEKl IQTrn wilh inlnrvfi noiFiiaii cdMfdMTranwWpr 必句 retngi q醐

5、U诵的（31顷化顽（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 TYPES 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

6、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

7、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）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

8、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

9、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，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 码1驯驶ce gas*_Sam* 网fiefenanw el-BmenlServing 日 let时m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，

10、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

11、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

12、，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，适用于探测氢 气。开路式红外可燃气体探测器一般而言，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 （液化天然气）储存区域。早期设计采

13、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雨的干扰。在原有设计

14、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 气体的光学开路和点探测已经得到很好的确

15、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（ppm）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得到促进。事 实上，所有的

16、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SO2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）。响般为30到60应时间，表示为T90，即到达90%最终相应的时间， 般为30到60定。 Hcsj 物,Carbcfl F

17、iltefCoum ElectrodeOulpLi PlllfiPatented Sureoetl Two Reservoir Designisi sna*i eledrdytcofkingEledro-Jt! Hcsj 物,Carbcfl FiltefCoum ElectrodeOulpLi PlllfiPatented Sureoetl Two Reservoir Designisi s for坪就伊心 gm 冲心诵地咨 廿吨邮血侬 Mo iats sjmsAsQixtsactionlayrdWnWO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”

18、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）。