气体检测专题知识专家讲座

第四章气体检测

一、本章教学目标掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。二、本章主要内容第一节气体检测概述第二节热导型气体检测热导型气体检测工作原理、测量热导元件、传感器结构与检测原理第三节载体热催化原理气体检测热催化元件、热催化型元件检测甲烷等可燃气体原理、载体热催化元件特征、可燃气体遥测报警断电仪第四节一氧化碳和硫化氢气体检测检知管结构和检测原理、定电位电化学一氧化碳传感器、一氧化碳和硫化氢检测报警器、红外线气体分析气体检测专题知识专家讲座第1页第五节氧气（O2）浓度检测电化学化测氧、电磁法测氧(O2)、第六节光干涉法瓦斯检测器光干涉式甲烷检定器原理与结构、光学甲烷机检定器使用第七节气相色谱仪气相色谱仪组成及检测原理、定性与定量分析重点与难点：1、各种气体检测仪表原理；2、各种气体检测传感器原理与性能气体检测专题知识专家讲座第2页第一节概述1、有害气体成份可燃爆炸性气体：——CH4、C2H4、C2H6、C3H8、H2、C2H2等中毒性气体：——CO、H2S、氰氢酸等窒息性气体：——NH3、N2、CO2等助燃气体：——O22、气体检测传感器种类热导类――各类气体热催化类――可燃性气体电化类――CO、O2磁学类――顺磁性气体O2、NO、NO2光学类――红外线CO、CH4等各种气体气相色谱类――气体分析，各类气体气体检测专题知识专家讲座第3页3、气体检测传感器要求1)可燃气体最小值在下限1/10以下；2)中毒性气体在允许浓度1/10以下；3)可燃性气体反应速度<30S；4)中毒性气体反应速度<10S；5)不论是可燃气体，还是中毒性气体报警点都任意可调；6)工作环境(1）工作温度-20～40℃；(2）工作电压或电流为工作电源电压或电流±10%波动;(3）本身要防爆、防中毒；(4）防振、防冲击、强度大。气体检测专题知识专家讲座第4页第二节热导型气体检测

一、检测原理1、热导原理利用各种气体热导率与空气热导率差异，以及热导率与气体浓度关系原理来实现对气体浓度进行检测。各个气体热导率：λ—气体热导率，cal/cm.s气体分子量，kg气体分子热运动平均速度，cm/s气体定容比热，Jmol/K单位体积内分子数自由旅程平均长度，cm气体分子有效直径，cm绝对温度，K肖节伦德常数，由试验确定由上式可知，气体热导率随温度增加而增加，当温度为定值时，热导率与气体分子直径成反比，分子直径越小，由其热导率越大，在普通情况下热导率与气压无关。气体检测专题知识专家讲座第5页

2、混合气体热导率气体热导率与温度关系复杂，惯用下式表示：式中：λt、λ0——分别为t和0℃时热导率；β——一定范围内气体热导率温度系数。对于混合气体热导率能够粗略认为是各组分热导率之平均值，即：式中：λc、λi——分别为混合气体热导率和i种气体热导率。ni——为第i种气体百分含量。气体检测专题知识专家讲座第6页设空气中有CH4为m，空气热导率为λa，甲烷热导率为λ。甲烷和空气混合气体热导率为λc。则：

由上式可看出，只要测出λc，就可测出m值。气体检测专题知识专家讲座第7页主要气体导热率单位：卡/厘米·秒·度

气体名称0℃时热导率（×10-5）100℃时热导率（×10-5）相对热导率空气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气体检测专题知识专家讲座第8页二、热导元件——热量——电阻变换元件、热变元件

1、金属丝热敏电阻因为ΔR与t成正比，普通选取用R温度系数较大材料好，铂电阻、钨丝、铼钨丝要求：丝直10～50µm

，纯度愈高愈好，特点：稳定性好，零漂小，线性好，重复性高，寿命长缺点：工艺复杂，化学稳定性差；交换性差。气体检测专题知识专家讲座第9页2、半导体热敏电阻1）金属氧化物半导体2）炭化硅半导体3）钛酸钡正特征热敏半导体

热敏电阻温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为180℃时，相当于铂丝5倍，故半导体热敏电阻灵敏度比铂丝灵敏度高约5～10倍。

特点：（1）受CO2、水蒸气影响较大；（2）零点飘移；（3）元件一致性和交换性较差――受加工工艺影响较大。甲烷热导率是空气热导率1.296倍，因而用热导方法来测量浓度很低甲烷时得到输出信号很小，气体检测专题知识专家讲座第10页三、传感器原理热导式传感器采取电阻温度系数较大金属丝（铂丝或钨丝）或半导体热敏电阻作为敏感元件。把性能相同一对热导元件分别接在电桥电路两个臂上，一支放置在与被测气体相通气室中，叫测量元件；另一支放置在充满地面标准大气密闭气室中，叫赔偿元件，如图所表示。工作时，当测量元件与赔偿元件输入一样电流后，产生热量相同，但因为散热介质不一样，使两元件存在一定温差，两元件产生一个与温差相适应热态电阻差，破坏电桥平衡，电桥输出一个与被测气体浓度改变成百分比关系电信号。气体检测专题知识专家讲座第11页四、特点因为纯被测气体或高浓度被测气体热导率与空气热导率相差较大，所以测量高浓度时，精度高。不过假如被测气体浓度较低，其热导率与空气热导率相近，输出信号较弱，其灵敏度和分辨力很小，所以，这类传感器不适合用于在低浓度下使用。五、仪器当前，热导型仪表型号繁多，有我国生产LRD—1型甲烷检定器和与煤矿安全生产监测系统相配接KG3001型甲烷传感器，波兰生产CKA型高浓度甲烷传感器和德国生产BD甲烷传感器等等。气体检测专题知识专家讲座第12页第三节载体热催化原理气体检测

一、载体热催化特点1、对可燃气体下限以下气体浓度测量，其输出呈线性；2、对于爆炸下限以下浓度测量时，能输出数十毫伏电信号，灵敏度高；3、对不可燃气体不反应；4、受硫化物、卤化物、硅氧基化合物及砷、氯、铅等化合物和空气中OH键及氮氧化物影响，元件产生中毒现象；5、元件碰到高浓度可燃气体时，易损坏；6、元件工作温度高，表面温度在300～400℃，而内部温度可达700～800℃，对氢气有爆炸性。气体检测专题知识专家讲座第13页二、热催化元件1、纯铂丝催化元件1）结构：如图所表示。2）特点(1)结构简单，制造轻易；(2)抗中毒能力强――在100ppmH2S，1％CH4可连续工作4小时，活性不下降；(3)元件工作温度高（900～1000℃），铂丝升华严重，造成零飘严重；图纯铂丝元件气体检测专题知识专家讲座第14页

2、载体催化元件1）载体催化元件组成载体催化元件组成如图4-3-2

由铂丝线圈、载体和催化剂。载体催化剂铂丝线圈气体检测专题知识专家讲座第15页2）各部分功效(1)铂丝线圈：A、对载体和催化剂进行加热，使可燃气体接触元件后达一定氧化状态；B、把可燃气体在催化剂作用下燃烧生成热量检测出来；(2)载体A、提供较大反应接触面积；B、固定铂丝几何形状；C、附载催化剂；D、传导热量给铂丝。(3)催化剂：钯Pd、铂Pt、钍Th等A、加紧反应速度；B、降低气体燃烧温度（650降到350℃）气体检测专题知识专家讲座第16页3）制作缠丝――去芯――附载体―附催化剂――老化处理黑元件――检测元件；白元件――赔偿元件（未涂催化剂，对环境（风速、温度、湿度、电流、电压）改变影响进行赔偿；

配对使用。气体检测专题知识专家讲座第17页二、催化型元件检测可燃气体原理1.载体热催化元件及检测原理

其检测原理是甲烷等可燃气体在催化剂（铂、铑、钯）作用下，在元件表面产生氧化反应，生成二氧化碳和水，同时放出热量。其氧化反应式为：

释放出热量Q使元件温度上升，造成铂丝阻值改变。铂丝电阻在0～630.74℃范围内与可燃气体浓度成正比。气体检测专题知识专家讲座第18页2.载体热催化型可燃气体传感器利用载体热催化元件制成传感器结构如图所表示，主要有黑（热催化元件）和白（赔偿元件）两种元件，其阻值分别为r1和r2，与固定电阻R1和R2组成电桥电路。为使电桥在无可燃气体状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W1。电阻r2’并联在白元件r2上，赔偿黑白元件热学性质差异元件，以改进电桥零点飘移。图载体热催化原件测量原理图R2R1电阻温度系数小调零电位器赔偿黑白元件热学性质差异气体检测专题知识专家讲座第19页3.工作过程传感器工作时，在恒流源作用下，有电流流过电桥四个臂。无可燃气体气体时，电桥输出平衡；有可燃气体时，可燃气体与氧气在黑元件表面进行无焰燃烧，放出热量被元件吸收引发元件温度升高，使铂丝电阻增大。另首先，白元件上无催化剂，可燃气体在其表面不进行氧化燃烧。但它处于与黑元件相同工作环境，起着对非可燃气体环境改变（环境温度改变、湿度改变、风速改变以及电源电流电压改变）而引发催化元件阻值改变赔偿作用。这么就破坏原来电桥平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比电信号。然后将此信号送入放大电路放大，再送至显示、报警或其它单元，实现对可燃气体浓度检测。

气体检测专题知识专家讲座第20页

三、可燃气体检测报警便携仪当前国内外利用载体热催化原理元件生产可燃气体检测报警便携仪厂家和型号较多，但它们检测原理和结构基本一样，采取载体热催化元件作为检测元件，经过电桥电路输出电信号，经放大后，分别送给报警电路和A/D转换电路。A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，由液晶显示出可燃气体浓度大小。当可燃气体浓度到达报警设定值时，经过比较器输出一高电平，驱动报警电路实现声光报警。为了确保仪器使用可靠性，多数仪器均设有欠压报警（或指示）及传感器故障等自检电路。如图4-3-4。气体检测专题知识专家讲座第21页本安型电池声报警驱动光报警驱动报警信号发生器报警信号锁存器过冲保护电路稳压电源电源变换逻辑电路电桥电路控制开关A/D转换LED数字显示转换超限比较工作选择报警点选择欠压、指示、控制数字锁存本安型电池声报警驱动光报警驱动报警信号发生器报警信号锁存器过冲保护电路稳压电源电源变换逻辑电路电桥电路控制开关A/D转换LED数字显示转换超限比较工作选择报警点选择欠压、指示、控制数字锁存图4-3-4某甲烷气体检测便携仪原理框图气体检测专题知识专家讲座第22页优点：体积小，结构简单，功耗低、性能较稳定及使用寿命长。测定低浓度可燃气体时，输出信号较大（1%CH4时，输出电压可达150mV以上），信号处理和显示较简便、直观，易于实现超限报警、遥测。缺点：是催化剂与硫、铅、磷、氯等化合物接触时，催化性能逐步降低，使仪器灵敏度降低。气体检测专题知识专家讲座第23页80%图载体热催化元件输出特征输出mV0CH4浓度

四、载体热催化元件工作特征

1、元件活性：可燃气体燃烧速率。活性高，输出信号大；

2、稳定性：在新鲜空气与一定可燃气体环境中连续工作时间；

3、工作点和工作区间：元件标准工作电压或电流（如1.2V）；元件工作电流或电压变动时，元件输出活性保持直线，电压或电流改变范围称为工作区间（±10%）；

4、输出特征：元件输出与可燃气体浓度之间关系，对于载体热催化元件，存在双值现象；5%9.5%缺氧使燃烧不充分气体检测专题知识专家讲座第24页5、静态方程――热量平衡载体热催化元件是利用甲烷与氧气在元件表面反应热效应来检测甲烷浓度。元件在工作过程中热力学关系决定了它工作特征，其中元件温度增量△T是热力学关系中中心变量。工作时元件置于检测气室中，通工作电流，对于赔偿元件(白元件)因为工作电流加热功率转换后所取得热量Q。(4-3-2)式中Q——元件取得热量，W；I——元件工作电流，A；R——元件电阻，Ω。气体检测专题知识专家讲座第25页赔偿元件损耗热量，包含周围空气带走热量Q1，元件向周围空间辐射散热Q2，元件铂丝经过引线传导散热Q3，设环境温度为T0，赔偿元件温度为Ti，热导功率与温度梯度成正比，与热导面积成反比。α1、α3——分别为空气热传导系数和铂丝热传导系数，J/m2·S·℃；S1、S3——分别为元件和铂丝截面积，m2；Ti、T0——分别为元件温度和环境温度，℃。A——辐射系数；δ——斯芯潘常数，δ=5.6686×10-12，J/m·s·K4。气体检测专题知识专家讲座第26页白元件达热平衡时，(4-3-4)对于检测元件(黑元件)，因为有甲烷产生燃烧，产生反应热△Q，电阻也有一个对应增加量△R，故对检测元件热平衡方程：(4-3-5)气体检测专题知识专家讲座第27页设铂电阻温度系数为αt，黑元件作为绝对黑体处理，A=1，而△R=R0αt△T，则(4-3-5)式可写为：式中αt——金属丝电阻温度系数；Q——元件取得热量，W；ΔQ——甲烷燃烧生成热量，W；ΔT——ΔQ引发温升，K；ΔR——ΔT引发电阻改变，Ω；I——元件经过电流，A；R——元件经过电阻，Ω。气体检测专题知识专家讲座第28页由静态方程(4-3-4)和(4-3-6)式可知，热传导和热辐射是工作元件热损耗。它们情况决定了元件工作特征。伴随加热电流增加，元件温度逐步上升，开始辐射热较小，热传导损耗是耗热主要部分。因为辐射热与温度4次方成正比，随温度升高，辐射散热所占比重逐步增大。当温度升高到400℃以后，辐射散热超出传导热而成为主要部分。温度继续升高，辐射热快速增加，当温度超出620℃时，因为辐射散热作用，元件温度深入增加就比较困难。温度620℃对应甲烷浓度是4%(工作电流0—340mA)。所以，4%以后浓度再增加，元件输出增加量将显著降低，这就引发元件对高浓度CH4进行检测时呈非线性，误差大。利用静态方程，可对元件工作特征，如检测范围、赔偿电阻作用等问题给予解释。气体检测专题知识专家讲座第29页6、元件中毒特征

催化剂与S、P、Pb、Cl、Si作用，使其催化活性降低，其实质是发生物理化学作用。暂时中毒――能恢复，如S、Cl化物；永久中毒――不能恢复；如Si、Pb。中毒程度与中毒物浓度和接触时间长短相关；用相对灵敏度表示：相对灵敏度＝某一时间元件灵敏度/元件初始灵敏度＊100％

办法－－了解毒物，用抗中毒元件，加过滤器等气体检测专题知识专家讲座第30页

7、载体催化元件激活特征――经过一段工作元件碰到高浓度可燃气体数分钟后，元件活性升高，高浓度可燃气体消失后，几十小时元件活性又下降到原来值。

8、载体催化元件仪器反应速度――指仪器从接触可燃气体到传感器元件能正确地指示数据为止，所经历时间。与传感器元件本身时间常数和气体进入仪器气室结构相关。(1)元件本身时间常数E、T、I(2)气室结构――扩散型和对流型扩散型与对流型气室反应速度对比表气体检测专题知识专家讲座第31页9、高浓度可燃气体影响(1)可燃气体浓度在爆炸范围内――燃烧充分，元件烧结，烧裂，催化剂挥发；(2)可燃气体浓度在爆炸范围以上――燃烧不充分，碳粒集结，元件烧崩裂，催化剂挥发；10、元件使用寿命――灵敏度下降50％时间。50%气体检测专题知识专家讲座第32页五、可燃气体遥测报警断电仪可燃气体遥测报警断电仪除含有连续监测可燃气体浓度功效外，还含有报警、断电功效、输出标准信号和探头断线自检功效。实现了由“间断”到“连续”，由“就地”到“远距离”检测飞跃，为矿山安全监测系统发展奠定了基础。1.可燃气体遥测断电仪可燃气体遥测报警断电仪种类较多。不过它们功效、基本原理和线路基本相同。仪器主要由就地和远地两部分组成，就地部分由传感器、主机、和声光箱组成；远地部分主要是由接收机和统计仪组成。就地和远地均是由电缆连接。如图4-3-5某可燃气体遥测仪原理框图。气体检测专题知识专家讲座第33页图4-3-6可燃气体遥测仪原理框图气体检测专题知识专家讲座第34页探头是采取黑白元件组成电桥电路，将可燃气体浓度变成电信号送给放大器进行放大，放大信号分为四路：第一路送给本身电表就地显示可燃气体浓度；第二路送给报警电子开关，当可燃气体浓度到达报警点时，报警电子开关动作，发出声光报警；第三路送给断电电子开关，当可燃气体浓度到达断电点时，即信号到达断电开关触发电压时，则电路翻转，继电器吸合，使外控磁力起动器控制绕组断电，从而到达切断就地电气设备电源之目标；第四路送给V/f转换电路，将直流电压信号转换成频率信号，去调制载波信号向地面发送。气体检测专题知识专家讲座第35页接收机接收到远处发送被调制信号，经过接收、放大和检波后，转变成与就地主机内电压频率转换输出方波个数相同脉冲信号，再进行频率/电压转换，又将频率信号转换成电压信号。一路送给远处主机电表显示就地被测地点可燃气体浓度；另一路送报警电路，在地面发出声光报警；第三路送给统计仪，实现远处对就地可燃气体浓度连续检测。

气体检测专题知识专家讲座第36页2.可燃气体断电仪可燃气体断电仪有固定型（用于控制固定型电气设备）、车载型（用于控制电机车）和机载型。它主要是由主机、探头和声光箱三部分组成固定式监测仪器。实现对可燃气体连续检测。同时在可燃气体超限时，能发出声光报警及自动切断被控设备电源，它与可燃气体遥测仪区分就是不能远距离发送。比如AWD-3型可燃气体断电仪原理框图如图4-3-6所表示。气体检测专题知识专家讲座第37页图4-3-7可燃气体断电仪工作原理框图气体检测专题知识专家讲座第38页第四节一氧化碳和硫化氢气体检测

检测一氧化碳和硫化氢浓度仪器按其工作原理有：检知管、电化学、气敏半导体、红外线、气相色谱分析等。按其结构形式分为便携式和固定式两类。一、检定管1、结构图4-4-1比长式CO判定管1－外壳，2－堵塞物，3－保护胶，4－隔离层，5－指标胶；6－刻度

气体检测专题知识专家讲座第39页2、检测原理检知管是一支φ4～6mm×150mm(长)玻璃管，内装活性载体，载体吸附化学试剂，管口溶封。使用时先打开管口，待测气体以一定速度经过检知管，与管内化学试剂进行化学反应，产生变色圈，依据变色圈长度来测定待测气体浓度。一氧化碳检知管是活性硅胶吸附了发烟硫酸和五氧化二碘（I2O5），当含有CO气体经过时，发生以下反应：（综色）形成棕色变色圈，变色圈长度与经过CO浓度成正比，由检知管上刻度可直接读出CO浓度。这种检知管，称为比长式检知管。我国用于煤矿检知管还有CO2、H2S、NO2等。气体检测专题知识专家讲座第40页它们性能如表4-4-1(几个检知管性能表)检知管类型载体吸附化学试剂变色CO活性硅胶发烟H2SO4和I2O5

由白色变成综色CO2

活性氧化铝NaOH蓝色变为白色H2S活性硅胶Pb(COO)2

由白色变成褐色3、测定方法1）选取适当量程检知管（预先预计）；2）采样时注意安全（毒性气体）；3）唧筒使用；4）使用：一定量，匀速，200ml,100S；5）超量程时近似测量：高浓度用降低进样量或稀释方法；低浓度采取屡次进样方法。气体检测专题知识专家讲座第41页二、定电位电化学一氧化碳传感器1、原理――各种物质在电解池中氧化还原反应均在一定电位下进行，某物质标准电极电位是在要求浓度温度下物质电极电位，当高于该标准电极电位时，产生氧化反应，低于该电位时产生还原反应。在工作极上：在对极上：在工作极W与对极C之间产生电流I与CO浓度C、扩散层面积A、薄膜扩散系数D成正比，与扩散层厚度δ成反比，

F――法拉第常数，n—1克当量气体所产生电子数

气体检测专题知识专家讲座第42页2、传感器结构如图4-4-2是CO传感器电化学池结构及工作原理示意图。其内是一个装有三个电极电池，W为工作极，C为对极，R为提供恒定电位。该电池在恒定电位器产生0.9～1.1V恒定电位作用下，在恒电位电池场中，通入CO气体并扩散至工作极时，CO气体发生氧化反应生成CO2；同时，气体中氧扩散到对极C处，发生还原反应。在反应中，工作极W放出电子，对极C上取得电子，从而在工作极W与对极C之间形成电解电流。其电流大小与CO浓度成正比。输出电流信号经放大、A/D转换，以数字形式显示出CO浓度。

气体检测专题知识专家讲座第43页图4-4-2CO传感器电化学池结构及工作原理示意图电解槽对极C电解液工作极W薄膜参比极R气体检测专题知识专家讲座第44页

3、特点.优点：灵敏度高，在一定范围内线性好，响应快，体积小，价格低；

缺点：稳定性、抗干扰性差，元件使用寿命短，保留困难。国产KG3013、KG3013A、KG3002一氧化碳传感器，日本生产EC-109型、CM-550型，德国生产Comgtron2030i型，美国能源科学企业生产Ecolyzer型等等都是电化学原理。利用该原理制成各种便携仪也较多，比如国产JB-3型和MINIPAC190型一氧化碳检测报警仪。这类仪器或传感器抗干扰性差，除CH4和CO2基本不参加反应，而NO2、H2、SO2、C2H4、H2S均参加反应，所以，使用时应在其前端加过滤剂，方便对干扰气体加以吸收，提升检测精度。气体检测专题知识专家讲座第45页三、一氧化碳和硫化氢检测报警器1、MSA－570系列一氧化碳检测报警器一氧化碳隔爆传感器，由探头和前置放大器组成，探头是电化学极普电池。前置放大器电路上基准电压发生器经过缓冲放大器，给工作电极（测量电极）提供基准电势。基准电势使探头工作电极相对于参比电极有一个适当电势，一氧化碳气体经过隔爆片及探头表面塑料薄膜，以扩散方式进入探头发生氧化反应时，工作电极释放电子，参比电极取得电子，形成了与一氧化碳浓度成正比电流（微安级）信号，该信号经过放大后经过屏蔽电缆传送到控制单元输入放大器。其工作原理如图4-4-3所表示。气体检测专题知识专家讲座第46页MSA－570系列一氧化碳检测报警器，可连续检测空气中CO在0～600mg/m3范围内浓度。当一氧化碳浓度到达设定预报值和报警值时，可分别发出报警信号，同时开启联锁触点信号带动蜂呜器发出报警。其控制系统安装在控制室，传感器安装在测定现场，可远距离连续检测1～5点存在一氧化碳气体场所浓度信号，传输距离可达1.5km。测量精度为5％FS，响应时间小于60S，传感器寿命为12个月。喇叭220V电流表指示指示灯对探头前置放大板放大电路稳压源延时电路整流滤波报警设定电路预报警电路报警电路故障报警电路继电器继电器继电器声报警电路量程细调调整气体检测专题知识专家讲座第47页2、MSA－580系列硫化氢检测报警器MSA－580系列硫化氢气体连续检测系统可连续检测工作场所空气中硫化氢气体在0～150mg/m3范围内浓度，并将信号远传输到控制室或值班室。当空气中硫化氢浓度到达15mg/m3时发出预报警，到达20mg/m3时发出报警信号（设定点用户可自行调整）。信号传输距离可达1.5km。每台仪表可容纳1～5个单元，可同时监测5个点空气中硫化氢气体浓度，其精度为±5％FS，响应时间小于60S，传感寿命12个月。580系列硫化氢气体检测系统工作原理与570系列一氧化碳气体检测系统相同，只是传感器有区分，580系列传感器是由电化学极普电池及相关电路组成，被测气体经过隔爆片以及探头表面塑料薄膜以扩散方式进入极普电池采样区，极普电池使硫化氢氧化为硫酸，这种氧化过程与采样区内硫化氢分压成正比，经过采样电路、放大电路及接口电路输出与环境气体中硫化氢浓度成百分比电信号。传感器为隔爆结构，防爆标志为dⅡCT6。气体检测专题知识专家讲座第48页四、红外线气体分析1、红外线吸收法测试原理除惰性气体及O2、N2、H2双原子气体外，大多数气体和蒸气都含有吸收一定波长范围红外光性质。当红外光透过气体试样时，某一波长范围内光强度因气体吸收而降低，光强度降低许与气体浓度成正比，浓度大，光强度降低许大，测经过气体光强度改变即可取得气体浓度。依据朗伯――比尔幅射衰减定律，各种气体吸收强度与气体浓度关系：

I0、I――被气体吸收前后光强度；C――介质浓度；L――幅射穿透气体厚度（气室长度）K――气体介质对入射光吸收系数。

气体检测专题知识专家讲座第49页吸收波长µmCH4

COCO2

NO2H2SH2O次波长2.32.322.696.27.42.66主波长2.394.664.257.68.72.8表4-4-2各种气体吸收红外线波长气体检测专题知识专家讲座第50页

2、结构与原理

由两组相同光学系统组成，一组为比较部分（也称基准部分）另一组测定部分。红外光同时经过两室，检测室不含有待测气体，光强度相同；假如检测室含有待测气体，因气体吸收，光强度降低，最终抵达检测器红外光强度减小，两束光出现强度差，强度差大小由检测器转变为电量。检测器内封装高浓度待测气体，中间安装一可动金属薄膜将检测器分隔成两个小气室，当两束不一样光强度进入检测器时，小气室气体吸收红外光发生热体积膨胀，一侧进入光强度大，体积膨胀大，另一侧小，体积膨胀小，存在压力差，薄膜产生位移，测量位移量大小，即可测量膨胀压力差。利用电容量改变就可测量待测气体浓度。气体检测专题知识专家讲座第51页光源―镍铬丝，经过电流1A，加热800度，发红外光，两个特征相同热丝串联；干扰气室―吸收掉对检测有影响干扰气体（如H2S）吸收段幅射能；切光片――把红外光源变成断续脉冲光，使光源按一定频率射入检测器，检测器电容也按此频率改变，在电容上进行重复充电和放电，充电和放电电流大小取决于电容量改变幅度。

3、特点与型号特点：含有选择性强，灵敏度高，不受背景气体影响，稳定性好，但体积大，成本高，适合用于试验室。这类气体检测有CO、CH4、CO2等，精度最高仪器之一

气体检测专题知识专家讲座第52页第五节氧气（O2）检测

一、伽伐尼电化学法1、原理及传感器结构电化学燃料电池也称伽伐尼电池，电池内有两个电极和电解液，阴极为铂或金，阳极用铅或锌作成，电解液为KOH，被测O2透过聚乙烯薄膜渗透阴极与薄膜层时，在阴极上产生化学反应：电解液中OH-在阳极上产生化学反应：总反应式：假如在两极间加上负载就会有电流输出，电流大小取决于透过薄膜氧气量多少，从而到达测O2目标。气体检测专题知识专家讲座第53页2、特点优点：准确、快速，在一定范围内线性好，对除腐蚀性以外气体干扰小，缺点：受氧气分压影响较大，高山和井下测量应注意。温度改变影响；以消耗阳极为代价。寿命短。阳极：Pb,Zn阴极：Rt,AuKOH聚乙烯薄膜气体检测专题知识专家讲座第54页二、电磁法测O21、磁风原理――氧气与其它气体不一样物理特征，氧气含有顺磁性，指气体能被磁场吸引或排斥性质。当待气体进入含有磁场和加热线圈气室时，因为磁场和加热线圈作用，使气流不停地流动形成所谓磁风，使气室中热敏元件阻值发生改变破坏电桥平衡，不平衡电流大小与气样中氧气量相关。气体检测专题知识专家讲座第55页

当混合气体中不含氧气时，连通管两端压力相同，气流不流经横向测量管，R1=R2，电桥平衡。当待测气体中含有氧气时，因为氧顺磁性，气体在磁场作用下吸入连通管，并被加热。因为热磁效应，氧受热后顺磁性减弱，被加热气体受到推斥，在连通管内形成被称为“磁风”连续气流，气流速度取决于氧浓度。受气流影响，电阻丝温度发生改变，造成电桥失去平衡，用输出电压信号可度量氧气浓度。

上图为热磁效应氧气传感器工作原理图。传感器制成环型室，环型室中有玻璃制成连通管。在连通管上绕有两组加热电阻丝R1和R2，接于直流电桥中，其中一个R1接在永久磁铁两极之间。气体检测专题知识专家讲座第56页二、电磁法测O21、磁风原理

氧气与其它气体不一样物理特征，氧气含有顺磁性，指气体能被磁场吸引或排斥性质。当待气体进入含有磁场和加热线圈气室时，因为磁场和加热线圈作用，使气流不停地流动形成所谓磁风，使气室中热敏元件阻值发生改变破坏电桥平衡，不平衡电流大小与气样中氧气量相关。因为氧磁性最强，所以含氧混合气磁化率主要由氧浓度决定。顺磁性气体能被磁场吸引，氧气是含有顺磁性气体。伴随温度升高，氧磁性减弱，含有热磁效应。基于这一物理现象，能够测定氧气浓度。图4-5-3为热磁效应氧气传感器工作原理图。传感器制成环型室，环型室中有玻璃制成连通管。在连通管上绕有两组加热电阻丝R1和R2，接于直流电桥中，其中一个R1接在永久磁铁两极之间。

气体检测专题知识专家讲座第57页

图4-5-3热磁效应氧气传感器工作原理图气体检测专题知识专家讲座第58页当混合气体中不含氧气时，连通管两端压力相同，气流不流经横向测量管，R1=R2，电桥平衡。当待测气体中含有氧气时，因为氧顺磁性，气体在磁场作用下吸入连通管，并被加热。因为热磁效应，氧受热后顺磁性减弱，被加热气体受到推斥，在连通管内形成被称为“磁风”连续气流，气流速度取决于氧浓度。受气流影响，电阻丝温度发生改变，造成电桥失去平衡，用输出电压信号可度量氧气浓度。气体检测专题知识专家讲座第59页

2、顺磁测O2两楔形永久磁铁组成不均匀磁场，在不均匀磁场中悬吊一个水平杆，水平杆两端各有一个石英小球，球内充有氮气，呈“哑铃状”。当氧等顺磁性气体经过时，因为在不均匀磁场中，气体被吸引，磁力线密集地方气体密度大，磁力线较疏地方气体密度小，出现密度差，光源发出光照射到硅光电池上。

图4-5-4顺磁测氧原理图气体检测专题知识专家讲座第60页这类仪器都有稳流、稳压装置吸气泵。美国生产632－Ⅱ型，英国生产570A和580A型。3、特点含有性能稳定，可连续测定，但体积大，重量重。适应于固定场所。气体检测专题知识专家讲座第61页一．光干涉式甲烷检定器原理与结构

两束光满足振动方向相同、频率相同和相位差一定三个条件而产生光干涉。光程是指已折算到真空中旅程，Xn。假如以气室5各小室均充入一样新鲜空气时干涉条纹为基准，当在一支气路中改变气体成份、温度或压力等，那么因为折射率改变，光程和光程差也就会伴随改变，这时干涉条纹位置也会移动一个距离。依据条纹移动距离可测算出折射率改变程度。假如使两束光通路温度、压力相同，而被测气体化学成份为已知，则可作为定量分析。这就是光干涉瓦斯检定器原理。第六节光干涉法瓦斯检测器光程差=Kλ光程差=(K+1/2)λ气体检测专题知识专家讲座第62页二．光学甲烷机检定器使用光学甲烷机检定器使用步骤以下：1）对吸收管内干燥剂等药品进行检验。水—变色硅胶，兰-粉红；CO2，粉红-淡黄2）对仪器进行气密性检验，吸气球和仪器3）检验干涉条纹是否清楚4）调零5）测定

气体检测专题知识专家讲座第63页第七节气相色谱仪

一、特点高效能——一次全分析测量；高选择——一个气体在一定条件下对应于一个仪器；高灵敏度——CO在1ppm以下，CH4在10-7，O2达10-10；分析速度快——一个样，各种气体在几分钟内全部完成；样品数量少——0.5ml,1ml；应用范围广——煤炭、石油、化工、农业等。气体检测专题知识专家讲座第64页二、组成及原理

1、组成

即使色谱仪型号繁多，功效技术指标相差很大，但组成仪器基本部分是相同，如图4-6-1气相色谱仪基本流程示意图。主要由主机、电器部分和数据处理三大部分组成，如储气瓶、压力指示和流量控制、色谱柱、检测器、电器设备(电信号放大器、恒温控制器)、数据处理与统计等组成。稳压稳流色谱柱检测器数据处理载气气体检测专题知识专家讲座第65页1）储气瓶――储存载气，对载气要求：惰性，无腐蚀性，在200～400℃内不分解，气体扩散性小，易得到并易纯化，纯度99.999%，价格廉价，能满足检测器要求。惯用载气：N2、H2、He、Ar，惯用辅助气体：空气和氧气；选择载气标准：首先满足分析对柱效率和分析周期要求，从柱效率，扩散系数小，为得到好峰，用氮气作载气；要减小分析周期，用氦气作载气好；其次，依据样品性质，分析氢同位素不能用氢作载气；再次，依据检测器要求，热导型检测器，为了提升分析灵敏度，用热导系数大氦气和氢气好；电子捕捉检测器用氮气很好。载气作用：推进试样在色谱柱中运动；为试样在色谱柱提供分配相；

气路系统要保持气密性，载气流速压力稳定，用稳压阀和稳流阀控制压力和流量稳定。气体检测专题知识专家讲座第66页2）色谱柱(1)作用――完成试样分离，依据不一样物质在由两相――固定相和流动相组成体系中，含有不一样分配系数，当两相作相对运动时，在两相之间进行重复屡次分配（吸附－脱吸，溶解－解溶），这么就使那些分配系数含有微小差异性质，在移动速度上产生很大差异，从而使组分到达完全分离。(2)分类――填充柱和毛细管柱，材质有不锈钢、玻璃、铜、铝、聚四氟乙烯图5-7-2色谱柱分离示意图气体检测专题知识专家讲座第67页(3)柱形状与尺寸――U、螺旋形、柱长取决于柱箱和样品分离，(4)老化――注意老化条件(5)选取――色谱柱和检测器是色谱仪关键部件。依据分析不一样混合气体，选取不一样色谱柱。分析CO、CO2、CH4--Φ=3～5mm,L=0.5～0.7m螺旋不锈钢管柱，柱内装TDX-01或TDX-02（60～80目）吸附剂。转化炉360～380℃，氢火焰检测器，CO+3H2→CH4+H2O分析O2、N2、CH4—5A分子筛（60～80目）,5m，Φ=3～5mm；热导分析CxHy(C1～C3)—GDX试剂（60～80目）,5m，Φ=3～5mm；氢焰分析CxHy(C1～C4)—毛细管,20m；氢火焰检测器分析SF6、CF2ClBr(1211)、氟里昂—5A分子筛（60～80目）,5m，Φ=3～5mm，电子捕捉检测器气体检测专题知识专家讲座第68页3)检测器(1)作用：完成物理量转变电量装置(2)种类：当前应用较多检测器主要有：一是热导检测器TCD，用于常量分析，如分析大气中O2和N2等；二是氢火焰检测器FID，主要用于对可燃气体进行微量分析，如分析井下CO气体、CxHy气体等等。而CO和CO2气体必须经过镍触媒作催化剂，在350～380℃温度条件下转化为可燃气体，才能用氢火焰检测器检测；三是电子捕捉检测器ECD，它主要是用于分析电负性物质，如氧气和含卤族元素化合物如SF6。四是火焰光度检测器FPD，它主要是用于分析硫、磷等物质，如H2S和P2O5化合物。五是氮磷检测器NPD

，它主要是用于分析农药氮磷含量，(3)选取：依据检测不一样物质和精度要求，选取不一样检测器气体检测专题知识专家讲座第69页热导检测器――当有样品进入时，纯载气变成了混合气体，其热导系数发生了改变，经过池室时，破坏了原有电桥平衡，使热丝温度发生改变，其