安全检测与监控技术 课件 第3章有毒有害气体检测及监控技术

安全检测与监控技术随着社会的发展与科技的进步，人类在工业生产和日常生活中都会不可避免地排放各类气体，如汽车尾气(CO、SOx等)的排放、新装修的房屋内甲醛等VOC气体的溢出、工业生产中SO2、O3等气体的排放。这些气体会引发各种问题，甚至灾害和事故。前言12从居民厨房的天然气泄漏预警、大气温室气体的监测，再到大型工厂的工业用气泄漏侦测，各种有毒有害气体的监测也显得尤为重要。因此，气体的监测可以为气体污染做出预警，避免经济损失，甚至挽救更多人的宝贵生命。开展气体检测与安全监测技术的研究和探讨，对于有毒有害气体的有效监测和防控，维护生态环境的稳定，保护人类健康安全等具有非常重要的意义。有毒有害气体监测报警系统有毒有害气体的监测技术有毒有害气体测量仪表及原理有毒有害气体的分类及特性1234第3章

有毒有害气体检测与监控有毒有害气体的分类及特性01Part有毒有害气体从基本概念上讲就是可能对生命和财产造成危害的气体。从这一定义出发，司空见惯的氧气也可以看成是引起危险的有害气体，因为氧气不足可能引起人员窒息死亡，而氧气过量可能加速或产生爆炸、燃烧。从气体可能产生的危险的角度上讲，有毒有害气体一般可划分为以下三类：1.1有毒有害气体的基本概念可能引起爆炸、燃烧的可燃性气体，如天然气、瓦斯等可能引起人员中毒的无机和有机类有毒气体，如氧化碳、苯等可能由于存在量过大而引起氧气不足，造成人员窒息的气体，如二氧化碳、氮气等可燃气体有毒气体窒息气体涉及面十分广泛，凡在空气中可以燃烧的气体都属于可燃性气体，如城市煤气、液化石油气、工业原料气（乙烯、丙烷）、煤矿中的甲烷等。可燃气体石化生产环境中有38种常见可燃气体或可燃有毒气体，这些气体中大部分具有爆炸下限和爆炸上限，且有些气体的毒性较高。可燃气体监测以爆炸极限为标准，通过测量浓度与爆炸下限（LEL）和爆炸上限（UEL）比较，确定测量与报警指标。可燃气体监测1.1有毒有害气体的种类—可燃气体有毒气体01工业生产过程中使用或产生的对人体有害，能引起慢性或急性中毒的气体或蒸汽称为有毒气体，需特别关注其监测与防护。有毒气体监测02有毒气体监测以浓度为单位，常用ppm或mg/m³表示，并分为最高允许浓度（如中国采用的TLV标准）和阈限值（如美国的TLV标准）。有毒气体特性03表3-1中列出的38种可燃性气体和19种有毒气体，其中有13种重叠，即这13种气体既是可燃性气体又是有毒气体。1.1有毒有害气体的种类—有毒气体

窒息气体吸入人体后能引起呼吸困难的气体为窒息气体，包括氯气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氰化物、硫化物等，需加强监测与防护。窒息气体分类窒息气体分单纯、化学性、刺激上呼吸道、刺激肺脏及中枢神经损伤五类，测量仪表分携带式与固定式，用于不同监测需求。一氧化碳特性一氧化碳是工业生产中分布最广的有害气体，一旦含碳物质不完全燃烧时就会产生，阻碍氧的释放，造成缺氧。1.1有毒有害气体的种类—窒息气体1.2有毒有害气体危险特性分析。。。燃烧性：毒害性：窒息性：腐蚀性：爆炸性：很多具有强氧化还原性的有毒气体都会具有腐蚀性，比如氯气就是一种具有高毒性及腐蚀性的有毒有害气体，在发生氯气泄漏的突发事件时，氯气的毒性和腐蚀性都会作为此类气体的主要危险加以防护。在实际工作中，由于不燃（惰性）气体存在而造成室息危害(缺氧)的现象经常出现。大多数惰性气体，比如二氧化碳、氮气等都无色无味，其化学性质稳定且不易分解。可燃气体的燃烧往往同时伴有发光、发热等激烈的反应，由于燃烧产物的体积急剧膨胀，从而对周围的人员和环境造成巨大的压力冲击和高温破坏。有毒气体的毒害性可以通过吸入或皮肤接触途径侵入人体，它们与人体组织发生化学或物理化学作用，从而造成对人体器官的损害。有害气体的爆炸危险特性主要指化学性爆炸，在工作中，需要特别注意那些化学性质非常活泼（主要指容易氧化、分解或聚合)的气体，比如，氯气具有很强的氧化性，它可氧化活泼金属和氢气，生成氯化物，同时发热燃烧。石油化工领域：石油化工生产特点决定了有毒有害气体检测的重要性，原料、中间产品、产品多属危险化学品，易引发事故。石化生产大型化：石化生产装置呈现大型化和单系列的趋势发展，自动化程度高；局部问题会影响全局，且事故损失巨大。煤矿安全威胁：煤矿的安全工作已经成为我国煤矿生产中最大的威胁；高瓦斯矿井众多，瓦斯事故已成为煤矿安全生产的最大危害。环境应急事故领域：环境应急事故是有毒有害气体存在的另一个比较大的领域；气体泄漏是对环境造成威胁最大的一个方面。城市基础设施安全：城市基础设施的安全问题同样不可轻视；下水道爆炸事故屡见报端，工人中毒、室息死亡的事故也时有耳闻。1.3有毒有害气体的存在领域有毒有害气体测量仪表及原理02Part2.1有毒有害气体测量仪表的分类气体检测仪表、气体报警仪表和气体检测报警仪表三种类型，分别用于检测气体浓度、报警提示以及同时具备检测与报警功能。按功能分类有可燃性气体、有毒气体和氧气检测报警仪表三类，其中可燃性气体与氧气检测报警仪表可统称为多种气体检测报警仪表。按检测对象分类气体测量仪表分携带式与固定式，固定式多用于连续监测报警，适用于特定场所的实时监测；携带式则便于携带检查泄漏和事故预测。使用方式分类在工业生产环境，尤其是石油化工场所，气体测量仪表有常规型和防爆型之分；其中，防爆型多制成固定式，用在危险场所进行连续安全监测。防爆安全要求分类可燃气体检测包括催化燃烧、半导体、热导和红外线吸收等类型；有毒气体检测则涵盖电化学和半导体等原理；氧气检测主要采用电化学方法。按检测原理分类可分为吸气式和扩散式两类，吸气式通过泵吸作用将被测气体吸入，灵敏度较高；扩散式则利用浓度差使气体自然扩散，响应速度受扩散速度制约。检测器采样方式分类接触燃烧式气体传感器定电位电解式传感器红外式吸收传感器隔膜电极式传感器半导体式气敏传感器热传导式气体传感器用于检测石油类可燃性气体的存放情况和防止危险事故发生，通过催化燃烧产生热量导致电阻变化来测量浓度，具有高灵敏度和线性响应的特性。利用被测气体与纯净空气的热传导率差异及在金属氧化物表面的燃烧特性，将气体浓度转换为热丝温度或电阻变化进行测定，适用于多种气体的分析。一种基于金属氧化物半导体材料的传感器，通过表面吸附或反应引起电导率变化来检测气体，可用于可燃性和有毒气体的检测，具有宽检测范围和灵敏度高的特点。一种电化学能式传感器，通过电解反应将化学能转换为电能来检测还原性气体，具有响应快、灵敏度高等特点，常用于库仑分析和气体检测。一种基于每种气体分子特定红外吸收波长的传感器，通过测量红外光的吸光度来确定气体浓度，具有非破坏性、高灵敏度等优点，适用于多种气体的检测。一种由离子选择性电极与疏水透气性隔膜复合而成的传感器，通过气体在电解质溶液中形成离子化的气态离子来产生电位，进而实现气体浓度的检测。2.2有毒有害传感器2.2有毒有害传感器—接触燃烧式气体传感器此类仪器利用可燃性气体在有足够氧气和一定高温条件下发生催化燃烧（无焰燃烧），放出热量，从而引起电阻变化的特性，达到对可燃性气体浓度进行测量的目的。这类可燃气体测量仪器采用有代表性的气体传感材料Pt丝+催化剂（Pd、Pt、A12O3、CuO），其具有体积小、质量轻的特点。所用检测元件有铂丝催化型和载体催化型两种。其中，铂丝催化型元件没有专门的催化外壳，是在铂丝表面完成可燃气体氧化催化功能，同时铂丝又兼作加热丝和测温元件。载体催化型元件由加热芯丝和载体催化外壳组成，催化外壳对可燃气体的氧化过程起催化作用，加热电流通过芯丝将催化外壳加热到正常工作温度，而芯丝又兼作电阻测温元件来检测催化外壳的温度变化。2.2有毒有害传感器—热传导式气体传感器热传导式气体传感器可分为气体热传导式和固体热传导式两种。气体热传导式气体传感器。它是利用被测气体的热传导率与铂丝（发热体）的热传导率之差所引起的温度变化的特性测定气体的浓度的。这类气体传感器主要用于测定氢气（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2），氮气（N2）、氧气（O2)等气体的浓度，多制成易携带仪表。固体热传导式气体传感器。它是利用被测气体的不同浓度在金属氧化物表面燃烧引起的电阻变化特性，来达到测定被测气体浓度的目的的。这类仪器多制成携带式仪器，用于测定氢气（H2）、一氧化碳（CO），氨气（NH3）等气体的浓度，也可用于测定其他可燃性气体的浓度。热传导式气体传感器的测量仪器仪表的检测电路原理与催化燃烧式气体检测电路原理相同，只是其中R1用热传导式元件。热导式气体浓度检测方法的优点是在测量范围内具有线性输出，不存在催化剂影响而使特性变坏的问题，工作温度低，使用寿命长，防爆性能好。它除用于测量可燃性气体外，也可用于无机气体及其浓度的测量。其缺点是背景气会干扰测量结果（如二氧化碳、水蒸气等），在环境温度骤变时输出也会受影响，在低浓度检测时有效信号较弱。2.2有毒有害传感器—半导体式气体传感器半导体传感器是一个宽带检测装置，对很多有毒气体和可燃性气体都会有响应，这里也包括很难用其它方法检测的卤代烃。半导体传感器对于特定气体的灵敏度是由数学方法决定的，一般的做法是将仪器用一系列的曲线编程，如果待测物质性质已知，则将检测仪器的读数调整到合适的响应上。大体上分为电阻式和非电阻式两种，电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。气敏元件有多孔制烧结体、厚膜以及目前正在研制的薄膜等几种非电阻式半导体传感器。根据气体的吸附和反应，使半导体的一些特性产生变化对气体实现直接或间接检测。目前，正在积极开发的有金属/半导体结型二极管和金属栅的MOS场效应晶体管的敏感元件，主要是利用它们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成对表面单位直接测定的传感器。2.2有毒有害传感器—定电位电解式传感器定电位电解式气体浓度传感器通过电极与被测气体发生电解反应，把化学能转换为电能，并产生电信号。定电位是指工作电极的电位可以设定，参比电极的电位在测定中恒定不变，工作电极与参比电极之间的电位差受到监控，电位差信号的波动和改变，决定施加到工作电极的电压高低，继而保持工作电极的电位也就恒定。工作电极的电位值由被测物质的电化学性质决定，使其能够被氧化或还原。参与电极反应的是工作电极和对电极，参比电极不参与反应。电极上氧化还原反应产生的电流，即电解电流反映了气体浓度的大小。电解电流经放大后输出，用于指示仪表的推动力的输入信号，或者经控制器启动报警装置。2.2有毒有害传感器—红外式吸收气体传感器红外吸收检测器分为点式和开路两种。点式即一体式，光源和检测器都设在一台仪器中；开路式检测器的红外线光源与红外线接受器分开设置，二者间距可达50m，用于广阔的开放区域或无法安装点式检测器的场所。一种典型的点式红外气体检测器气室结构如图图中LED是发光二极管，探测器采用钽酸锂(LTaO3)热释探测器，反光镜1和反光镜2分别反射LED1和LED2的部分光至探测器1和探测器2，滤光片1和滤光片2都是待测气体滤光片，其只能透过所需波长的光，气体采样泵带动气体进出气室。I1和I2分别表示LED1和LED2的发光强度，两个探测器的灵敏度（探测器响应电压V与光强度I线性关系的比例系数)分别由S1和S2表示。红外光线穿过气室和气体的透光率为τ。两个发光二极管交替发光。2.2有毒有害传感器—隔膜电极式气体传感器隔膜电极式检测器是由离子选择性电极与疏水透气性的隔膜复合而成的检测器。气体透过隔膜溶解于电解质溶液中，形成离子化的气态离子，气态离子在电极上产生电位。工作电极与参比电极的电极电位之差即为两电极组成的原电池的电动势，其随着pH玻璃电极电位的变化而变化，所以就随着与电解质溶液中NH3平衡的被测气体中氨气浓度的变化而变化。隔膜电极法比较适合于测定NH3和CO2。选择检测器的种类：为确保系统的可靠性，需明确检测气体的种类和检测目的，了解各类检测器的性能特点及其适用范围，同时考虑环境因素的影响，最终确定合适的检测器种类和厂家。检测器的性能特点：在选择检测器时，需了解其性能特点，如接触燃烧式、气敏半导体式、红外吸收式等适用于可燃气体的检测；定电位电解式和隔膜电极式对低浓度有毒气体有较高灵敏度。环境情况的影响：选择检测器需考虑环境因素的影响，如接触燃烧式检测器易受硫化物、卤化物等中毒影响；气敏半导体检测器通过掺杂或涂层可实现对特定气体的选择性检测。抗干扰性：定电位电解检测器在存在交叉响应气体的场所不适用，因其测得的气体浓度值可能不准确；选择检测器时需充分考虑环境共存气体的干扰问题。适用范围：不同检测器的适用范围不同，如催化燃烧式适用于可燃气体，气敏半导体式在特定环境下更合适；在选择时需根据具体应用场景和气体种类进行权衡。01020304052.3选用规则与注意事项有毒有害气体的监测技术03Part3.1非色散红外吸收气体浓度监测技术红外气体浓度测量方法包括色散型、傅里叶变换及非色散红外吸收法，非色散法因结构简、体积小、价格低、可靠性强，非常适合在线测量及安全监测。非色散红外优势红外吸收式气敏传感器精度高、选择性好、气敏浓度范围宽，但是价格也较高，使用和维护难度较大，通过测量红外光强度可确定气体种类和浓度。红外气敏传感器红外气体分析仪通过切光片交替接收样品气室和参比气室的红外辐射，利用两者信号差与被测气体组分浓度成正比的关系，实现气体组分浓度的测量。红外气体分析仪多组分红外气体分析仪通过切光器、样品室及红外探测器的配合，实现多种组分浓度的同时自动连续分析，关键在信号分离技术及干扰处理。多组分红外分析仪红外气体分析仪通过测量特定波段红外辐射的吸收情况，可确定混合气体中某种已知组分的百分含量，无需使用红外分光光度计确定混合气体成分。红外光谱分析单组分和多组分的红外气体分析仪以贝尔定律为原理，但实测表明需实际标定确定红外辐射吸收与组分浓度关系，仪器可分析偶极距气体，具有高精度。贝尔定律与红外分析3.1非色散红外吸收气体浓度监测技术量子型红外光敏元件气敏传感器。红外光源产生的红外光入射到测量槽，照射到某种被测气体时，根据气体种类的不同，将对不同波长的红外光具有不同的吸收特性。同时，同种气体不同浓度时，对红外光的吸收量也彼此相异。因此，通过测量值到达光敏元件的红外光强度就不同，红外光敏元件是将光信号变成电信号的器件。根据红外光源的波长和光敏元件输出电信号的不同就可以知道被测气体的种类和浓度。釆用红外滤光片可以提高量子型红外光敏元件的灵敏度，也可以通过更换红外滤光片来增加被测气体的种类和扩大被测气体的浓度范围。3.1非色散红外吸收气体浓度监测技术单一红外光源产生的红外辐射由凹面反射镜反射后会聚成平行的红外光，一束通过样品气室，另一束通过参比气室，然后再经过聚光器投射到红外探测器上。聚光器与气室之间有一块干涉滤光片，它只允许某一窄波段的红外辐射通过，该窄波段的中心波长就选取待测组分特征吸收带的中心波长。例如，待测组分是烟气中的CO含量。CO在中近红外光谱区有一个以4.65μm为中心的特征吸收带，可选择这个带中的一个窄波段进行红外辐射测量。分析仪中选用的干涉滤光片，只允许中心波长为4.65μm的一个窄波段内（例如4.5~5.0μm的红外光通过，红外探测器所接收的也仅仅是这个窄波段内的红外辐射。3.1非色散红外吸收气体浓度监测技术在红外光源与气室之间，有一只切光片。切光片是布有若干开孔的圆盘，如图所示。由同步电机带动，只要适当地安排样品室、参比室与切光片之间的相对位置，使得红外辐射穿过切光片上的开孔进入样品气室时，切光片上未开孔处恰好遮断进入参比气室的红外辐射的光路，而当切光片遮断进入样品气室的红外辐射光路时，它又恰好使红外辐射通过进入参比气室。这样，红外辐射在切光片的作用下，轮流递上样品气室和参比气室。红外探测器交替地接收通过样品气室的红外辐射和通过参比气室的红外辐射。3.1非色散红外吸收气体浓度监测技术近年来，对多种组分浓度进行同时自动连续分析的多组分红外气体分析仪的研制取得了很大进展。多组分红外气体分析仪与单组分分析仪的原理基本相同，其关键是信号的分离技术以及对信号间相关干扰的处理。计算机技术、激光技术和分光技术的应用和发展，使得这类多组分红外气体分析仪可以达到更高的技术水平。图是一种同时测定三种组分的红外气体分析仪原理示意图。红外辐射源所产生的平行红外辐射光束，通过切光器、样品室被红外探测器接收。切光器上布置有六个气室。如果被分析的混合气体是由三种待测组分A、B、C所构成，那么切光器上的三个气室Ra、Rb、Rc氏分别是组分A、B、C的参比室。参比室中分别被充以浓度为100%的待测组分，A、B、C气体的窗口相应地安装着对A、B、C组分无吸收作用的滤光片。切光器上的另外三个气室Sa、Sb、Sc分别是相应于A、B、C三种组分的分析室，Sa中充有一定浓度的B、C组分，Sb中充以一定浓度的A、C组分，Sc中则充以一定浓度的A、B组分。样品室中通入被分析的混合气体。电动机带动切光器转动，红外探测器就出现六个波峰，Ra和Sa峰是相应于A组分的参比峰和分析峰，Rb和Sb峰与组分B相对应，Rc和Sc峰则与组分C相对应。小灯泡和光敏二极管给放大器提供一个同步信号，使分离器根据程序而将三组信号分开并相减，分别在三个放大器上得到相应于待测组分A、B、C各自浓度的信号。3.2红外大面积气体泄漏监测技术红外双光束监测法红外泄漏监测原理红外监测量解析红外监测应用具有多原子结构的气体分子，都能引起强烈的红外吸收，并且各自都具有固定的特征红外吸收波长，红外大面积气体泄漏监测的原理，就是基于泄漏气体具有特征红外吸收波长。监测系统由发射器和接收器两部分组成，发射器发出的红外光束穿过被监测区域后，对应泄漏气体的特征红外吸收波长的红外光将被泄漏气体吸收，从而造成该波长到达接收器端的光强发生衰减。可广泛应用于石油化工企业管道系统、大型油库、泵房、石油液化气站、油罐群以及海上采油平台等场所气体泄漏的监测，对于防止火灾和恶性爆炸事故的发生具有积极作用。红外大面积气体泄漏监测技术，具有监测灵敏度高、响应速度快、寿命长、监测距离远（最大距离可达140m、保护面积大、抗干扰性能强和可靠性高等特点，3.3有毒有害气体比色管测量技术比色管技术通过化学显色反应弥补仪器检测的不足，实时检测有毒有害气体；商品化比色管由短玻璃管构成，内涂化学物质与气体反应变色，外部刻度直接读取浓度。比色管技术的优点在于实时检测多种污染物，通过更换新管可测新污染物，并可通过特定顺序判定未知化合物；但存在交叉干扰、测量结果误差大、非连续测量等缺点。比色管检测原理比色管技术优缺点有毒有害气体监测报警系统04PartGB/T50493-2019文件强调可燃及有毒气体检测报警系统需独立于其他系统，确保在过程控制系统停车检修时仍持续作业，保障工业生产安全。报警系统独立性报警系统通过声、光、电等感应机制及时报警，有效防止事故扩大；在工业生产中，其独立性和持续作业能力对保障安全至关重要。报警系统必要性报警系统的组成与功能煤气报警控制器当厨房由于油烟污染或液化石油气(或其他燃气)泄漏达到一定浓度时，智能语音型双气体报警器能自动开启排风扇，净化空气，防止事故的发生。瓦斯检测仪采用单波长吸收比较型和干涉型光纤技术检测瓦斯浓度；前者利用光谱吸收原理，后者通过干涉法检测折射率变化；各存在优缺点，但均用于精确测量瓦斯浓度。感烟探测器三种常见的感烟探测器包括透射式、散射式和离子式；透射式适合长距离监测；散射式通过烟雾散射光信号报警；离子式则通过烟雾影响离子电流变化来探测。4.1常用的气体监测报警器4.1常用的气体监测报警器在满足了对气体检测和监测的需求上，利用声、光、电等感应机制对可燃及有毒气体进行报警，对于保障家庭生活、工业生产的安全都具有非常重要的现实意义。常用的气体检测报警器主要分为：煤气报警控制器、瓦斯检测仪、感烟探测器等。家用煤气报警器

1.煤气报警控制器家用煤气报警器主要探测气体为天然气(CH4)或者人工煤气(CO)等易燃易爆气体，报警器内部采用高精度气敏元件，具有很好的灵敏度和出色的重复性。同时具有室内环境温度检测功能。家用煤气报警器可安装在厨房、燃气管道旁，出现燃气泄露时发出语音报警信号、光报警信号。4.1常用的气体监测报警器单波长吸收比较型瓦斯传感器2.瓦斯检测仪瓦斯检测的方法主要有两种：一是利用瓦斯气体的光谱吸收检测浓度；二是利用瓦斯浓度和折射率的关系以及干涉法测折射率。（1）单波长吸收比较型瓦斯传感器。吸收法的基本原理均是基于光谱吸收，不同的物质具有不同特征的吸收谱线。选择合适波长的光源。脉冲发生器使激光器发出脉冲光，或采用快速斩波器将连续光转变成脉冲光（斩波频率为数千赫兹），经透镜耦合进入光纤，并传输到远处放置的待测气体吸收盒，由气体吸收盒输出的光经接收光纤传回。干涉滤光片选取瓦斯吸收率最强的谱线，由检测器接收，经锁相放大器后送入计算机处理，根据强度的变化测量瓦斯浓度。(2)干涉型光纤瓦斯传感器。此类传感器采用两束光干涉的方法检测气室中折射率的变化，而折射率的变化直接与浓度有关。4.1常用的气体监测报警器散射式感烟探测器3.感烟探测器现代建筑必须有防灾报警装置。火灾出现时往往伴随着烟雾、火光、高温及有害气体。感烟探测器是很重要的一类探测器。下面分别介绍常见的3种感烟探测器：透射式感烟探测器、散射式感烟探测器和离子式感烟探测器。透射式感烟探测器是利用烟雾的颗粒性来进行探测的，这是因为烟雾由微小的颗粒组成。在发光管和光敏元件之间，如果为纯净空气，则完全透光；如果有烟雾，则接收的光强减少。这种方法适合于长距离的直线段自动监测，称为“线型探测器”。散射式感烟探测器由发光管和光敏元件构成，在两者之间有遮挡屏，其结构如图所示。图中虚线圆圈代表了金属丝网或多孔板。(3)离子式感烟探测器，在两个金属平板之间加上直流电压，并在附近放上一小块同位素镅241。当周围空气无烟雾时，镅241放射出微量的α射线，使附近的空气电离。光干涉式气体测量仪器利用被测气体与新鲜空气的光干涉形成的光谱来测定某气体的浓度的；主要用于测定甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）以及其他多种气体的浓度。红外线气体分析仪红外线气体分析仪利用选择性检测器测定气样中特定成分引起的红外线吸收量的变化，从而求出气样中特定成分的浓度；主要用于测定C