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常用检测气体浓度测试原理及优缺点

关键词:气体传感器,NDIR,红外传感器,传感器点击:
常用检测气体浓度测试原理及优缺点
1   NDIR 红外传感器
1.1  原理
非色散红外传感器(Non-Dispersive Infra-Red,NDIR);基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性,利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔 Lambert-Beer 定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置, 原理图如下所示。 
 
 
 
 
 
 NDIR 气体传感器原理图
NDIR 由红光源、光源调制驱动器、充气滤波气室(或者光学滤波窗)、测量气室和探测器组成。红外光 源辐射的红外线由球面反射镜准直,由光窗进入测量气室,穿过被测气体,分别经中心波长不同的测量和参 考滤光片,由热释电探测器实现温度信号到电信号的转换。一般的只能分析一种气体,采用特殊的结构可以 同时测量多种气体。如采用三对滤波室,在每对滤波室内充装一种待测组分,使之轮流地通过红外光束;将 滤波室全部安装在一个旋转台上,让每对滤波室在光束中停留一段时间(约 15 分钟),再切换到另一对滤波 室(约需要 3 分钟),可以测量CO,CO2 和 CH4,或者 C2H2,C2H4,和 C2H6。通过在检测器中充装已知气体 含量的混合气体,使其对多种气体的吸收光谱敏感。使用滤光片切换不同的光路而勿需切换气室,可以将不 同组分的测量间隔缩短到 20 秒以内。
1.2  优点:
1.2.1  非接触性检测特点;
1.2.2 在线监测不需要消耗样气和载气,也不需要分离气体;
1.2.3  使用寿命长、稳定性好、可在线分析
1.2.4  可以进行全谱扫描,分辨率高
1.3  缺点:
1.3.1 检测多组分气体时,有时难以避免气体间的交叉吸收干扰;
1.3.2 价格相对于催化燃烧传感器及半导体乙炔传感器相当昂贵;
 
2   电化学传感器
2.1  原理:
 
 
 
 
 基于电化学原理工作的传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。其工作电极和对电极由一薄层 电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。当气体扩散进入传感器后,在敏感电极表面进行氧化或 还原反应,产生电流并通过外电路流经两个电极。该电流的大小比例于气体的浓度,可通过外电路的负 荷电阻予以测量。为了让反应能够发生,敏感电极的电位必须保持在一个特定的范围内。但气体的浓度 增加时,反应电流也增加,于是导致对电极电位改变(极化)。由于两电极是通过一个简单的负荷电阻连 接起来的,虽然敏感电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。如果气体的浓度不断地升高,敏感电 极的电位最终有可能移出其允许范围。至此传感器将不成线性,因此两电极气体传感器检测的上限浓度 受到一定限制。三电极系统对电极的极化所受的限制可以用引进第三电极,参考电极,和利用一外部的

恒电位工作电路来予以避免。在这样一种装置中,敏感电极曲线相对于参考电极保持一固定值。在参考 电极中无电流流过,因此这两个电极均维持在一恒定的电位。对电极则仍然可以进行极化,但对传感器
而言已不产生任何限制作用。因此三电极传感器所能检测浓度范围要比两电极大得多。大部分有毒气体 传感器(3/4/7 系列)均属三电极系统。由于控制了敏感电极的电位,恒电位电路还能提高传感器的选择 性和改进其响应性能。这一电路同时也用来测量流过敏感电极和对电极之间的电流。电路可以作成体积
很小的低功耗装置。
2.2  优点
2.2.1  体积小,简单易用;
2.2.2  高选择性、高灵敏度,低的检测限
2.2.3  线性良好;
2.2.4  成本较低廉;
2.3  缺点
2.3.1  产品寿命短,一般使用寿命 2 年,质保 1 年;
 
 
3   催化燃烧传感器:
3.1  原理: 催化燃烧传感器由检测元件和补偿元件构成。检测元件是由铂丝绕制成线圈,在线圈外涂由氧化铝
-氧化硅组成的膏状涂覆层,一定温度下烧结成球状多孔体,将烧结后的小球浸渍贵金属铂、钯等的盐溶 液,再高温处理,使在氧化物载体上形成贵金属催化层,最后封装成元件,而补偿元件和检测元件的区 别是没有催化层。
当可燃气体(如甲烷等)在检测元件表面无焰催化燃烧,燃烧热使检测元件的铂丝温度升高,电阻 值相应增大。在低于 10%(体积分数)情况下,空气中的可燃气体可以完全燃烧,其发热量与可燃气体 的浓度成正比。空气中可燃气体的浓度越大,燃烧产生的燃烧热越多,铂丝的温度增高越大,其电阻值 增加的越多。只要测定检测元件铂丝的电阻变化值,就可检测空气中可燃气体的浓度。
现有技术的催化燃烧型气体传感器工作原理如下图所示:检测元件和补偿元件串联,和外围电路构 成惠斯通电桥。 
 
 
 
 催化燃烧气体传感器惠斯通电桥工作原理图 外围电路给电桥提供恒压,初始状态 A、B 间平衡,没有压差。当检测元件与可燃气体接触时,燃烧热使检测元件温度上升(补偿元件上无燃烧,其铂丝阻值不变),铂丝阻值增大,A 的电位增高而 B 的电 位不变,利用 A、B 间产生的电位差与可燃气体浓度成正比,测试可燃气体浓度。其中补偿元件的作用是 补偿可燃气体催化燃烧以外的,由环境温度、电源电压和气体流速等因素所引起的偏差。例如,清洁空 气的流速突然增大,元件高温小球(450℃左右)通过对流方式损失的热量会增加,小球温度会降低,但 由于补偿元件和检测元件小球相似,热量损失也接近,两者热电阻会同等幅度的降低,A 的电压不变,在 惠斯通电桥上不会有信号输出,也就避免了由于清洁空气流速加大,导致误报情况的发生。该原理由于 可燃气体在检测元件上催化燃烧热,其小球催化剂的工作温度,随可燃气体浓度的增大而升高。
3.2  优点:
3.2.1  对所有可热气体的响应有广谱性,输出与气体浓度几乎成正比,在 100%LEL 以下输出信号接近线性, 可做定量测量;
3.2.2  对非可燃气体没有反应;
3.2.3  结构简单,成本低,固定式能做成隔爆型,便携式能做出本安加隔爆型结构;
3.2.4  不受水蒸气影响,对环境的温湿度影响不敏感(容易实现温湿度补偿,进一步提高测量精度),适用 于室外等环境变化较大的场合;
3.2.5  通过催化剂改良和催化珠结构优化,能够实现抗中毒;
3.2.6  通过精确控制催化剂工作温度,选择高质量,高温度系数的贵金属丝,能够保证信号输出的长期稳定性;
3.3  缺点:
3.3.1  只能检测到可燃气体爆炸点 LEL 级别,微量泄露 ppm 级别的检测,需改进后才能实现;
3.3.2  对可燃气没有选择性,都有响应;
3.3.3 普通产品容易传感器中毒,在有毒环境长期使用,会影响气体传感器寿命;
3.3.4 普通产品零点容易出现零点不稳定,有时需要间隔性的标定;
3.3.5 普通产品长期使用中,需要定期校准或更换,增加了在线监测装置的运行成本;
 
 
4   电阻式半导体传感器
4.1  原理
 
 
 
 
 
 
 
 将金属半导体氧化物材料(MOS)做成多孔烧结体或涂层,在一定条件(温度)下,被测气体到达半 导体表面,与吸附在半导体表面的氧,发生化学反应的过程中伴随电荷转移,引起半导体电阻的变化, 通过测量半导体电阻的变化实现对气体的检测。吸附氧在气敏材料表面被氧化为 O2(ad),O-(ad),O2-(ad) 三种吸附态,如上图 所示。
常见结构是直热式(又称内热式),传感器由基体材料(敏感材料烧结体),加热丝和测量电极组成, 加热丝和测量电极都埋在基体材料内部,工作时加热丝通电加热,测量电极测量敏感元件的电阻值。但 这种结构有缺陷,测量电极和加热丝不能隔离,加热丝和敏感元件接触,两个回路之间相互影响,因此 有了旁热式结构的设计。旁热式结构以空心绝缘陶瓷圆柱为基础,圆柱内部为加热用的铂丝或 Ni-Cr 丝, 圆柱外表面是高孔隙度气敏层。气敏层的外面为透气金属膜电极,内面为另一个金属电极。乙炔穿透外 电极,进入气敏层,使内外电极之间的电阻发生变化。加热丝同时也是温度传感器,可以测量和控制气 敏层的工作温度。
一般采用掺杂催化剂来增强对待测气体的灵敏度,选择性以及稳定性。贵金属加入后主要起催化作 用,但是催化机理比较复杂,通常认为是贵金属掺杂后,由于形成一定组成的固熔体,产生空穴和自由电子, 使材料的电导率发生改变。同时由于贵金属对元件表面氧的催化热解作用,促进吸附氧流到材料表面活 性位置放出电子。
4.2  优点:
4.2.1  制作工艺简单,成本低廉,功耗小;
4.2.2 是一个广谱性传感器,对于多种有毒和可燃气体都有响应;
4.2.3  使用寿命长;
4.2.4 对乙炔有很高的灵敏度,可以检测微量的乙炔泄露;
4.2.5  良好的抗中毒性;
4.3  缺点:
4.3.1  测量线性范围窄,定量准确性较低;
4.3.2 热容量小,稳定性较差,易受温湿度干扰;
4.3.3 较高浓度下,容易出现饱和,一般在低浓度下使用;
4.3.4  气体选择性差;
4.3.5 长期不使用,易出现“休眠”情况,必须长时间通电激活;
 
5   光离子化检测器(Photo Ionization Detector 简称  PID):
 5.1      原理:
  
 
  
当电离电位(IP)小于紫外灯能量的化合物气体或蒸气通过离子化腔时,PID 的紫外光源(UV)就会将该 化合物击碎成可被检测到的正负离子(该过程即离子化)。检测器测量离子化后的气体电荷并将其转化为 电流信号,然后电流被放大并转化为浓度值。在被检测后,离子重新复合成原来的气体和蒸气。
5.2  优点:
5.2.1  可连续灵敏测量,实时检测下限可达 ppb;
5.2.2  快速,反应很快,一般小于 3 秒;
5.2.3 便于携带,体积较小,可携带至需要检测的地点;
5.2.4 安全性高,仪器本质安全,无需氢气等危险载气;
5.2.5 非破坏性测量,PID 仅仅是使有机物电离,有机组分离开检测器后会重新复合,利用 PID 采样泵进行 采样操作后,还可对被测样品做进一步的实验室分析;
5.2.6  传感器不会中毒,PID 不会被高浓度的被检测物损坏;
5.2.7 只对有机物反应,常见气体如水蒸汽,氢气,一氧化碳,二氧化碳等没有反应;
5.3  缺点:
5.3.1 价格昂贵,灯管寿命短,尤其是电离电位 11.7eV 的紫外灯,寿命最多半年,更换成本很高;
5.3.2 仪器检测气室,灯管内部气体组成,灯管表明窗口材料等易受温湿度影响;
5.3.3 对碳氢化合物的检测无选择性,无法分辨乙炔,乙烯,乙烷和甲烷;


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