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      檢測可燃氣體的儀器

      2015-11-25 14:07  點擊數: 2002

      來源: 暫無
        催化燃燒式傳感器

        圖3催化燃燒式傳感器原理

        催化式燃燒傳感器的關鍵部件就是一個涂有燃燒催化劑的一個惠斯通電橋的結構(圖 3)。測量橋上涂有催化物質用來加速和選擇性地使進入傳感器內部的可燃氣體燃燒。借助于催化劑,可燃性氣體就可以在較低的起燃溫度下進行無焰燃燒。催化劑在整個的測量過程中是不被消耗的。這個催化反應比較靈敏,即使在空氣中可燃氣體和蒸氣濃度遠遠低于10%LEL時,它們也會在這個橋上發生催化燃燒反應。

        測量時,要在參比和測量電橋上施加電壓使之加熱從而引發催化反應,這個溫度大約是500℃或者更高。在沒有可燃氣體存在的正常情況下,通過調節電路參數使電橋達到平衡,也就是V1 = V2,此時電流輸出為零(即儀器調零的過程)。一旦有可燃氣體存在,由于加熱和催化作用,可燃氣的氧化燃燒過程會加熱測量橋,使其溫度增加,電阻下降;由于此時參比橋溫度保持不變,電阻也不變,測量電路就會測出它們之間的電阻變化,結果是 V2 > V1 ,通過某些計算程序,我們可以設定輸出的電壓和到達測量橋上待測氣體的濃度成正比關系。

        從這里可以看出,由于催化燃燒傳感器需要在測量的過程中持續加熱,因此,催化燃燒式傳感器的耗電比較大,一般可以達到50mA(24V直流供電),所以在便攜式儀器中常常需要采用充電電池來提供整個儀器的供電。

        使用催化燃燒式傳感器測量可燃性氣體時,必須注意到同時存在的氧氣濃度的問題。從原理上講,催化式傳感器要求至少10%VOL以上濃度的氧氣才能進行準確測量。如果氧氣濃度過低,儀器的讀數會大大低于實際的濃度。比如在100%可燃氣濃度,也就是在純的可燃氣環境中,因為沒有氧氣參與燃燒,這種使用催化燃燒式傳感器的儀器讀數將是0%LEL!而如果氧氣濃度過高,則測量結果也會完全錯誤。因此,在進入密閉空間之前,如果使用催化燃燒式傳感器檢測可燃氣體,其規程要求必須同時測量內部環境中的氧氣濃度。

        催化燃燒傳感器可以對大部分的可燃氣體產生響應,也就是可以用催化燃燒式傳感器測量任何可燃性氣體,催化燃燒式傳感器不具有選擇性。

        不同的氣體在測量橋上的行為會有很大的不同。通常,同樣體積下,較大的分子會產生更多的燃燒熱,但卻不容易通過燒結防火柵進入傳感器內部,因此測量就會不夠靈敏,相反,較小的分子更容易進入。因此,催化燃燒式傳感器,尤其是測量%LEL的傳感器不太適合于檢測“較重的”或者長鏈的烷烴,特別是高閃點的物質,比如汽柴油、芳烴等等,因為他們更容易在防火柵上“凝結”。

        使用催化燃燒式傳感器進行可燃氣測量的首要問題就是確認用那種標準氣體進行標定、校準。這是一個非常重要的問題。所有的儀器制造商都建議用戶應當使用待測氣體來校正儀器。當然,如果這種氣體的標準濃度不易得到或存儲,并且制造商可以提供相對某種標準氣體的校正系數,我們可以采用一種權宜的方法,也就是用參考氣體進行校正。

        校正是使用所有氣體傳感器進行測量之前必須進行的一項工作,這種校正應當是一種經常性工作,也就是需要周期性對儀器進行檢驗和校正。

        所謂校正就是用一支已知標準濃度的可燃氣氣瓶對檢測儀器的準確度進行修正的方法。一般可燃氣體檢測儀采用的是兩點校正法,即“新鮮空氣校正”和“標準氣體校正”。首先在確認干凈的環境中,即認定不存在任何可燃氣體的環境中,或者使用零濃度可燃氣體的壓縮空氣氣瓶,對儀器的零點進行標定;然后向傳感器通入已知濃度的可燃氣體,將儀器的讀數調整到顯示出標準氣體的濃度值。

        大部分的國外危險控制標準,比如OSHA 1910.146和 ANSI Z117.1-1995,都使用10%LEL作為危險存在的閾值(最低值)。因而,很多儀器也采用10%作為儀器的缺省值進行警報設置。但實際上,10%LEL設置可能高于某些規程。比如,在美國密閉空間進入的檢測標準(OSHA 1995)中,一般要求是可燃氣濃度不得超過5%LEL,如果檢測到的可燃氣濃度高于此濃度,就必須經過通風處理才能進行工作。

        中國的可燃氣體的一級報警高限設定值小于或等于25%LEL,二級報警高限設定值小于或等于50%LEL(引自:SH 3063-1999,石油化工企業可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范;SY6503-2000可燃氣體檢測報警使用規范),這是一個較高的報警濃度,此時任何泄漏引起的濃度變化很容易超過100%LEL,從而帶來不必要的危險情況。

        如果想直接用催化燃燒式傳感器檢測儀對一個環境中未知種類的可燃氣體進行測量,那么一定要選擇10%LEL或更低作為警報限值,才能保證安全。

        標準的催化燃燒傳感器不適合于LEL/LFL水平之上進行測量。如果需要在烷烴類可燃氣體濃度很高,氧氣濃度又不是評價因素時,可以采用紅外式傳感器直接對烷烴類可燃氣體濃度進行測量。

        催化燃燒式氣體傳感器的特點:

        ·對所有可燃氣體的響應有廣譜性,在空氣中對可燃氣體爆炸下限濃度(%LEL)以下的含量,其輸出信號接近線性(60%LEL以下線性度更好)

        ·對非可燃氣體沒有反應,只對可燃氣有反應

        ·傳感器結構簡單、成本低

        ·不受水蒸氣影響,對環境的溫濕度影響不敏感,適于在室外等環境變化較大的場所使用。

        但是,它也有一些缺點:

        ·工作溫度高,一般元件表面溫度200℃~300℃ ,內部可達700℃~800℃,傳感器不能做成本安型結構,只能做成隔爆型;

        ·工作電流較大,國內產品100mA,國外產品200 mA ~300 mA,電流功耗大,不易做成總線連接;

        ·元件易受硫化物、鹵素化合物等中毒影響,降低使用壽命;

        ·在缺氧環境下檢測指示值誤差較大。

        實際測量工作中,對于催化燃燒式傳感器最為有害的氣體是有機硅化合物,比如:硅烷,極低濃度的這類物質就可以明顯地降低傳感器的檢測性能。有機硅在高溫的環境中會分解催化劑并在催化劑表面形成固態物質,從而導致傳感器靈敏度降低,而更高濃度有機硅化合物會使傳感器立即損壞。而含硅類化合物的使用范圍又很廣,在檢測可燃氣體的時候經??赡苡龅?,比如設備中經常使用的潤滑油、清洗劑、磨光劑、粘合劑、化妝品和藥物霜劑、硅膠(密封條和密封劑)等等都含有大量的硅化合物。

        其它會對催化燃燒式傳感器造成危害的物質還包括含鉛化合物,比如含四乙基鉛的汽油就會嚴重降低傳感器的靈敏度,尤其對于測量甲烷這類具有較高燃點的化合物的靈敏度影響更大。

        高濃度的鹵代烴會在高熱情況下的催化劑上分解為HCl,從而腐蝕整個傳感器,降低測量信號。在各類脫脂劑和清洗劑的溶劑之中都有鹵代烴的存在,在聚合物的過熱、甚至PVC焊條中都會釋放出來這類可怕的鹵代烴。

        硫化氫和其他還原性硫化合物,像二硫化碳、二甲基二硫醚、三甲基二硫醚,以及磷脂、硝基化合物(比如硝基烷烴)都可以在高溫的情況被氧化成為礦物酸,也會對傳感器造成腐蝕。

        直接將催化燃燒式傳感器暴露于酸性無機氣體(比如鹽酸、硫酸蒸氣)、有機酸(比如乙酸)蒸氣之中,也可能會受到腐蝕。

        當然,還有一些化合物可能在催化測量橋上不斷增加的溫度下發生反應,這些情況引起傳感器中毒的機理就更加復雜。

        通常情況下,硅類化合物被看成是催化燃燒式傳感器的毒化物質,即徹底破壞催化劑。而硫化氫和鹵代烴被看成抑制物質,即它們僅僅會降低測量的靈敏度。但總體上,他們都是通過被催化劑吸收或同催化劑反應形成新的化合物從而抑制催化反應。當然,這種抑制或降低的影響可能是長期的,不能恢復的或者暫時性、可以恢復的。比如鹵代烴的影響,只要將傳感器放在新鮮空氣中一段時間就會自動恢復。而對于硫化氫,則可能會具有上述兩種影響:較低濃度則對靈敏度有輕微的影響,高濃度會使傳感器立即失效。

        催化燃燒式傳感器的精確度還會受到高濃度可燃氣體混合物的影響。在可燃氣體濃度很高的情況下,高濃度的可燃氣體會對測量橋的產生更大的熱量,則可能會加速催化劑的蒸發,使傳感器的靈敏度部分或全部降低。過熱甚至可能會立即燒毀測量電橋。當催化燃燒式傳感器暴露于氧氣不足,而可燃性氣體的濃度又很高的環境中時,可燃氣體的不完全燃燒會形成炭黑物質沉積在燒結表面,大量炭黑物質的積聚會導致傳感器爆裂而損壞整個測量儀器。

        為減少這些損壞的發生,很多便攜式儀器在測量接近100%LEL數值之前,都會自動關閉電路,并指示超標和警報。一些固定式儀器會在發現測量超標時自動切斷電路,發出超限警報,但同時還間歇地對環境中的可燃氣體濃度進行測量,一旦可燃氣體濃度低于超限濃度,則自動恢復測量。

        為了盡量延長催化燃燒式傳感器的使用壽命,一定要特別注意盡量減少這類傳感器或儀器暴露于其它的有毒氣體之中,并嚴格遵循下面注意事項:

        在使用時,一定要在儀器的吸氣泵入口或傳感器窗口使用過濾器,并且根據現場污染情況,至少每周進行一次更換;或者在暴露于毒氣之后立即更換。

        在暴露于強毒氣體之后,清洗采樣泵,更換氣路和墊圈。

        在有毒環境中減少氣體流量或者使用擴散式儀器。

        遵照上面的預防措施,催化燃燒式傳感器就會可靠地工作相當長的時間。即使如此,還是要注意一定嚴格按照說明書的指導使用儀器,并在每次使用前,檢測儀器的靈敏度是否有所改變。

        熱導式傳感器

        使用熱導式傳感器可以測量0-100%VOL的可燃性氣體濃度。由于不同濃度的可燃性氣體的熱導性相對于恒定標準氣體(參比)的熱導會有一些不同,因此通過比較這個差異就可以檢測出可燃氣體的體積濃度比(VOL%)。

        金屬氧化物半導體傳感器

        另外一種可以在%LEL水平上檢測可燃氣體和蒸氣的傳感器是金屬氧化物半導體傳感器(或稱MOS)。當然,MOS也可以用來檢測ppm級有毒氣體的濃度。MOS是由一個金屬氧化物半導體的傳感器件(比如氧化物SnO2)構成。在新鮮空氣(或者說沒有可燃氣體存在的環境中)條件下,它的電導較小,而一旦接觸還原性氣體或者可燃性氣體,其電導會增加。通過改變傳感器的加熱溫度可以調整它對于不同物質的靈敏度。因此,MOS傳感器可用于檢測寬范圍的有毒氣體和可燃性氣體,即是一個沒有選擇性的寬帶傳感器。它最常使用的領域是檢測ppm級的碳氫化合物和有毒氣體。在第三章有毒氣體檢測中還會簡單介紹有關MOS傳感器特點。

        盡管半導體式可以用來檢測可燃氣體,但是由于其技術本身決定了它的測量結果的多變性和不可預計性。半導體氣體傳感器技術的優勢是其價格相對便宜,目前它被更多地應用于家庭、鍋爐房等等環境相對簡單的場合檢測可燃氣體的存在。

        紅外傳感器

        紅外傳感器是專門用來檢測甲烷等可燃性烷烴類化合物或者二氧化碳濃度的檢測技術。紅外傳感器通過物理光學吸收的方法來檢測0-100%LEL和0-100%VOL范圍之內的可燃氣體如瓦斯(甲烷)以及其他碳氫類烷烴化合物或二氧化碳等等。

        在測量可燃性烷烴氣體時,紅外傳感器最大的特點是無需氧氣參與,不存在干擾氣體、沒有催化燃燒式傳感器超標的問題,在密閉空間、潮濕、缺氧等等惡劣環境中的可燃類氣體檢測中,紅外傳感器具有著極大的優勢。

        紅外吸收光譜(Infrared absorption spectroscopy, IR)又稱為分子振動—轉動光譜:當某物質受到紅外光束照射時,該物質的分子就要吸收一部分光能量并將其轉換為分子的振動和轉動能量而消耗掉。每種物質都有特定的吸收光譜。例如: 在2到14μm范圍內,CO2 有三個吸收峰值,即2.78μm,4.28μm,14.3μm;CO 的吸收峰值在4.65μm處;CH4 吸收峰值在3.39μm附近。因此,將這一特征波長的紅外光譜用簡單的窄帶濾光片分離出來,再通過待測氣體時,這些氣體分子就會對特定波長紅外光強進行吸收,其吸收的量與氣體的分子數量,也就是其濃度存在比例關系。

        用各種氣體在這些特定波長處吸收峰值的強度變化來判斷氣體的濃度,這是基本的紅外吸收的原理。由于一般用于氣體檢測的紅外吸收式檢測儀沒有采用光光光度計形式的色散方法來取的特征光譜,而是采用了濾光片截取一段窄帶紅外光譜,因此這種紅外光譜檢測的方法被稱為非色散紅外吸收。

        圖4 紅外吸收的基本原理結構圖

        通過檢測紅外輻射經氣體吸收后的輻射強度,就可計算出被測氣體的濃度。輸出信號會隨著氣體濃度增加形成類似于指數衰變的趨勢,換句話說,紅外傳感器是恒定的非線性傳感器。測量的準確性隨著氣體濃度的增加降低。

        不同的氣體組分有著特定的吸收波長,這就是紅外吸收可以做到選擇性吸收,或者說選擇性測量的基礎。

        所有紅外氣體傳感器都有其基本組成部分:一個紅外光源,吸收(氣體)池,選擇適當波長的方法(如窄帶通過干涉濾光片),接收元件(熱電堆等)及相關的電子電路(圖4)。

        實際應用中,大多數的紅外檢測器都采用單光源,雙濾光片-雙檢測器的光路方式,然后通過電子線路同時測量待測氣體吸收和參比吸收的方法減少光源的波動和干擾氣體的影響??紤]到溫度對于氣體體積濃度的影響,一般的紅外檢測器都具有溫度補償功能,儀器內的溫度傳感器(通常是熱敏電阻)放在傳感器內或非常接近傳感器的地方。

        以甲烷分析為例(參見圖2-4),紅外光源發射出1-20um的紅外光,通過一定長度的氣室吸收池后,用3.33μm中心波長的窄帶濾光片分離出被甲烷氣體吸收的特征波長,用4.00μm中心波長的窄帶濾光片分離出參比特征波長。檢測透過3.33μm中心波長被甲烷吸收的紅外光的強度(光強),然后進行數學處理計算出甲烷氣體的濃度。用另一個選擇在4.00μm處,即甲烷沒有吸收的波長處的參比波長計算出光源的發射強度變化,監測紅外光源的輻射波動以及灰塵和雜質氣體(水,二氧化碳等)的吸收,從而達到克服儀器光源漂移和雜質影響的目的。

        由于所有烷烴(碳氫和合物)中都存在與甲烷相同的C-H鍵紅外吸收,理論上講,檢測甲烷的紅外檢測器將可以檢測大部分的烷烴類化合物。

        如果更換不同的檢測濾光片,紅外檢測器可以選擇性地檢測諸如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等等各種在紅外波段會產生吸收的化合物。

        如果將檢測(氣體)池做成開放式的,或者說將發射光源部分和檢測部分分開一段距離放置,那么兩部分間的整個中央空間就構成一個開放的檢測(氣體)池,就成為常見的開路式紅外檢測器。開路檢測儀的檢測基本原理同上面講到點式紅外吸收相同,但開路式紅外檢測器的最大特點在于其控制范圍更大,一般可以達到100米,特別適合于在一定范圍內對可能的泄漏進行監控。
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