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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(guān)鍵部件就是一個(gè)涂有燃燒催化劑的一個(gè)惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)（圖 3）。測(cè)量橋上涂有催化物質(zhì)用來加速和選擇性地使進(jìn)入傳感器內(nèi)部的可燃?xì)怏w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(jìn)行無焰燃燒。催化劑在整個(gè)的測(cè)量過程中是不被消耗的。這個(gè)催化反應(yīng)比較靈敏，即使在空氣中可燃?xì)怏w和蒸氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10%LEL時(shí)，它們也會(huì)在這個(gè)橋上發(fā)生催化燃燒反應(yīng)。 測(cè)量時(shí)，要在參比和測(cè)量電橋上施加電壓使之加熱從而引發(fā)催化反應(yīng)，這個(gè)溫度大約是500℃或者更高。在沒有可燃?xì)怏w存在的正常情況下，通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)使電橋達(dá)到平衡，也就是V1 = V2，此時(shí)電流輸出為零（即儀器調(diào)零的過程）。一旦有可燃?xì)怏w存在，由于加熱和催化作用，可燃?xì)獾难趸紵^程會(huì)加熱測(cè)量橋，使其溫度增加，電阻下降；由于此時(shí)參比橋溫度保持不變，電阻也不變，測(cè)量電路就會(huì)測(cè)出它們之間的電阻變化，結(jié)果是 V2 > V1 ，通過某些計(jì)算程序，我們可以設(shè)定輸出的電壓和到達(dá)測(cè)量橋上待測(cè)氣體的濃度成正比關(guān)系。 從這里可以看出，由于催化燃燒傳感器需要在測(cè)量的過程中持續(xù)加熱，因此，催化燃燒式傳感器的耗電比較大，一般可以達(dá)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(gè)儀器的供電。 使用催化燃燒式傳感器測(cè)量可燃性氣體時(shí)，必須注意到同時(shí)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(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。如果氧氣濃度過低，儀器的讀數(shù)會(huì)大大低于實(shí)際的濃度。比如在99%可燃?xì)鉂舛?，也就是在純的可燃?xì)猸h(huán)境中，因?yàn)闆]有氧氣參與燃燒，這種使用催化燃燒式傳感器的儀器讀數(shù)將是0%LEL！而如果氧氣濃度過高，則測(cè)量結(jié)果也會(huì)錯(cuò)誤。因此，在進(jìn)入密閉空間之前，如果使用催化燃燒式傳感器檢測(cè)可燃?xì)怏w，其規(guī)程要求必須同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)部環(huán)境中的氧氣濃度。 催化燃燒傳感器可以對(duì)大部分的可燃?xì)怏w產(chǎn)生響應(yīng)，也就是可以用催化燃燒式傳感器測(cè)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(cè)量橋上的行為會(huì)有很大的不同。通常，同樣體積下，較大的分子會(huì)產(chǎn)生更多的燃燒熱，但卻不容易通過燒結(jié)防火柵進(jìn)入傳感器內(nèi)部，因此測(cè)量就會(huì)不夠靈敏，相反，較小的分子更容易進(jìn)入。因此，催化燃燒式傳感器，尤其是測(cè)量%LEL的傳感器不太適合于檢測(cè)“較重的”或者長(zhǎng)鏈的烷烴，特別是高閃點(diǎn)的物質(zhì)，比如汽柴油、芳烴等等，因?yàn)樗麄兏菀自诜阑饢派稀澳Y(jié)”。 使用催化燃燒式傳感器進(jìn)行可燃?xì)鉁y(cè)量的首要問題就是確認(rèn)用那種標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定、校準(zhǔn)。這是一個(gè)非常重要的問題。所有的儀器制造商都建議用戶應(yīng)當(dāng)使用待測(cè)氣體來校正儀器。當(dāng)然，如果這種氣體的標(biāo)準(zhǔn)濃度不易得到或存儲(chǔ)，并且制造商可以提供相對(duì)某種標(biāo)準(zhǔn)氣體的校正系數(shù)，我們可以采用一種權(quán)宜的方法，也就是用參考?xì)怏w進(jìn)行校正。 校正是使用所有氣體傳感器進(jìn)行測(cè)量之前必須進(jìn)行的一項(xiàng)工作，這種校正應(yīng)當(dāng)是一種經(jīng)常性工作，也就是需要周期性對(duì)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)和校正。 所謂校正就是用一支已知標(biāo)準(zhǔn)濃度的可燃?xì)鈿馄繉?duì)檢測(cè)儀器的準(zhǔn)確度進(jìn)行修正的方法。一般可燃?xì)怏w檢測(cè)儀采用的是兩點(diǎn)校正法，即“新鮮空氣校正”和“標(biāo)準(zhǔn)氣體校正”。首先在確認(rèn)干凈的環(huán)境中，即認(rèn)定不存在任何可燃?xì)怏w的環(huán)境中，或者使用零濃度可燃?xì)怏w的壓縮空氣氣瓶，對(duì)儀器的零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定；然后向傳感器通入已知濃度的可燃?xì)怏w，將儀器的讀數(shù)調(diào)整到顯示出標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度值。 大部分的國(guó)外危險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)，比如OSHA 1910.146和 ANSI Z117.1-1995，都使用10%LEL作為危險(xiǎn)存在的閾值（值）。因而，很多儀器也采用10%作為儀器的缺省值進(jìn)行警報(bào)設(shè)置。但實(shí)際上，10%LEL設(shè)置可能高于某些規(guī)程。比如，在美國(guó)密閉空間進(jìn)入的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(OSHA 1995)中，一般要求是可燃?xì)鉂舛炔坏贸^5%LEL，如果檢測(cè)到的可燃?xì)鉂舛雀哂诖藵舛?，就必須?jīng)過通風(fēng)處理才能進(jìn)行工作。 中國(guó)的可燃?xì)怏w的一級(jí)報(bào)警高限設(shè)定值小于或等于25%LEL，二級(jí)報(bào)警高限設(shè)定值小于或等于50%LEL（引自：SH 3063-1999，石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范；SY6503-2000可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警使用規(guī)范），這是一個(gè)較高的報(bào)警濃度，此時(shí)任何泄漏引起的濃度變化很容易超過99%LEL，從而帶來不必要的危險(xiǎn)情況。 如果想直接用催化燃燒式傳感器檢測(cè)儀對(duì)一個(gè)環(huán)境中未知種類的可燃?xì)怏w進(jìn)行測(cè)量，那么一定要選擇10%LEL或更低作為警報(bào)限值，才能保證安全。 標(biāo)準(zhǔn)的催化燃燒傳感器不適合于LEL/LFL水平之上進(jìn)行測(cè)量。如果需要在烷烴類可燃?xì)怏w濃度很高，氧氣濃度又不是評(píng)價(jià)因素時(shí)，可以采用紅外式傳感器直接對(duì)烷烴類可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行測(cè)量。 催化燃燒式氣體傳感器的特點(diǎn)： ·對(duì)所有可燃?xì)怏w的響應(yīng)有廣譜性，在空氣中對(duì)可燃?xì)怏w爆炸下限濃度（%LEL）以下的含量，其輸出信號(hào)接近線性（60%LEL以下線性度更好） ·對(duì)非可燃?xì)怏w沒有反應(yīng)，只對(duì)可燃?xì)庥蟹磻?yīng) ·傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低 ·不受水蒸氣影響，對(duì)環(huán)境的溫濕度影響不敏感，適于在室外等環(huán)境變化較大的場(chǎng)所使用。 但是，它也有一些缺點(diǎn)： ·工作溫度高，一般元件表面溫度200℃～300℃ ，內(nèi)部可達(dá)700℃～800℃，傳感器不能做成本安型結(jié)構(gòu)，只能做成隔爆型； ·工作電流較大，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品100mA，國(guó)外產(chǎn)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(huán)境下檢測(cè)指示值誤差較大。 實(shí)際測(cè)量工作中，對(duì)于催化燃燒式傳感器有害的氣體是有機(jī)硅化合物，比如：硅烷，極低濃度的這類物質(zhì)就可以明顯地降低傳感器的檢測(cè)性能。有機(jī)硅在高溫的環(huán)境中會(huì)分解催化劑并在催化劑表面形成固態(tài)物質(zhì)，從而導(dǎo)致傳感器靈敏度降低，而更高濃度有機(jī)硅化合物會(huì)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(cè)可燃?xì)怏w的時(shí)候經(jīng)?？赡苡龅剑热缭O(shè)備中經(jīng)常使用的潤(rùn)滑油、清洗劑、磨光劑、粘合劑、化妝品和藥物霜?jiǎng)⒐枘z(密封條和密封劑)等等都含有大量的硅化合物。 其它會(huì)對(duì)催化燃燒式傳感器造成危害的物質(zhì)還包括含鉛化合物，比如含的汽油就會(huì)嚴(yán)重降低傳感器的靈敏度，尤其對(duì)于測(cè)量甲烷這類具有較高燃點(diǎn)的化合物的靈敏度影響更大。 高濃度的鹵代烴會(huì)在高熱情況下的催化劑上分解為HCl，從而腐蝕整個(gè)傳感器，降低測(cè)量信號(hào)。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(huì)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、三甲基，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(huì)對(duì)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(jī)氣體(比如鹽酸、硫酸蒸氣)、有機(jī)酸(比如乙酸)蒸氣之中，也可能會(huì)受到腐蝕。 當(dāng)然，還有一些化合物可能在催化測(cè)量橋上不斷增加的溫度下發(fā)生反應(yīng)，這些情況引起傳感器中毒的機(jī)理就更加復(fù)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(zhì)，即破壞催化劑。而硫化氫和鹵代烴被看成抑制物質(zhì)，即它們僅僅會(huì)降低測(cè)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(yīng)形成新的化合物從而抑制催化反應(yīng)。當(dāng)然，這種抑制或降低的影響可能是長(zhǎng)期的，不能恢復(fù)的或者暫時(shí)性、可以恢復(fù)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(shí)間就會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。而對(duì)于硫化氫，則可能會(huì)具有上述兩種影響：較低濃度則對(duì)靈敏度有輕微的影響，高濃度會(huì)使傳感器立即失效。 催化燃燒式傳感器的精確度還會(huì)受到高濃度可燃?xì)怏w混合物的影響。在可燃?xì)怏w濃度很高的情況下，高濃度的可燃?xì)怏w會(huì)對(duì)測(cè)量橋的產(chǎn)生更大的熱量，則可能會(huì)加速催化劑的蒸發(fā)，使傳感器的靈敏度部分或全部降低。過熱甚至可能會(huì)立即燒毀測(cè)量電橋。當(dāng)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(huán)境中時(shí)，可燃?xì)怏w的不燃燒會(huì)形成炭黑物質(zhì)沉積在燒結(jié)表面，大量炭黑物質(zhì)的積聚會(huì)導(dǎo)致傳感器爆裂而損壞整個(gè)測(cè)量?jī)x器。 為減少這些損壞的發(fā)生，很多便攜式儀器在測(cè)量接近99%LEL數(shù)值之前，都會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電路，并指示超標(biāo)和警報(bào)。一些固定式儀器會(huì)在發(fā)現(xiàn)測(cè)量超標(biāo)時(shí)自動(dòng)切斷電路，發(fā)出超限警報(bào)，但同時(shí)還間歇地對(duì)環(huán)境中的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行測(cè)量，一旦可燃?xì)怏w濃度低于超限濃度，則自動(dòng)恢復(fù)測(cè)量。 為了盡量延長(zhǎng)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(yán)格遵循下面注意事項(xiàng)： 在使用時(shí)，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(jù)現(xiàn)場(chǎng)污染情況，至少每周進(jìn)行一次更換；或者在暴露于毒氣之后立即更換。 在暴露于強(qiáng)毒氣體之后，清洗采樣泵，更換氣路和墊圈。 在有毒環(huán)境中減少氣體流量或者使用擴(kuò)散式儀器。 遵照上面的預(yù)防措施，催化燃燒式傳感器就會(huì)可靠地工作相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。即使如此，還是要注意一定嚴(yán)格按照說明書的指導(dǎo)使用儀器，并在每次使用前，檢測(cè)儀器的靈敏度是否有所改變。 熱導(dǎo)式傳感器 使用熱導(dǎo)式傳感器可以測(cè)量0-99%VOL的可燃性氣體濃度。由于不同濃度的可燃性氣體的熱導(dǎo)性相對(duì)于恒定標(biāo)準(zhǔn)氣體(參比)的熱導(dǎo)會(huì)有一些不同，因此通過比較這個(gè)差異就可以檢測(cè)出可燃?xì)怏w的體積濃度比(VOL%)。 金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器 另外一種可以在%LEL水平上檢測(cè)可燃?xì)怏w和蒸氣的傳感器是金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器（或稱MOS）。當(dāng)然，MOS也可以用來檢測(cè)ppm級(jí)有毒氣體的濃度。MOS是由一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體的傳感器件（比如氧化物SnO2)構(gòu)成。在新鮮空氣（或者說沒有可燃?xì)怏w存在的環(huán)境中）條件下，它的電導(dǎo)較小，而一旦接觸還原性氣體或者可燃性氣體，其電導(dǎo)會(huì)增加。通過改變傳感器的加熱溫度可以調(diào)整它對(duì)于不同物質(zhì)的靈敏度。因此，MOS傳感器可用于檢測(cè)寬范圍的有毒氣體和可燃性氣體，即是一個(gè)沒有選擇性的寬帶傳感器。它使用的領(lǐng)域是檢測(cè)ppm級(jí)的碳?xì)浠衔锖陀卸練怏w。在第三章有毒氣體檢測(cè)中還會(huì)簡(jiǎn)單介紹有關(guān)MOS傳感器特點(diǎn)。 盡管半導(dǎo)體式可以用來檢測(cè)可燃?xì)怏w，但是由于其技術(shù)本身決定了它的測(cè)量結(jié)果的多變性和不可預(yù)計(jì)性。半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是其價(jià)格相對(duì)便宜，目前它被更多地應(yīng)用于家庭、鍋爐房等等環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)合檢測(cè)可燃?xì)怏w的存在。 紅外傳感器 紅外傳感器是專門用來檢測(cè)甲烷等可燃性烷烴類化合物或者二氧化碳濃度的檢測(cè)技術(shù)。紅外傳感器通過物理光學(xué)吸收的方法來檢測(cè)0-99%LEL和0-99%VOL范圍之內(nèi)的可燃?xì)怏w如瓦斯（甲烷）以及其他碳?xì)漕愅闊N化合物或二氧化碳等等。 在測(cè)量可燃性烷烴氣體時(shí)，紅外傳感器的特點(diǎn)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(biāo)的問題，在密閉空間、潮濕、缺氧等等惡劣環(huán)境中的可燃類氣體檢測(cè)中，紅外傳感器具有著極大的優(yōu)勢(shì)。 紅外吸收光譜(Infrared absorption spectroscopy， IR)又稱為分子振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)光譜：當(dāng)某物質(zhì)受到紅外光束照射時(shí)，該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量而消耗掉。每種物質(zhì)都有特定的吸收光譜。例如： 在2到14μm范圍內(nèi)，CO2 有三個(gè)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(zhǎng)的紅外光譜用簡(jiǎn)單的窄帶濾光片分離出來，再通過待測(cè)氣體時(shí)，這些氣體分子就會(huì)對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光強(qiáng)進(jìn)行吸收，其吸收的量與氣體的分子數(shù)量，也就是其濃度存在比例關(guān)系。 用各種氣體在這些特定波長(zhǎng)處吸收峰值的強(qiáng)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(cè)的紅外吸收式檢測(cè)儀沒有采用光光光度計(jì)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(cè)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(jié)構(gòu)圖 通過檢測(cè)紅外輻射經(jīng)氣體吸收后的輻射強(qiáng)度，就可計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度。輸出信號(hào)會(huì)隨著氣體濃度增加形成類似于指數(shù)衰變的趨勢(shì)，換句話說，紅外傳感器是恒定的非線性傳感器。測(cè)量的準(zhǔn)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(zhǎng)，這就是紅外吸收可以做到選擇性吸收，或者說選擇性測(cè)量的基礎(chǔ)。 所有紅外氣體傳感器都有其基本組成部分：一個(gè)紅外光源，吸收（氣體）池，選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的方法（如窄帶通過干涉濾光片），接收元件（熱電堆等）及相關(guān)的電子電路（圖4）。 實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)的紅外檢測(cè)器都采用單光源，雙濾光片-雙檢測(cè)器的光路方式，然后通過電子線路同時(shí)測(cè)量待測(cè)氣體吸收和參比吸收的方法減少光源的波動(dòng)和干擾氣體的影響。考慮到溫度對(duì)于氣體體積濃度的影響，一般的紅外檢測(cè)器都具有溫度補(bǔ)償功能，儀器內(nèi)的溫度傳感器（通常是熱敏電阻）放在傳感器內(nèi)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(fā)射出1-20um的紅外光，通過一定長(zhǎng)度的氣室吸收池后，用3.33μm中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片分離出被甲烷氣體吸收的特征波長(zhǎng)，用4.00μm中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片分離出參比特征波長(zhǎng)。檢測(cè)透過3.33μm中心波長(zhǎng)被甲烷吸收的紅外光的強(qiáng)度（光強(qiáng)），然后進(jìn)行數(shù)學(xué)處理計(jì)算出甲烷氣體的濃度。用另一個(gè)選擇在4.00μm處，即甲烷沒有吸收的波長(zhǎng)處的參比波長(zhǎng)計(jì)算出光源的發(fā)射強(qiáng)度變化，監(jiān)測(cè)紅外光源的輻射波動(dòng)以及灰塵和雜質(zhì)氣體（水，二氧化碳等）的吸收，從而達(dá)到克服儀器光源漂移和雜質(zhì)影響的目的。 由于所有烷烴（碳?xì)浜秃衔铮┲卸即嬖谂c甲烷相同的C-H鍵紅外吸收，理論上講，檢測(cè)甲烷的紅外檢測(cè)器將可以檢測(cè)大部分的烷烴類化合物。 如果更換不同的檢測(cè)濾光片，紅外檢測(cè)器可以選擇性地檢測(cè)諸如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等等各種在紅外波段會(huì)產(chǎn)生吸收的化合物。 如果將檢測(cè)（氣體）池做成開放式的，或者說將發(fā)射光源部分和檢測(cè)部分分開一段距離放置，那么兩部分間的整個(gè)空間就構(gòu)成一個(gè)開放的檢測(cè)（氣體）池，就成為常見的開路式紅外檢測(cè)器。開路檢測(cè)儀的檢測(cè)基本原理同上面講到點(diǎn)式紅外吸收相同，但開路式紅外檢測(cè)器的特點(diǎn)在于其控制范圍更大，一般可以達(dá)到100米，特別適合于在一定范圍內(nèi)對(duì)可能的泄漏進(jìn)行監(jiān)控。
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