氣體傳感器原理及應(yīng)用概覽 傳感器技術(shù)指標(biāo)

第第頁(yè)氣體傳感器原理及應(yīng)用概覽傳感器技術(shù)指標(biāo)所謂氣體傳感器是指用于探測(cè)在一定區(qū)域范圍內(nèi)是否存在特定氣體和/或能連續(xù)測(cè)量氣體成分濃度的儀表。在煤礦、石油、化工、市政、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、家庭等安全防護(hù)方面，氣體傳感器常用于探測(cè)可燃、易燃、有毒氣體的濃度或其存在與否，或氧氣的消耗量等。在電力工業(yè)等生產(chǎn)制造領(lǐng)域，也常用氣體傳感器定量測(cè)量煙氣中各組分的濃度，以判斷燃燒情況和有害氣體的排放量等。在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，采用氣體傳感器判定環(huán)境污染狀況，更是十分普遍。氣體傳感器的分類(lèi)，從檢測(cè)氣體種類(lèi)上，常分為可燃?xì)怏w傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導(dǎo)、半導(dǎo)體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學(xué)、金屬半導(dǎo)體、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體傳感器（常采用紅外、紫外等）、氧氣（常采用順磁式、氧化鋯式）等其它類(lèi)傳感器；從儀表使用方法上，分為便攜式和固定式；從獲得氣體樣品的方式上，分為擴(kuò)散式（即傳感器直接安裝在被測(cè)對(duì)象環(huán)境中，實(shí)測(cè)氣體通過(guò)自然擴(kuò)散與傳感器檢測(cè)元件直接接觸）、吸入式（是指通過(guò)使用吸氣泵等手段，將待測(cè)氣體引入傳感器檢測(cè)元件中進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)對(duì)被測(cè)氣體是否稀釋?zhuān)挚杉?xì)分為完全吸入式和稀釋式等）；從分析氣體組分上，分為單一式（僅對(duì)特定氣體進(jìn)行檢測(cè)）和復(fù)合式（對(duì)多種氣體成分進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)）；按傳感器檢測(cè)原理，分為熱學(xué)式、電化學(xué)式、磁學(xué)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體式、氣相色譜式等。熱學(xué)式氣體傳感器熱學(xué)式氣體傳感器主要有熱導(dǎo)式和熱化學(xué)式兩大類(lèi)。熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)率，通過(guò)對(duì)其中熱敏元件電阻的變化來(lái)測(cè)量一種或幾種氣體組分濃度的，其在工業(yè)界的應(yīng)用已有幾十年的歷史，其儀表類(lèi)型較多，能分析的氣體也較廣泛（如H2、CO2、SO2、NH3、Ar等）。熱化學(xué)式是基于被分析氣體化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，其中廣泛應(yīng)用的是氣體的氧化反應(yīng)（即燃燒），其典型為催化燃燒式氣體傳感器，其關(guān)鍵部件為涂有燃燒催化劑的惠斯通電橋，主要用于檢測(cè)可燃?xì)怏w，如煤氣發(fā)生站、制氣廠用來(lái)分析空氣中的CO、H2、C2H2等可燃?xì)怏w，采煤礦井用于分析坑道中的CH4含量，石油開(kāi)采船只分析現(xiàn)場(chǎng)漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉(cāng)庫(kù)或原料車(chē)間分析空氣中的石油蒸氣、酒精乙醚蒸氣等。美國(guó)RAESystems公司生產(chǎn)的FGM-3100催化燃燒式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，其采樣方式為擴(kuò)散式，檢測(cè)精度達(dá)±2%滿量程，響應(yīng)時(shí)間＜15s。催化燃燒式氣體傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)所有可燃?xì)怏w的響應(yīng)有廣譜性，對(duì)環(huán)境溫度、濕度影響不敏感，輸出信號(hào)近線性，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但其主要不足是精度低，工作溫度高（內(nèi)部溫度可達(dá)700～800℃），電流功耗大，易受硫化物、鹵素化合物等中毒的不利影響等。電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器是利用被測(cè)氣體的電化學(xué)活性，將其電化學(xué)氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測(cè)氣體濃度的。較常見(jiàn)的電化學(xué)傳感器類(lèi)型有原電池型（其工作原理類(lèi)似于燃料電池）、恒定電位電解池型（在電流強(qiáng)制作用下工作，屬庫(kù)侖分析類(lèi)傳感器）等。目前，電化學(xué)傳感器是檢測(cè)有毒、有害氣體較為常見(jiàn)和較為成熟的傳感器。其特點(diǎn)是體積小，功耗小，線性和重復(fù)性較好，分辨率一般可以達(dá)到0.1ppm，壽命較長(zhǎng)。不足是易受干擾，靈敏度受溫度變化影響較大。霍尼韋爾旗下的英國(guó)城市技術(shù)公司所生產(chǎn)的用于檢測(cè)H2S的3HH電化學(xué)傳感器，其測(cè)量范圍0～50ppm，最大允許值500ppm，分辨率為0.1ppm，外形尺寸約為外徑42mmX高18mm，其主要交叉干擾源有CO、SO2、NO、NO2、H2等。氧化鋯氧量傳感器是電化學(xué)式成分分析傳感器中發(fā)展比較晚的一種，開(kāi)始出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，其工作基理是根據(jù)濃差電池原理，通過(guò)測(cè)量待分析氣體和參比氣體因氧氣濃度差異而導(dǎo)致的濃差電動(dòng)勢(shì)，來(lái)測(cè)量待分析氣體中的含氧量。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展較快。常應(yīng)用于硫酸、空氣分離、鍋爐燃燒等多組分氣體的氧量分析以及熔融金屬的含氧測(cè)定等。磁學(xué)式氣體分析傳感器在磁學(xué)式氣體分析傳感器中，較為常見(jiàn)的是利用氧氣的高磁化特性來(lái)測(cè)量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，其氧量的測(cè)量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測(cè)量?jī)x表。常用的有熱磁對(duì)流式氧量分析傳感器（按構(gòu)成方式不同，又可細(xì)分為測(cè)速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機(jī)械式氧量分析傳感器。其典型應(yīng)用場(chǎng)合有化肥生產(chǎn)、深冷空氣分離、火電站燃燒系統(tǒng)、天然氣制乙炔等工業(yè)生產(chǎn)中氧的控制和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環(huán)保監(jiān)測(cè)等。光學(xué)式氣體傳感器光學(xué)式氣體傳感技術(shù)是起步較晚，但發(fā)展較快的技術(shù)之一。工業(yè)中常用的類(lèi)型有紅外線氣體分析儀、紫外線分析儀、光電比色式分析儀、化學(xué)發(fā)光式分析儀、光散射式分析儀等。紅外線式的工作原理是利用被測(cè)氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量的，常用光譜范圍1～25μm，常用的類(lèi)型有DIR色散紅外線式和NDIR非色散紅外線式。日本島津所生產(chǎn)的SOA-307/307Dx二氧化硫連續(xù)分析儀，測(cè)量方法是采用單光源雙光柱非色散紅外線吸收法，即通過(guò)向被測(cè)氣體輻射寬帶紅外線并用波長(zhǎng)選擇檢測(cè)器來(lái)選擇指定頻帶，以此來(lái)測(cè)量SO2特定波長(zhǎng)紅外線輻射的吸收，其測(cè)量范圍為最小0～100ppm，最大可達(dá)0～1vol%。常用的紫外線分析儀有不分光紫外線分析儀和紫外熒光式分析儀，前者與紅外線吸收原理類(lèi)似，也是基于實(shí)測(cè)氣體對(duì)紫外線選擇性地吸收，其吸收特性也遵守比爾定律，所使用的紫外波長(zhǎng)范圍是200～400nm。后者如紫外熒光式SO2分析儀，是一種干法式分析儀，工作原理是基于SO2分子接受紫外線能量成為激發(fā)態(tài)的SO2分子，在返回穩(wěn)態(tài)時(shí)產(chǎn)生特征熒光，其發(fā)出的熒光強(qiáng)度與SO2濃度成正比。紫外熒光式可做到不破壞樣品而連續(xù)自動(dòng)測(cè)量大氣中的SO2含量。其靈敏度可達(dá)測(cè)量范圍的0～2×10-7，穩(wěn)定性可做到在24h的漂移為滿刻度的±2%，重復(fù)性達(dá)±2%滿刻度，且共存的背景氣體對(duì)測(cè)量的影響較小，具有壽命長(zhǎng)，維修工作量小的顯著優(yōu)點(diǎn)。光電比色式是基于比爾定律實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光電比色測(cè)量的，其適用的分析對(duì)象有SO2、NO、碳?xì)浠衔?、鹵素化合物等?；瘜W(xué)發(fā)光式分析儀是利用化學(xué)氧化反應(yīng)伴有的光熱生成原理而工作，常用的化學(xué)發(fā)光式分析儀有臭氧分析儀（利用O3-C2H4產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)所放出的光子來(lái)測(cè)定臭氧）和化學(xué)發(fā)光式NOX分析儀（利用O3的強(qiáng)氧化作用，使NO與O3發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量）。光散射式分析儀是利用光束與氣體中的顆粒相互作用產(chǎn)生散射（前散射、邊散射、后散射）來(lái)進(jìn)行氣體濁度或不透明度測(cè)量的，是環(huán)境排放監(jiān)測(cè)中常用的分析儀表之一。半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器是根據(jù)由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料制成的檢測(cè)元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化而進(jìn)行氣體濃度測(cè)量的。從作用機(jī)理上可分為表面控制型（采用氣體吸附于半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的敏感元件）、表面電位型（采用半導(dǎo)體吸附氣體后產(chǎn)生表面電位或界面電位變化的氣體敏感元件）、體積控制型（基于半導(dǎo)體與氣體發(fā)生反應(yīng)時(shí)體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的工作原理）等?？梢詸z測(cè)百分比濃度的可燃?xì)怏w，也可檢測(cè)ppm級(jí)的有毒有害氣體。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度高、反應(yīng)速度快等諸多實(shí)用性優(yōu)點(diǎn)，但其主要不足是測(cè)量線性范圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環(huán)境溫度影響等。氣相色譜式分析儀氣相色譜式分析儀是基于色譜分離技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，分離并測(cè)定氣樣中各組分濃度，因此是全分析儀表。在發(fā)電廠鍋爐試驗(yàn)中，已有應(yīng)用。工作時(shí)，從進(jìn)樣裝置定期采取一定容積的氣樣，在流量一定的純凈載氣(即流動(dòng)相)攜帶下，流經(jīng)色譜柱，色譜柱中裝有稱為固定相的固體或液體，利用固定相對(duì)氣樣各組分的吸收或溶解能力的不同，使各組分在兩相中反復(fù)進(jìn)行分配，從而使各組分分離，并按時(shí)間先后流出色譜柱進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行定量測(cè)定。根據(jù)檢測(cè)原理，又細(xì)分為濃度型檢測(cè)器和質(zhì)量型檢測(cè)器兩種。濃度型檢測(cè)器測(cè)量的是氣體中某組分濃度瞬間的變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比。質(zhì)量型檢測(cè)器測(cè)量的是氣體中某組分進(jìn)入檢測(cè)器的速度變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和單位時(shí)間進(jìn)入檢測(cè)器某組分的量成正比。常用的檢測(cè)器有TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器、FLD氫火焰離子化檢測(cè)器、HCD電子捕獲檢測(cè)器、FPD火焰光度檢測(cè)器等。其中TCD檢測(cè)器、HCD檢測(cè)器屬于濃度型，F(xiàn)LD檢測(cè)器、FPD檢測(cè)器屬于質(zhì)量型。TCD檢測(cè)器是應(yīng)用比較早且廣泛的通用性檢測(cè)器，具有靈敏度適宜，通用性強(qiáng)，穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。FLD檢測(cè)器對(duì)大多數(shù)有機(jī)化合物具有很高的靈敏度，一般比TCD靈敏度約高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，能檢測(cè)至ppb級(jí)的痕量物質(zhì)，且響應(yīng)速度快。HCD檢測(cè)器是一種具有選擇性的高靈敏度檢測(cè)器，對(duì)電負(fù)性物質(zhì)具有非常高的靈敏度，其靈敏度比FID還要高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。FPD廣泛用于SO2、H2S等的分析?？傊?，氣相色譜儀的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，適合于微量和痕量分析，能分析復(fù)雜的多相分氣體。缺點(diǎn)是定期取樣不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣分析，系統(tǒng)較為復(fù)雜，多用于試驗(yàn)室分析用，不太適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣體監(jiān)測(cè)。目前已有采用計(jì)算機(jī)控制儀表系統(tǒng)的操作和進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的氣相色譜儀，并可進(jìn)行組分越限報(bào)警，還具有自動(dòng)檢查儀表故障等功能。1、傳感器測(cè)量適用于多大壓力值?答:首先需要了解的是對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中所需要的最大壓力值。那么所需要選配的壓力傳感器壓力范圍最大值應(yīng)該達(dá)到系統(tǒng)所需最大壓力值的1.5倍。這些額外的壓力范圍是由于許多的系統(tǒng)，特別是水壓和過(guò)程控制，存在壓力尖峰或者連續(xù)的脈沖。這些尖峰可能會(huì)達(dá)到“最大”壓力的五至十倍，有可能造成傳感器的損壞。連續(xù)的高壓脈沖，接近或者超過(guò)傳感器的最大額定壓力，也會(huì)縮短傳感器的壽命。所以僅僅提高傳感器額定壓力并不是萬(wàn)全之策，因?yàn)檫@會(huì)犧牲傳感器的分辨率。也可以使用緩沖器來(lái)減弱尖峰,但是這也僅僅是一個(gè)折中方案，因?yàn)檫@會(huì)降低傳感器的響應(yīng)速度。2、傳感器需要達(dá)到什么樣的精度?答:精確度是行業(yè)內(nèi)通俗用來(lái)描述傳感器輸出誤差常用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。它來(lái)源于非線性，遲滯，不可重復(fù)性，溫度，零點(diǎn)平衡，校正和濕度效應(yīng)。通常下我們將精確度指定為非線性，遲滯和不可重復(fù)性的綜合影響。對(duì)許多傳感器來(lái)說(shuō)，“精確度”會(huì)由于溫度，零點(diǎn)平衡等因素而比標(biāo)稱值更低。擁有更高精確度的傳感器的成本會(huì)更高，那么所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)真是需要這么高的精確度嗎?使用高精確度傳感器和低分辨率儀器組成的系統(tǒng)其實(shí)是一種低效率的解決方案。3、傳感器的耐溫性如何?答:壓力傳感器，像所有物理設(shè)備系統(tǒng)一樣，會(huì)在極端溫度的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤甚至無(wú)法使用。一般每個(gè)傳感器將會(huì)有兩個(gè)溫度范圍，分別是工作范圍和補(bǔ)償范圍。補(bǔ)償范圍包含在工作范圍之內(nèi)。工作范圍是指在這個(gè)范圍內(nèi)，傳感器通電后可以暴露在介質(zhì)中而不會(huì)發(fā)生損壞。但是，這并不表示當(dāng)處于補(bǔ)償范圍以外的時(shí)候其性能也能達(dá)到標(biāo)稱的規(guī)格(溫度系數(shù))。補(bǔ)償范圍一般是在工作范圍之內(nèi)的一段更狹窄的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，傳感器確?？梢赃_(dá)到標(biāo)稱的規(guī)格。溫度的改變通過(guò)兩種方法影響傳感器，其一是造成零點(diǎn)漂移，其二是影響整個(gè)量程的輸出。傳感器規(guī)格說(shuō)明應(yīng)該將這些誤差以下列形式列出：±x%滿量程/°C,±x%讀數(shù)/°C,±x%整個(gè)溫度補(bǔ)償范圍內(nèi)滿量程，或者±x%整個(gè)溫度補(bǔ)償范圍內(nèi)讀數(shù)。如果沒(méi)有這些參數(shù)會(huì)給你在使用中造成不確定。那么傳感器輸出的改變是由于壓力變化還是溫度變化呢?在理解如何使用傳感器的時(shí)候，溫度效應(yīng)將是最復(fù)雜的部分。4、選擇何種輸出?答:一般的傳感器都有毫伏輸出，或者電壓放大，或者毫安，或者頻率輸出。所選擇的輸出類(lèi)型依賴于所選的傳感器與系統(tǒng)控制或者顯示部件之間的距離，噪音，以及其他電氣干擾，還有是否需要放大，較佳放置放大器的位置等。對(duì)于許多的原始設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，他們的控制元件和傳感器距離很短，所以毫伏輸出一般就足夠了而且成本較低。如果需要傳感器輸出放大，那么使用另外一個(gè)有內(nèi)置放大器的傳感器更加簡(jiǎn)單。在長(zhǎng)距離電纜，或者有大電氣噪音區(qū)域內(nèi)，就需要毫安輸出或者頻率輸出了。在有很強(qiáng)射頻干擾和電磁干擾的環(huán)境中，也就需要考慮在毫安和頻率輸出外在額外增加一些屏蔽或這過(guò)濾設(shè)備了。二氧化碳傳感器是用于檢測(cè)二氧化碳濃度的機(jī)器。二氧化碳是綠色植物進(jìn)行光合作用的原料之一，作物干重的95%來(lái)自光合作用。因此，使用二氧化碳傳感器控制濃度也二氧化碳傳感器是用于檢測(cè)二氧化碳濃度的機(jī)器。二氧化碳是綠色植物進(jìn)行光合作用的原料之一，作物干重的95%來(lái)自光合作用。因此，使用二氧化碳傳感器控制濃度也就成為影響作物產(chǎn)量的重要因素。塑料大棚栽培使作物長(zhǎng)期處于相對(duì)密閉的場(chǎng)所中，棚內(nèi)二氧化碳濃度一天內(nèi)變化很大，日出前達(dá)到值1000~1200ppm，日出后2.5~3小時(shí)降為100ppm左右，僅為大氣濃度的30%左右，而且一直維持到午后2小時(shí)才開(kāi)始回升，到下午4時(shí)左右恢復(fù)到大氣水平。分類(lèi)紅外二氧化碳傳感器:該傳感器利用非色散紅外(NDIR)原理對(duì)空氣中存在的CO2進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無(wú)氧氣依賴性，廣泛應(yīng)用于存在可燃性、爆炸性氣體的各種場(chǎng)合。催化二氧化碳傳感器:是將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的二氧化碳濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4-20mA電流信號(hào)輸出、廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、煉化、燃?xì)廨斉?、生化醫(yī)藥及水處理等行業(yè)。熱傳導(dǎo)二氧化碳傳感器:據(jù)混合氣體的總導(dǎo)熱系數(shù)隨待分析氣體含量的不同而改變的原理制成，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻變小，遇非可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻變大(空氣背景)，橋路輸出電壓變量；該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫度補(bǔ)償作用，主要應(yīng)用場(chǎng)所在民用、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的天然氣、液化氣、煤氣、烷類(lèi)等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽