氣體感測器介紹

1、氣體感測器介紹,主講人：王湘甫 美國Quest公司中國市場部經(jīng)理,氣體感測器介紹,應(yīng)用領(lǐng)域 周界氣體監(jiān)測(環(huán)境危害) 煙道氣體監(jiān)測(環(huán)境危害) 車輛尾氣監(jiān)測(環(huán)境危害) 工業(yè)安全氣體監(jiān)測(人身危害) 制程(工藝流程)氣體監(jiān)測 (生產(chǎn)品管研究),氣體監(jiān)測分類,可燃性氣體(爆炸偵測) 氧氣 毒性氣體,主要目地在人身安全及環(huán)境的保護(hù),爆炸三要素,氧氣空氣中已存在 燃料可燃性氣體,但濃度須在燃燒下限、 LFT與燃燒上限、UFL之間 熱源點火源,三因素需同時存在,爆炸三要素,例：空氣中的氧氣被高濃度甲烷氣取代，造成氧氣不足，無法進(jìn)行燃燒、爆炸！,故當(dāng)在偵測可燃性氣體的LEL時， 需同時偵測氧氣量,氧氣不

2、足的環(huán)境,氧氣濃度低于19.5%體積比，窒息氣體及蒸氣可能取代或消耗氧氣導(dǎo)致氧氣不足的環(huán)境！,氧氣豐富的環(huán)境,氧氣濃度超過23.5%體積比，代表非常容易導(dǎo)致火災(zāi)危害！,缺氧危害,定義：氧氣濃度低于18%,氧氣濃度與缺氧癥狀對照表,資料來源：NIOSH,不同氧氣濃度的影響,可燃性氣體定義,定義：氣體的爆炸下限在10%以下, 爆炸上限與下限之差在于20%以上! 如:丙烯晴、丙烯醛、乙炔、乙醛、氨、 一氧化碳、乙烷、乙胺、乙苯、氯乙烷、 氯甲烷、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、氰化氫、 環(huán)丙烷、二甲胺、氫、三甲胺、二硫化碳、丁二烯、丁烷、 丁烯、 丙烷、丙烯、溴甲烷、苯、甲烷、甲胺、二甲醚、硫化氫,在正常溫度、

3、壓力及含氧量,毒性氣體定義,勞工作業(yè)環(huán)境空氣中有害物質(zhì)容許濃度在0.2%以下之氣體 分類： 無機毒性氣體 如：氧、一氧化碳、二氧化硫、氨、氰化氫、硫化氫 有機毒性氣體 如：丙烯腈、丙烯醛、氯甲烷、氯丁二烯、環(huán)氧乙烷、三甲胺、二硫化碳、氟、溴甲烷、苯、光氣、甲胺,有毒氣體危害,各種不同CO濃度影響,資料來源:AIHA,有毒氣體危害,各種不同CO濃度影響,資料來源:AIHA,有毒氣體危害,各種不同H2S濃度影響,資料來源:ANSI,有毒氣體危害,各種不同H2S濃度影響,資料來源:ANSI,常見氣體監(jiān)測儀器種類,紅外線IR 氣相色譜GC 光游離檢測儀PID/火焰游離檢測儀FID 比色法(比色管) 電

4、化學(xué)及其他,紅外線氣體監(jiān)測器,原理：利用氣體可吸收特定波長之紅外線的特性(O2、N2 、H2不吸收),紅外線氣體監(jiān)測儀器,優(yōu)點 可快速測出多種化合物 單一氣體定性定量佳 可檢測低濃度ppm,缺點 濕氣干擾大 混合復(fù)雜氣體適用性依應(yīng)用 需專業(yè)且有經(jīng)驗的人來研判結(jié)果 價格高,氣相色譜儀GC,原理 系統(tǒng)包括: 檢測器-FID、TCD、PID、MAID、ECD等 載送氣體 分離柱(填充柱、毛細(xì)管柱) 可溫控柱箱 訊號處理與記錄,樣品經(jīng)由注射或自動導(dǎo)入,由載送氣體載送 樣品通過分離柱,到達(dá)檢測器感測,因不同成 份化合物通過分離柱的時間不同,且濃度與 檢測訊號成比例,故可定性及定量,氣相色譜儀GC,優(yōu)點

5、可同時監(jiān)測數(shù)種揮發(fā)性有機化合物 可定性及定量(需有標(biāo)樣) 可檢測低濃度ppb或ppt,缺點 操作復(fù)雜 需專業(yè)有經(jīng)驗 分析時間最快,約20-30分鐘 (從暖機到結(jié)果) 價格高,光游離檢測儀PID,原理:使用能量10.2-10.6eV的UV光,作從游離樣品分子之能源,樣品游離后,以正電荷極收集游離電子,產(chǎn)生電流,濃度與電流成正比,光游離檢監(jiān)測儀PID,優(yōu)點 使用方便, 可快速量測 操作不需專業(yè)人員的經(jīng)驗判斷 適用土壤氣量測 適合芳香族有機物的綜合濃度指標(biāo)! 價位適中 檢測濃度ppm-ppb,缺點 濕氣干擾大 無法定性定量 極限于芳香族有機物,帶氯化合物無法偵測! 客戶易誤認(rèn)它的功效!(宣傳誤導(dǎo))

6、無法測O2、N2、CO及CO2,火焰游離檢測儀FID,原理:利用火焰燃燒裂解有機物,產(chǎn)生導(dǎo)電之離子中間物,由于該導(dǎo)電之離子中間物可降低火焰之電阻,因此,當(dāng)物質(zhì)進(jìn)入火焰且被燃燒游離時,會使電流增加,此電流訊號與化合物之碳數(shù)(CH基)濃度成正比,火焰游離檢測儀FID,優(yōu)點 非常靈敏及應(yīng)用廣泛,技術(shù)成熟 GC+FID實驗室最佳的定性定量分析工具 濕氣不影響 檢測濃度ppm-ppb,缺點 需使用H2從載送氣體,不易成從便攜式 若無分離柱,則無法定性定量 CO2、CS2、SO2、NH3、NO、NO2、N2O、SiF4、SiC14無法檢測 價格高于PID,比色法(比色管),原理:利用化學(xué)試劑與特定氣體化合

7、物反應(yīng)后呈色,所呈現(xiàn)顏色與濃度具有關(guān)系,電化學(xué)及其他氣體檢測器,觸煤燃燒法 (Catalytic Combustion Method) 電化學(xué)法(Electrochemical Sensor) 定電位電解法- Potentiostatic Electrolysis Method 隔膜離子選擇電極法 Membrance Type Ion-Selective Electrode 隔膜卡而巴尼電池法 Membrance Type Galvanic Cell 半導(dǎo)體感測器 (Semiconductive Detector),觸煤燃燒法,主要用于量測可燃性氣體 基本原理:,觸煤燃燒法,惠斯登電橋電路,D

8、感測元件（樣品通過） 內(nèi)部從白金絲，周圍包覆耐高溫氧化物 （如氧化鋁），其外表再涂上一層觸煤 C補償（參考）元件（樣品不通過） 其結(jié)構(gòu)與感測元件相同，用以溫度變化 補償,原理:當(dāng)待測氣體通過已預(yù)熱且外表涂有觸煤的感測元件時,因燃燒造成升溫而感測端電阻升高,電流下降.如此使在電橋之輸出電壓上升,電壓改變的大小與濃度成正比,經(jīng)計算成LEL,觸煤燃燒法,應(yīng)用:檢測可燃性氣體的爆炸下限LEL,優(yōu)點 使用簡單,成熟技術(shù) 輸出值與氣體濃度之線性良好 適用高濃度 價格便宜,缺點 混合氣體無法定性及定量 觸煤表面容易被H2S、SO2、鉛、SO2、鹵化物、硅化物汙染而中毒,定電位電解法Potentiostati

9、c Electrolysis Method,結(jié)構(gòu)：三極式 感測電極 參考電極 計數(shù)電極 電解液,原理:在感測電極與參考電極之間保持一定電位差,感測而電極表面涂有觸煤(白金或黃金),當(dāng)分析氣體經(jīng)薄膜滲入電解液內(nèi),在觸煤表面則產(chǎn)生氧化或還原反應(yīng)而釋放出電子,其在感測電極與計數(shù)電極之間所產(chǎn)生的電流比例于濃度,定電位電解法,氣體選擇性 決定于以下的組合 電解液 電極材質(zhì) 供應(yīng)電壓 所供應(yīng)電壓,對檢測靈敏度影響很大 此電壓供應(yīng)在感測電極與參考電極之間 此電壓須保持固定,即使當(dāng)氧化反應(yīng)產(chǎn) 生時!(電流造成電壓下降) 溫度影響:電化學(xué)反應(yīng)受溫度變化影響,需內(nèi)有感溫元件來補償溫度變化的影響!,電位電解法感測器

10、,例子:一氧化碳感測器 CO經(jīng)薄膜滲入電解液在感測電極被氧化 反應(yīng)方程式如下:,經(jīng)由氧化CO及原還O2,則2個電子被釋放出而產(chǎn)生電流 上述反應(yīng)約每ppm CO產(chǎn)生0.1mA電流 在感測電極與計數(shù)電極間產(chǎn)生的電流與CO濃度成正比,感測器所產(chǎn)生的電流經(jīng)放大器及轉(zhuǎn)換顯示CO濃度,電化學(xué)感測器氧氣,常見的兩種基本的量測型式 量測氣體的分壓 量測氣體的濃度（Quest）,電化學(xué)感測器氧氣,量測氧氣分壓 由氣體經(jīng)由薄膜擴散到內(nèi)部電解液來控制 傳統(tǒng)方法（與水中溶氧相似） 溫度影響量測較大 海拔影響量測較大,量測氧氣濃度（Quest） 由氣相擴散barrier來控制 使用City Technology的感測器 溫度系數(shù)相對小 海拔改變對訊號改變很小,電化學(xué)感測器氧氣,測量濃度(Quest)VS量測分壓 優(yōu)點 穩(wěn)定性非常好 反應(yīng)快速 環(huán)境氣壓及海拔不影響量測 非常低的溫度系數(shù),半導(dǎo)體型感測器,半導(dǎo)體型感測器 emiconductive Detector 原理:當(dāng)待測氣體通過已加熱感測器時,可吸附在金屬氧化物(如SnO2)表面,造成感測材料之電導(dǎo)度(電阻)變化,而電導(dǎo)度(電阻)變化比例于濃度.,半導(dǎo)體型感測器,優(yōu)點: 低濃度氣體檢測訊號輸出變化大,感度高 壽命略長,長期穩(wěn)定性佳 反應(yīng)速率快 操作簡單,缺點: 線性不佳