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氣體傳感器原理 |
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氣體傳感器原理
氣體傳感器從原理上可以分為三大類：
1、利用電化學性質的氣體傳感器：如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解質式等。
2、利用物理化學性質的氣體傳感器：如半導體式（表面控制型、體積控制型、表面電位型）、催化燃燒式、固體熱導式等。
3、利用物理性質的氣體傳感器：如熱傳導式、光干涉式、紅外吸收式等。
根據危害，我們將有毒有害氣體分為可燃氣體和有毒氣體兩大類。由于它們性質和危害不同，其檢測手段也有所不同。
1. 可燃氣體 可燃氣體是石油化工等工業場合遇到最多的危險氣體，它主要是烷烴等有機氣體和某些無機氣體：如一氧化碳等。 可燃氣體發生爆炸必須具備一定的條件，那就是：一定濃度的可燃氣體，一定量的氧氣以及足夠熱量點燃它們的火源， 這就是爆炸三要素（如上左圖所示的爆炸三角形），缺一不可，也就是說，缺少其中任何一個條件都不會引起火災和爆 炸。 當可燃氣體（蒸汽、粉塵）和氧氣混合并達到一定濃度時，遇具有一定溫度的火源就會發生爆炸。我們把可燃氣體遇火源發生 爆炸的濃度稱為爆炸濃度極限，簡稱爆炸極限，一般用%表示。 實際上，這種混合物也不是在任何混合比例上都會發生爆炸而要有一個濃度范圍。如上右圖所示的陰影部分。當可燃氣 體濃度低于lel（最低爆炸限度）時（可燃氣體濃度不足）和其濃度高于uel（最高爆炸限度）時（氧氣不足）都不會發生爆 炸。不同的可燃氣體的lel和uel都各不相同，這一點在標定儀器時要十分注意。 為安全起見，一般我們應當在可燃氣體濃度在lel的25%或以下和50%時發出警報，這里，25%lel稱作低限報警，而50%le l稱作高限報警。這也就是我們將可燃氣體檢測儀又稱作lel檢測儀的原因。需要說明的是，lel檢測儀上顯示的100%不是可燃 氣體的濃度達到氣體體積的100%，而是達到了lel的100%，即相當于可燃氣體的最低爆炸下限，如果是甲烷，100%lel=5%體積 濃度（vol）。 檢測可燃性氣體可使用半導體、催化燃燒式（抗中毒型）、熱傳導式和紅外式傳感器。
2.有毒氣體的檢測 目前，對于特定的有毒氣體的檢測，我們使用最多的是專用氣體傳感器。 檢測毒氣的傳感器主要有半導體式，電化學式和電解電池式三種。定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解 質式等 半導體式傳感器的靈敏度高，分辨率低。此種原理的傳感器幾乎已被淘汰，用戶在選用此種傳感器時要極為慎重。 電解電池式傳感器 固體電解質氣體傳感器使用固體電解質氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產生離子，從而形成電動 勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環 保、礦業等各個領域，僅次于金屬氧化物半導體氣體傳感器。如測量h2s的yst-au-wo3、測量nh3的nh+4caco3等。 電化學式傳感器是目前被廣泛應用的檢測毒氣的傳感器。它利用氧化還原反應，通過不同的電解質可檢測幾十種有毒氣體。根 據電解質的質量，其壽命一般為2~4年。 電化學傳感器的構成是：將兩個反應電極工作電極和對電極以及一個參比電極放置在特定電解液中（如上圖如示），然后在 反應電極之間加上足夠的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進行氧化還原反應，再通過儀器中的電路系統測量氣 體電解時產生的電流，然后由其中的微處理器計算出氣體的濃度。 目前，電化學傳感器是被廣泛應用的檢測無機有毒氣體的傳感器，可以檢測到特定氣體的電化學傳感器包括：一氧化碳、硫化 氫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環氧乙烷、氯化氫等等.
3. 揮發性有機化合物的檢測 對揮發性有機化合物的檢測還有一種光離子化檢測器（photo-ionization detector 簡稱pid），它可以測量低至ppm（并萬分 之一）的有機有毒氣體和蒸氣濃度。pid 可以檢測大多數的揮發性有機化合物（volatile organic compound ，簡稱voc） ， 簡單地講，pid可以測量含碳數從1（比如，ch2cl2）一直到10（比如萘）的揮發性有機化合物。 pid可用于各類使用、生產、 存儲、運輸各類有機化合物企業的安全衛生。同時，它也可以用于環保行業的應急事故、工業衛生咨詢、公安檢查、防化等等 各個領域。
4.氧氣檢測儀 氧氣也是在工業環境中，尤其是密閉環境中需要十分注意因素。一般我們將氧氣含量超過23.5%稱為氧氣過量（富氧），此時很 容易發生爆炸的危險；而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足（缺氧），此時很容易發生工人窒息、昏迷以至死亡的危險。正常的 氧氣含量應當在20.9%左右。氧氣檢測儀也是電化學傳感器的一種
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