氣體檢測的原理與方法

催化燃燒檢測器

對(duì)于常見的可燃?xì)?/span>LEL的檢測，通常采用催化燃燒檢測器。催化燃燒式傳感器的核心為一惠通斯電橋，其中一橋臂上有催化劑，當(dāng)與可燃?xì)怏w接觸時(shí)，可燃?xì)怏w在有催化劑的電橋上燃燒，該橋臂的電阻發(fā)生變化，其余橋臂的電阻不變化，從而引起整個(gè)電路的輸出發(fā)生變化，而該變化與可燃?xì)怏w的濃度成比例，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的檢測。

從以上原理可知，通過該方法檢測可燃?xì)?，它以催化燃燒為基礎(chǔ)，所以它的分辨率較低。該方法的分辨率一般為1%LEL，大約為100PPm左右。所以對(duì)于有機(jī)氣體毒性的檢測不能采用該檢測方法。

LEL傳感器的靈敏度是以甲烷為代表的，由于不同氣體燃燒產(chǎn)生的熱量不同，一些分子量較大的碳?xì)浠衔镎羝ɡ缙汀⒚河停┑群茈y擴(kuò)散到傳感器電極表面進(jìn)行充分燃燒，因而輸出靈敏度就較低。

常見氣體在LEL傳感器上的靈敏度與甲烷的比較見下表：

雙量程可燃?xì)鈧鞲衅?TC)

TC傳感器是一種可檢測氣體的爆炸下限和體積百分比濃度的傳感器，在檢測甲烷時(shí)可在LEL和VOL之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

TC傳感器的工作原理是：當(dāng)氣體通過加熱的線圈時(shí)引起冷卻，氣體熱導(dǎo)部分的電阻降低，達(dá)到檢測的目的。由于每種氣體的熱導(dǎo)值是*的，只要檢測的氣體與對(duì)照物相比，幾乎任一種氣體都可以用TC傳感器進(jìn)行檢測。

TC傳感器也需要標(biāo)定，可以直接用目標(biāo)氣體進(jìn)行標(biāo)定，也可以使用某一種參考?xì)怏w（例如甲烷）進(jìn)行標(biāo)定，再利用校正系數(shù)（CF）轉(zhuǎn)換到目標(biāo)氣體濃度。

電化學(xué)檢測器

對(duì)于常見有毒氣體的檢測，特別是無機(jī)毒氣，一般采用的傳感器進(jìn)行檢測。既定性又定量進(jìn)行檢測。該類傳感器大多為電化學(xué)傳感器（也稱燃料池傳感器）。電化學(xué)傳感器分為二電極和三電極兩種類型，由擴(kuò)散柵、由金或鉑等貴金屬制成的傳感電極(陰極) 、由鉛鋅等金屬制成的參比電極 (陽極) 、電解液（比如氫氧化鉀溶液或醋酸鉀溶液）等組成，三電極傳感器還增加有計(jì)數(shù)電極，另外還有外部濕度柵或過濾膜等，目標(biāo)氣體在傳感電極上發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的電流通過對(duì)電極構(gòu)成回路，參比電極為傳感電極提供合適的偏值。傳感器通過參比電極與傳感電極的催化劑實(shí)現(xiàn)選擇性反應(yīng)，即定性反應(yīng)。回路產(chǎn)生的電流與氣體的濃度成正比，實(shí)現(xiàn)定量反應(yīng)，并且有很寬的線性測量范圍。

對(duì)于某些電活性較弱的氣體，比如氫氣和一氧化氮等，需要在計(jì)數(shù)電極上使用一個(gè)偏置電壓，這有助于傳感器對(duì)特定化合物的檢測。

電化學(xué)傳感器性能比較穩(wěn)定、線性度好、壽命較長、耗電很小、分辨率一般可以達(dá)到0.1ppm（隨傳感器不同有所不同）。它的溫度適應(yīng)性也比較寬（有時(shí)可以在-40到50°C 間工作）。然而，它的讀數(shù)溫度變化的影響也比較大。所以很多這種儀器都有軟硬件的溫度補(bǔ)償處理。

電解液池中的參比電極是不斷被消耗的，當(dāng)電極的所有表面被氧化，電化學(xué)反應(yīng)就將停止，電流輸出為零。此時(shí)，就要更換傳感器。燃料池傳感器的壽命大致可以維持一到兩年。

電化學(xué)傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)是干擾。例如CL2傳感器會(huì)對(duì)10ppm的硫化氫有大約0.3ppm的讀數(shù)，或者說，如果測量時(shí)存在10ppm的硫化氫，那么CL2的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)減去0.3ppm。在某些情況下，干擾是正的，傳感器的讀數(shù)比實(shí)際值要大；有些則相反。還原性氣體，比如硫化氫和一氧化碳會(huì)在電極上氧化，而氧化性氣體，比如CL2、二氧化氮和臭氧，則在電極上還原。

氧氣傳感器：一般的氧氣傳感器為兩電極傳感器，由鉛作陽極，它的檢測原理與三電極大致相似，只是不如三電極的傳感器的輸出穩(wěn)定，壽命較短，大約為一年。

在大多數(shù)的儀器中，即使是在關(guān)機(jī)狀態(tài)，傳感器也在產(chǎn)生電流和消耗。有些儀器通過切斷電路避免電流流動(dòng)來增加傳感器的使用壽命。但這種方式的弊端在于儀器開啟時(shí)重新平衡的時(shí)間加長（可能需要幾分鐘）。在重新平衡過程中，電流將重新流過電路。重新平衡需要較長時(shí)間的原因是擴(kuò)散到傳感器上的氧氣已經(jīng)積聚到了電極之上，而去除氧氣的辦法就是通過電化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為氧化鉛。只有將積聚的氧氣消耗殆盡才能得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。一般儀器的做法是采取儀器開啟后“”的辦法，讀數(shù)開始會(huì)很高然后慢慢下降達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值。如果儀器具有此項(xiàng)功能，則在儀器達(dá)到重新平衡之前不要進(jìn)行調(diào)零或者校正操作。

金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器

金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器（MOS）是一個(gè)寬帶檢測裝置，既可以用于檢測ppm級(jí)的有毒氣體也可以用于檢測百分比濃度的易燃易爆氣體。

MOS傳感器由一個(gè)金屬半導(dǎo)體（比如SnO2）成。在清潔空氣中，它的電導(dǎo)很低，而遇到還原性氣體，比如一氧化碳或可燃性氣體，傳感元件的電導(dǎo)會(huì)增加。如果控制傳感元件的溫度，可以對(duì)不同的物質(zhì)有一定的選擇性。

MOS傳感器的主要缺點(diǎn)是非線性響應(yīng)、很難解釋讀數(shù)、靈敏度較差、濕度影響較大。當(dāng)濕度增加時(shí)，傳感器的輸出也增加。而當(dāng)濕度降低時(shí)，它的讀數(shù)即使在存在污染物時(shí)也可能很低，甚至為零。有時(shí)由于選擇曲線錯(cuò)誤，可能會(huì)有誤報(bào)警。另外一個(gè)問題是MOS傳感器對(duì)常見污染物的檢測線性范圍相對(duì)較窄。在線性范圍之內(nèi)，檢測結(jié)果很準(zhǔn)確，而一旦濃度落在線性范圍之外，也就無法提供準(zhǔn)確的定量測定。

光離子化檢測器 (PID)

光離子化檢測器通過一個(gè)高能量的紫外燈提供離子化的能量，揮發(fā)性有機(jī)化合物被紫外光電離后的組份被離子腔收集產(chǎn)生電流，而電流與氣體濃度成正比。

紫外燈發(fā)出的能量決定了它所能檢測的化合物的種類。現(xiàn)在可以選擇的能量有8.4、9.5、9.8、10.0、10.2、10.6、11.7和11.8 eV（隨制造商不同）。大多數(shù)的產(chǎn)品允許在同一臺(tái)儀器上使用不同能量的紫外燈。