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1、第四章第四章 气体检测气体检测 一、本章教学目的一、本章教学目的一、本章教学目的一、本章教学目的掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。二、本章主要内容二、本章主要内容二、本章主要内容二、本章主要内容第一节第一节 气体检测概述气体检测概述第二节第二节 热导型气体检测热导型气体检测 热导型气体检测工作原理、测量热导元件、传感器结构与检热导型气体检测工作原理、测量热导元件、传感器结构与检测原理测原理第三节第三节 载体热催化原理气体检
2、测载体热催化原理气体检测 热催化元件、热催化型元件检测甲烷等可燃气体的原理、载热催化元件、热催化型元件检测甲烷等可燃气体的原理、载体热催化元件的特性、可燃气体遥测报警断电仪体热催化元件的特性、可燃气体遥测报警断电仪第四节第四节 一氧化碳和硫化氢气体检测一氧化碳和硫化氢气体检测 检知管结构和检测原理、定电位电化学一氧化碳传感器、一检知管结构和检测原理、定电位电化学一氧化碳传感器、一氧化碳和硫化氢检测报警器、红外线气体分析氧化碳和硫化氢检测报警器、红外线气体分析第五节第五节 氧气(氧气(O O2 2)浓度检测)浓度检测 电化学化测氧、电磁法测氧电化学化测氧、电磁法测氧(O(O2 2)、第六节第六节
3、 光干涉法瓦斯检测器光干涉法瓦斯检测器 光干涉式甲烷检定器原理与结构、光学甲烷机检光干涉式甲烷检定器原理与结构、光学甲烷机检定器的使用定器的使用第七节第七节 气相色谱仪气相色谱仪 气相色谱仪组成及检测原理、定性与定量分析气相色谱仪组成及检测原理、定性与定量分析重点与难点重点与难点重点与难点重点与难点:1 1、各种气体检测仪表原理;、各种气体检测仪表原理;、各种气体检测仪表原理;、各种气体检测仪表原理;2 2、各种气体检测传感器的原理与性能、各种气体检测传感器的原理与性能、各种气体检测传感器的原理与性能、各种气体检测传感器的原理与性能第一节第一节 概概 述述 1 1 1 1、有害气体成份、有害气
4、体成份、有害气体成份、有害气体成份 可燃爆炸性气体:可燃爆炸性气体:可燃爆炸性气体:可燃爆炸性气体:CHCH4 4、C C2 2H H4 4、C C2 2H H6 6、C C3 3H H8 8、H H2 2、C C2 2H H2 2等等 中毒性气体:中毒性气体:中毒性气体:中毒性气体:COCO、H H2 2S S、氰氢酸等、氰氢酸等 窒息性气体:窒息性气体:窒息性气体:窒息性气体:NHNH3 3、N N2 2、COCO2 2等等 助燃气体:助燃气体:助燃气体:助燃气体:O O2 2 2 2 2 2、气体检测传感器的种类、气体检测传感器的种类、气体检测传感器的种类、气体检测传感器的种类 热导类热
5、导类热导类热导类各类气体各类气体各类气体各类气体 热催化类热催化类热催化类热催化类可燃性气体可燃性气体可燃性气体可燃性气体 电化类电化类电化类电化类COCOCOCO、O O O O2 2 2 2 磁学类磁学类磁学类磁学类顺磁性气体顺磁性气体顺磁性气体顺磁性气体O O O O2 2 2 2、NONONONO、NONONONO2 2 2 2 光学类光学类光学类光学类红外线红外线红外线红外线COCOCOCO、CHCHCHCH4 4 4 4等各种气体等各种气体等各种气体等各种气体 气相色谱类气相色谱类气相色谱类气相色谱类气体分析,各类气体气体分析,各类气体气体分析,各类气体气体分析,各类气体 3 3
6、3 3、气体检测传感器的要求、气体检测传感器的要求、气体检测传感器的要求、气体检测传感器的要求 1)1)可燃气体最小值在下限可燃气体最小值在下限1/101/10以下;以下;2)2)中毒性气体在允许浓度中毒性气体在允许浓度1/101/10以下;以下;3)3)可燃性气体反应速度可燃性气体反应速度30S30S;4)4)中毒性气体反应速度中毒性气体反应速度10S10S;5)5)无论是可燃气体,还是中毒性气体报警点都任意可调;无论是可燃气体,还是中毒性气体报警点都任意可调;6)6)工作环境工作环境 (1 (1)工作温度)工作温度-20-204040;(2 (2)工作电压或电流为工作电源的电压或电流)工作
7、电压或电流为工作电源的电压或电流10%10%波动波动;(3 (3)本身要防爆、防中毒;)本身要防爆、防中毒;(4 (4)防振、防冲击、强度大。)防振、防冲击、强度大。第二节第二节 热导型气体检测热导型气体检测 一、检测原理一、检测原理一、检测原理一、检测原理 1 1 1 1、热导原理、热导原理、热导原理、热导原理 利用各种气体热导率与空气热导率的差异,以及热导利用各种气体热导率与空气热导率的差异,以及热导利用各种气体热导率与空气热导率的差异,以及热导利用各种气体热导率与空气热导率的差异,以及热导率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。
8、率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。各个气体的热导率:各个气体的热导率:各个气体的热导率:各个气体的热导率:气体的热导率,气体的热导率,气体的热导率,气体的热导率,cal/cm.scal/cm.s气体的分子量,气体的分子量,气体的分子量,气体的分子量,kgkg气体分子热运动的平均速度,气体分子热运动的平均速度,气体分子热运动的平均速度,气体分子热运动的平均速度,cm/scm/s气体定容比热,气体定容比热,气体定容比热,气体定容比热,Jmol/KJmol/K单位体积内分子数单位体积内分子数单位体积内分子数单位体积内分子数自由路程平均
9、长度,自由路程平均长度,自由路程平均长度,自由路程平均长度,cmcm气体分子的有效直径,气体分子的有效直径,气体分子的有效直径,气体分子的有效直径,cmcm绝对温度,绝对温度,绝对温度,绝对温度,K K肖节伦德常数,由实验确定肖节伦德常数,由实验确定肖节伦德常数,由实验确定肖节伦德常数,由实验确定 由上式可知,气体的热导率随温度增加而增加,当温度由上式可知,气体的热导率随温度增加而增加,当温度为定值时,热导率与气体分子直径成反比,分子直径越小,为定值时,热导率与气体分子直径成反比,分子直径越小,由其热导率越大,在一般情况下热导率与气压无关。由其热导率越大,在一般情况下热导率与气压无关。2 2
10、2 2、混合气体的热导率、混合气体的热导率、混合气体的热导率、混合气体的热导率 气体的热导率与温度的关系复杂,常用下式表示:气体的热导率与温度的关系复杂,常用下式表示:式中:式中:t t、0 0 分别为分别为t t和和00时的热导率;时的热导率;一定范围内气体热导率温度系数。一定范围内气体热导率温度系数。对于混合气体的热导率可以粗略的认为是各组分的热导率对于混合气体的热导率可以粗略的认为是各组分的热导率之平均值,即:之平均值,即:式中:式中:c c、i i分别为混合气体热导率和分别为混合气体热导率和i i种气体热种气体热导率。导率。n ni i为第为第i i 种气体的百分含量。种气体的百分含量
11、。设空气中有设空气中有CHCH4 4为为m m,空气的热导率为,空气的热导率为a a,甲,甲烷热导率为烷热导率为。甲烷和空气混合气体热导率为。甲烷和空气混合气体热导率为c c。则:则:由上式可看出,只要测出由上式可看出,只要测出c c,就可测出,就可测出m m值。值。主要气体的导热率主要气体的导热率主要气体的导热率主要气体的导热率 单位:卡单位:卡单位:卡单位:卡/厘米厘米厘米厘米 秒秒秒秒 度度度度 气体名称气体名称0 0时热导率时热导率(1010-5-5)100100时热导率时热导率(1010-5-5)相对热导率相对热导率空气空气5.665.667.2777.2771 1OO2 25.83
12、95.8397.887.881.031.03COCO7.3027.3020.940.94HeHe40.7940.795.995.99HH2 248.9748.976.656.65NHNH3 310.92810.9281.301.30NONO5.6475.6477.5627.5621.001.00COCO2 23.4853.4855.4845.4840.6150.615NN2 2OO3.6263.6265.7115.7110.640.64SOSO2 21.951.950.3450.345 二、热导元件二、热导元件二、热导元件二、热导元件热量热量热量热量电阻变换元件、热变元件电阻变换元件、热变元件
13、电阻变换元件、热变元件电阻变换元件、热变元件 1 1 1 1、金属丝热敏电阻、金属丝热敏电阻、金属丝热敏电阻、金属丝热敏电阻 由于由于 R R与与t t成正比,一般选取用成正比,一般选取用R R温度系数较大的材料好,铂温度系数较大的材料好,铂电阻、钨丝、铼钨丝电阻、钨丝、铼钨丝 要求要求要求要求:丝直:丝直10105050mm,纯度愈高愈好,纯度愈高愈好,特点特点特点特点:稳定性好,零漂小,线性好,重复性高,寿命长:稳定性好,零漂小,线性好,重复性高,寿命长 缺点:工艺复杂,化学稳定性差;互换性差。缺点:工艺复杂,化学稳定性差;互换性差。2 2 2 2、半导体热敏电阻、半导体热敏电阻、半导体热
14、敏电阻、半导体热敏电阻 1 1 1 1)金属氧化物半导体)金属氧化物半导体)金属氧化物半导体)金属氧化物半导体 2 2 2 2)炭化硅半导体)炭化硅半导体)炭化硅半导体)炭化硅半导体 3 3 3 3)钛酸钡正特性热敏半导体)钛酸钡正特性热敏半导体)钛酸钡正特性热敏半导体)钛酸钡正特性热敏半导体 热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为180180时,相当于铂丝的时,相当于铂丝的时,相当于铂丝的时,相当于铂丝的5 5倍,故半导体热
15、敏电阻的灵敏度比铂丝灵倍,故半导体热敏电阻的灵敏度比铂丝灵倍,故半导体热敏电阻的灵敏度比铂丝灵倍,故半导体热敏电阻的灵敏度比铂丝灵敏度高约敏度高约敏度高约敏度高约5 51010倍。倍。倍。倍。特点:特点:特点:特点:(1 1)受)受COCO2 2、水蒸气影响较大;、水蒸气影响较大;(2 2)零点飘移;)零点飘移;(3 3)元件的一致性和互换性较差)元件的一致性和互换性较差受加工工艺影响较大。受加工工艺影响较大。甲烷的热导率是空气的热导率的甲烷的热导率是空气的热导率的1.2961.296倍倍,因而用热导方法来测,因而用热导方法来测量浓度很低的甲烷时得到输出信号很小,量浓度很低的甲烷时得到输出信号
16、很小,三、传感器原理三、传感器原理三、传感器原理三、传感器原理 热导式传感器采用电阻温度系数较大的金属丝(铂丝或钨丝)或半导体热热导式传感器采用电阻温度系数较大的金属丝(铂丝或钨丝)或半导体热敏电阻作为敏感元件。把性能相同的一对热导元件分别接在电桥电路的两个臂敏电阻作为敏感元件。把性能相同的一对热导元件分别接在电桥电路的两个臂上,一支放置在与被测气体相通的气室中,叫上,一支放置在与被测气体相通的气室中,叫测量元件测量元件;另一支放置在充满地;另一支放置在充满地面标准大气的密闭气室中,叫面标准大气的密闭气室中,叫补偿元件补偿元件,如图所示。,如图所示。工作时,当测量元件与补工作时,当测量元件与补
17、偿元件输入同样的电流后,产生的热量相同,但由于散热介质不同,使两元件偿元件输入同样的电流后,产生的热量相同,但由于散热介质不同,使两元件存在一定温差,两元件产生一个与温差相适应的热态电阻差,破坏电桥平衡,存在一定温差,两元件产生一个与温差相适应的热态电阻差,破坏电桥平衡,电桥输出一个与被测气体浓度变化成比例关系的电信号。电桥输出一个与被测气体浓度变化成比例关系的电信号。四、特点四、特点四、特点四、特点 由于纯被测气体或高浓度的被测气体的热导率与空气的由于纯被测气体或高浓度的被测气体的热导率与空气的热导率相差较大,所以测量高浓度时,精度高。但是如果被热导率相差较大,所以测量高浓度时,精度高。但是
18、如果被测气体浓度较低,其热导率与空气的热导率相近,输出信号测气体浓度较低,其热导率与空气的热导率相近,输出信号较弱,其灵敏度和分辨力很小,因此,这类传感器不适用于较弱,其灵敏度和分辨力很小,因此,这类传感器不适用于在低浓度下使用。在低浓度下使用。五、仪器五、仪器五、仪器五、仪器 目前,热导型仪表型号繁多,有我国生产的目前,热导型仪表型号繁多,有我国生产的LRD1LRD1型甲型甲烷检定器和与煤矿安全生产监测系统相配接的烷检定器和与煤矿安全生产监测系统相配接的KG3001KG3001型甲烷型甲烷传感器,波兰生产的传感器,波兰生产的CKACKA型高浓度甲烷传感器和德国生产的型高浓度甲烷传感器和德国生
19、产的BDBD甲烷传感器等等。甲烷传感器等等。第三节第三节 载体热催化原理气体检测载体热催化原理气体检测 一、载体热催化的特点一、载体热催化的特点一、载体热催化的特点一、载体热催化的特点1 1、对可燃气体下限以下气体浓度的测量,其输出呈线性;、对可燃气体下限以下气体浓度的测量,其输出呈线性;2 2、对于爆炸下限以下浓度测量时,能输出数十毫伏的电信、对于爆炸下限以下浓度测量时,能输出数十毫伏的电信 号,灵敏度高;号,灵敏度高;3 3、对不可燃气体不反应;、对不可燃气体不反应;4 4、受硫化物、卤化物、硅氧基化合物及砷、氯、铅等化合、受硫化物、卤化物、硅氧基化合物及砷、氯、铅等化合物和空气中的物和空
20、气中的OHOH键及氮氧化物影响,元件产生中毒现象;键及氮氧化物影响,元件产生中毒现象;5 5、元件遇到高浓度可燃气体时,易损坏;、元件遇到高浓度可燃气体时,易损坏;6 6、元件工作温度高,表面温度在、元件工作温度高,表面温度在300300400400,而内部温度,而内部温度可达可达700700800800,对氢气有爆炸性。,对氢气有爆炸性。二、热催化元件二、热催化元件二、热催化元件二、热催化元件1 1 1 1、纯铂丝催化元件、纯铂丝催化元件、纯铂丝催化元件、纯铂丝催化元件1 1 1 1)结构:)结构:)结构:)结构:如图所示。如图所示。2 2 2 2)特点)特点)特点)特点(1)(1)结构简单
21、,制造容易;结构简单,制造容易;(2)(2)抗中毒能力强抗中毒能力强在在100ppmH100ppmH2 2S S,1 1CHCH4 4可连续工作可连续工作4 4小时小时,活性不下降;,活性不下降;(3)(3)元件的工作温度高(元件的工作温度高(90090010001000),铂丝升华严重,造),铂丝升华严重,造成零飘严重;成零飘严重;图图 纯铂丝元件纯铂丝元件 2 2 2 2、载体催化元件、载体催化元件、载体催化元件、载体催化元件 1 1 1 1)载体催化元件组成)载体催化元件组成)载体催化元件组成)载体催化元件组成 载体催化元件组成如图载体催化元件组成如图4-3-24-3-2 由铂丝线圈、载
22、体和催化剂。由铂丝线圈、载体和催化剂。载体载体催化剂催化剂铂丝线圈铂丝线圈 2 2 2 2)各部分功能)各部分功能)各部分功能)各部分功能(1)(1)(1)(1)铂丝线圈铂丝线圈铂丝线圈铂丝线圈:A A、对载体和催化剂进行加热,使可燃气体接触元件后达一定的、对载体和催化剂进行加热,使可燃气体接触元件后达一定的氧化状态;氧化状态;B B、把可燃气体在催化剂作用下燃烧生成的热量检测出来;、把可燃气体在催化剂作用下燃烧生成的热量检测出来;(2)(2)(2)(2)载体载体载体载体 A A、提供较大的反应接触面积;、提供较大的反应接触面积;B B、固定铂丝的几何形状;、固定铂丝的几何形状;C C、附载催
23、化剂;、附载催化剂;D D、传导热量给铂丝。、传导热量给铂丝。(3)(3)(3)(3)催化剂催化剂催化剂催化剂:钯:钯P Pd d 、铂、铂P Pt t、钍、钍T Th h等等 A A、加快反应速度;、加快反应速度;B B、降低气体燃烧温度(、降低气体燃烧温度(650650降到降到350350)5/9/202417/77 3 3 3 3)制作)制作)制作)制作 缠丝缠丝缠丝缠丝去芯去芯去芯去芯附载体附载体附载体附载体附催化剂附催化剂附催化剂附催化剂老化处理老化处理老化处理老化处理 黑元件黑元件黑元件黑元件检测元件;检测元件;检测元件;检测元件;白元件白元件白元件白元件补偿元件(未涂催化剂,对环
24、境(风速、温度、补偿元件(未涂催化剂,对环境(风速、温度、补偿元件(未涂催化剂,对环境(风速、温度、补偿元件(未涂催化剂,对环境(风速、温度、湿度、电流、电压)变化影响进行补偿;湿度、电流、电压)变化影响进行补偿;湿度、电流、电压)变化影响进行补偿;湿度、电流、电压)变化影响进行补偿;配对使用配对使用配对使用配对使用。二、催化型元件检测可燃气体的原理二、催化型元件检测可燃气体的原理二、催化型元件检测可燃气体的原理二、催化型元件检测可燃气体的原理1.1.1.1.载体热催化元件及检测原理载体热催化元件及检测原理载体热催化元件及检测原理载体热催化元件及检测原理 其检测原理是甲烷等可燃气体在催化剂(铂
25、、铑、钯)其检测原理是甲烷等可燃气体在催化剂(铂、铑、钯)的作用下,在元件的表面产生氧化反应,生成二氧化碳和水,的作用下,在元件的表面产生氧化反应,生成二氧化碳和水,同时放出热量。其氧化反应式为:同时放出热量。其氧化反应式为:释放出的热量释放出的热量Q Q使元件的温度上升,造成铂丝的阻值变使元件的温度上升,造成铂丝的阻值变化。铂丝的电阻在化。铂丝的电阻在0 0630.74630.74范围内与可燃气体浓度成正范围内与可燃气体浓度成正比。比。2.2.2.2.载体热催化型可燃气体传感器载体热催化型可燃气体传感器载体热催化型可燃气体传感器载体热催化型可燃气体传感器 利用载体热催化元件制成传感器的利用载
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