氣體傳感器分類(lèi)原理及應用

　　氣體傳感器的分類(lèi)，從檢測氣體種類(lèi)上，常分為可燃氣體傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導、半導體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學(xué)、金屬半導 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，分為擴散式（即傳感器直接安裝在被測對象環(huán)境中，實(shí)測氣體通過(guò)自然擴散與傳感器檢測元件直接接觸）、吸入式（是指通過(guò)使 用吸氣泵等手段，將待測氣體引入傳感器檢測元件中進(jìn)行檢測。根據對被測氣體是否稀釋?zhuān)挚杉毞譃橥耆胧胶拖♂屖降龋?；從分析氣體組分上，分為單一式 （僅對特定氣體進(jìn)行檢測）和復合式（對多種氣體成分進(jìn)行同時(shí)檢測）；按傳感器檢測原理，分為熱學(xué)式、電化學(xué)式、磁學(xué)式、光學(xué)式、半導體式、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式和熱化學(xué)式兩大類(lèi)。熱導式是利用氣體的熱導率，通過(guò)對其中熱敏元件電阻的 變化來(lái)測量一種或幾種氣體組分濃度的，其在工業(yè)界的應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)反應的熱效應，其中廣泛應用的是氣體的氧化反應（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，主要用于檢測可燃氣體，如煤氣發(fā)生站、制氣廠(chǎng)用來(lái)分析空氣中的CO、H2 、C2H2等可燃氣體，采煤礦井用于分析坑道中的CH4含量，石油開(kāi)采船只分析現場(chǎng)漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉庫或原料車(chē)間分析空氣中的石油蒸 氣、酒精乙醚蒸氣等。美國RAE Systems公司生產(chǎn)的FGM-3100催化燃燒式可燃氣體檢測儀，其采樣方式為擴散式，檢測精度達±2%滿(mǎn)量程，響應時(shí)間《15s。催化燃燒式氣體傳 感器的主要優(yōu)點(diǎn)是對所有可燃氣體的響應有廣譜性，對環(huán)境溫度、濕度影響不敏感，輸出信號近線(xiàn)性，且其結構簡(jiǎn)單，成本低。但其主要不足是精度低，工作溫度高 （內部溫度可達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（在電流強制作用下工作，屬庫侖分析類(lèi)傳感器）等。目前，電化學(xué)傳感器是檢測有毒、有害氣體最常見(jiàn)和最成熟的 傳感器。其特點(diǎn)是體積小，功耗小，線(xiàn)性和重復性較好，分辨率一般可以達到0.1ppm，壽命較長(cháng)。不足是易受干擾，靈敏度受溫度變化影響較大?；裟犴f爾旗 下的英國城市技術(shù)公司所生產(chǎn)的用于檢測H 2 S的3HH電化學(xué)傳感器，其測量范圍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)始出現于20世紀60年代，其工作基理是 根據濃差電池原理，通過(guò)測量待分析氣體和參比氣體因氧氣濃度差異而導致的濃差電動(dòng)勢，來(lái)測量待分析氣體中的含氧量。由于它具有結構簡(jiǎn)單、工作可靠、靈敏度 高、穩定性好、響應速度快、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展較快。常應用于硫酸、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，最常見(jiàn)的是利用氧氣的高磁化特性來(lái)測量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，其氧量的測量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測量?jì)x 表。常用的有熱磁對流式氧量分析傳感器（按構成方式不同，又可細分為測速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機械式氧量分析傳感器。其典型應用場(chǎng)合有化肥生 產(chǎn)、深冷空氣分離、火電站燃燒系統、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)保監測等。

　　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)展最快的技術(shù)之一。工業(yè)中常用的類(lèi)型有紅外線(xiàn)氣體分析儀、紫外線(xiàn)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(xiàn)式的工作原理是利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應而實(shí)現氣體濃度測量的，常用光譜范圍1～25μm，常用的類(lèi)型有DIR色散紅外線(xiàn)式和 NDIR非色散紅外線(xiàn)式。日本島津所生產(chǎn)的SOA-307/307Dx二氧化硫連續分析儀，測量方法是采用單光源雙光柱非色散紅外線(xiàn)吸收法，即通過(guò)向被測 氣體輻射寬帶紅外線(xiàn)并用波長(cháng)選擇檢測器來(lái)選擇指定頻帶，以此來(lái)測量SO2特定波長(cháng)紅外線(xiàn)輻射的吸收，其測量范圍為最小0～100ppm，最大可達 0～1vol%。

　　常用的紫外線(xiàn)分析儀有不分光紫外線(xiàn)分析儀和紫外熒光式分析儀，前者與紅外線(xiàn)吸收原理類(lèi)似，也是基于實(shí)測氣體對紫外線(xiàn)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(cháng)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(xiàn)能量成為激 發(fā)態(tài)的SO2分子，在返回穩態(tài)時(shí)產(chǎn)生特征熒光，其發(fā)出的熒光強度與SO2濃度成正比。紫外熒光式可做到不破壞樣品而連續自動(dòng)測量大氣中的SO2含量。其靈 敏度可達測量范圍的0～2×10 -7 ，穩定性可做到在24h的漂移為滿(mǎn)刻度的±2%，重復性達±2%滿(mǎn)刻度，且共存的背景氣體對測量的影響較小，具有壽命長(cháng)，維修工作量小的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。

　　光電比色式是基于比爾定律實(shí)現自動(dòng)光電比色測量的，其適用的分析對象有SO2、NO、碳氫化合物、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)光反應所放出的光子來(lái)測定臭氧）和化學(xué)發(fā)光式NO X 分析儀（利用O3的強氧化作用，使NO與O3發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應來(lái)實(shí)現測量）。

　　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量的，是環(huán)境排放監測中最常用的分析儀表之一。

　　半導體式氣體傳感器

　　半導體式氣體傳感器是根據由金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料制成的檢測元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應，引起載流子運動(dòng)為特征的電導率或 伏安特性或表面電位變化而進(jìn)行氣體濃度測量的。從作用機理上可分為表面控制型（采用氣體吸附于半導體表面而產(chǎn)生電導率變化的敏感元件）、表面電位型（采用 半導體吸附氣體后產(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（基于半導體與氣體發(fā)生反應時(shí)體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導率變化的工作原理） 等?？梢詸z測百分比濃度的可燃氣體，也可檢測ppm級的有毒有害氣體。具有結構簡(jiǎn)單、檢測靈敏度高、反應速度快等諸多實(shí)用性?xún)?yōu)點(diǎn)，但其主要不足是測量線(xiàn)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)和檢測技術(shù)，分離并測定氣樣中各組分濃度，因此是全分析儀表。在發(fā)電廠(chǎng)鍋爐試驗中，已有應用。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(chēng)為固定相的固體或液體，利用固定相對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)入檢測器進(jìn)行定量測定。根據檢測原理，又細分為濃度型檢測器和 質(zhì)量型檢測器兩種。

　　濃度型檢測器測量的是氣體中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應值和組分的濃度成正比。

　　質(zhì)量型檢測器測量的是氣體中某組分進(jìn)入檢測器的速度變化，即檢測器的響應值和單位時(shí)間進(jìn)入檢測器某組分的量成正比。最常用的檢測器有TCD熱導檢測 器、FLD氫火焰離子化檢測器、HCD電子捕獲檢測器、FPD火焰光度檢測器等。其中TCD檢測器、HCD檢測器屬于濃度型，FLD檢測器、FPD檢測器 屬于質(zhì)量型。TCD檢測器是應用最早且最廣的通用性檢測器，具有靈敏度適宜，通用性強，穩定性好、結構簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。FLD檢測器對大多數有機化合物具有很 高的靈敏度，一般比TCD靈敏度約高3～4個(gè)數量級，能檢測至ppb級的痕量物質(zhì)，且響應速度快。HCD檢測器是一種具有選擇性的高靈敏度檢測器，對電負 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)數量級。FPD廣泛用于SO2 、H2 S等的分析。

　　總之，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，能分析復雜的多相分氣體。缺點(diǎn)是定期取樣不能實(shí)現連續進(jìn)樣分析，系統較為復雜，多用于 試驗室分析用，不太適合工業(yè)現場(chǎng)氣體監測。目前已有采用計算機控制儀表系統的操作和進(jìn)行數據運算的氣相色譜儀，并可進(jìn)行組分越限報警，還具有自動(dòng)檢查儀表 故障等功能。