氣體傳感器原理及應(yīng)用概覽
加入技術(shù)交流群
氣體傳感器的分類，從檢測(cè)氣體種類上，常分為可燃?xì)怏w傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導(dǎo)、半導(dǎo)體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學(xué)、金屬半導(dǎo)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(kuò)散式（即傳感器直接安裝在被測(cè)對(duì)象環(huán)境中，實(shí)測(cè)氣體通過自然擴(kuò)散與傳感器檢測(cè)元件直接接觸）、吸入式（是指通過使用吸氣泵等手段，將待測(cè)氣體引入傳感器檢測(cè)元件中進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)對(duì)被測(cè)氣體是否稀釋，又可細(xì)分為完全吸入式和稀釋式等）；從分析氣體組分上，分為單一式（僅對(duì)特定氣體進(jìn)行檢測(cè)）和復(fù)合式（對(duì)多種氣體成分進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)）；按傳感器檢測(cè)原理，分為熱學(xué)式、電化學(xué)式、磁學(xué)式、光學(xué)式、半導(dǎo)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(dǎo)式和熱化學(xué)式兩大類。熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)率，通過對(duì)其中熱敏元件電阻的變化來(lái)測(cè)量一種或幾種氣體組分濃度的，其在工業(yè)界的應(yīng)用已有幾十年的歷史，其儀表類型較多，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(yīng)的熱效應(yīng)，其中廣泛應(yīng)用的是氣體的氧化反應(yīng)（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(cè)可燃?xì)怏w，如煤氣發(fā)生站、制氣廠用來(lái)分析空氣中的CO、H2 、C2H2等可燃?xì)怏w，采煤礦井用于分析坑道中的CH4含量，石油開采船只分析現(xiàn)場(chǎng)漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉(cāng)庫(kù)或原料車間分析空氣中的石油蒸氣、酒精乙醚蒸氣等。美國(guó)RAE Systems公司生產(chǎn)的FGM-3100催化燃燒式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，其采樣方式為擴(kuò)散式，檢測(cè)精度達(dá)±2%滿量程，響應(yīng)時(shí)間＜15s。催化燃燒式氣體傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)所有可燃?xì)怏w的響應(yīng)有廣譜性，對(duì)環(huán)境溫度、濕度影響不敏感，輸出信號(hào)近線性，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但其主要不足是精度低，工作溫度高（內(nèi)部溫度可達(dá)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(cè)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(cè)氣體濃度的。較常見的電化學(xué)傳感器類型有原電池型（其工作原理類似于燃料電池）、恒定電位電解池型（在電流強(qiáng)制作用下工作，屬庫(kù)侖分析類傳感器）等。目前，電化學(xué)傳感器是檢測(cè)有毒、有害氣體最常見和最成熟的傳感器。其特點(diǎn)是體積小，功耗小，線性和重復(fù)性較好，分辨率一般可以達(dá)到0.1ppm，壽命較長(zhǎng)。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(guó)城市技術(shù)公司所生產(chǎn)的用于檢測(cè)H 2 S的3HH電化學(xué)傳感器，其測(cè)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，開始出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，其工作基理是根據(jù)濃差電池原理，通過測(cè)量待分析氣體和參比氣體因氧氣濃度差異而導(dǎo)致的濃差電動(dòng)勢(shì)，來(lái)測(cè)量待分析氣體中的含氧量。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展較快。常應(yīng)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(cè)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，最常見的是利用氧氣的高磁化特性來(lái)測(cè)量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，其氧量的測(cè)量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測(cè)量?jī)x表。常用的有熱磁對(duì)流式氧量分析傳感器（按構(gòu)成方式不同，又可細(xì)分為測(cè)速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機(jī)械式氧量分析傳感器。其典型應(yīng)用場(chǎng)合有化肥生產(chǎn)、深冷空氣分離、火電站燃燒系統(tǒng)、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(jiān)測(cè)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)中常用的類型有紅外線氣體分析儀、紫外線分析儀、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。 電化學(xué)工作站相關(guān)文章:電化學(xué)工作站原理
評(píng)論