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4 气体检测


7.562 5.484 5.711
二、热导元件——热量——电阻变换元件、热变元件
1、金属丝热敏电阻
由于
R R0 R0 (1 t )
ΔR与t成正比,一般选取用R温度系数较大的材料好,铂 电阻、钨丝、铼钨丝
要求:丝直10~50µm ,纯度愈高愈好, 特点: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。
第二节 热导型气体检测
一、检测原理 1、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 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:
肖节伦德常数,由实验确定 λ—气体的热导率,cal/cm.s 绝对温度,K 气体分子热运动的平均速度,cm/s 气体定容比热,Jmol/K 单位体积内分子数 自由路程平均长度,cm 气体分子的有效直径,cm 气体的分子量,kg
0℃时热导率 (×10-5) 5.66 5.839
100℃时热导率 (×10-5) 7.277 7.88 7.302 40.79 48.97 10.928
相对热导率 1 1.03 0.94 5.99 6.65 1.30 1.00 0.615 0.64 0.345
5.647 3.485 3.626 1.95
t 0 (1 t )
式中: λt、λ0 ——分别为t和0℃时的热导率; β——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 之平均值,即:
c ni i
i 1 n
式中: λc、λi——分别为混合气体热导率和i种气体热 导率。ni——为第i 种气体的百分含量。
第五节 氧气(O2)浓度检测 电化学化测氧、电磁法测氧(O2)、 第六节 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 定器的使用 第七节 气相色谱仪 气相色谱仪组成及检测原理、定性与定量分析 重点与难点: 1、各种气体检测仪表原理; 2、各种气体检测传感器的原理与性能
第一节 概
剂,可燃气体在其表面不进行氧化燃烧。但它处在与黑元件相
同的工作环境,起着对非可燃气体环境变化(环境温度变化、 湿度变化、风速变化以及电源电流电压变化)而引起的催化元
件阻值变化补偿作用。这样就破坏原来电桥平衡,输出一个与
可燃气体浓度成正比的电信号。然后将此信号送入放大电路放 大,再送至显示、报警或其它单元,实现对可燃气体浓度的检 测。
mV Cv 1 mV Cv n0 L 3 3 2 2 (1 C / T )
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, 由其热导率越大,在一般情况下热导率与气压无关。
2、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:
2013-5-13
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二、催化型元件检测可燃气体的原理 1.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、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, 同时放出热量。其氧化反应式为:
CH 4 2O2 CO2 2H 2O Q
释放出的热量Q使元件的温度上升,造成铂丝的阻值变
传感器,波兰生产的CKA型高浓度甲烷传感器和德国生产的BD
甲烷传感器等等。
第三节 载体热催化原理气体检测
一、载体热催化的特点 1、对可燃气体下限以下气体浓度的测量,其输出呈线性; 2、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; 3、对不可燃气体不反应;
4、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OH键及氮氧化物影响,元件产生中毒现象;

1、有害气体成份 可燃爆炸性气体:——CH4、C2H4、C2H6、C3H8、H2、C2H2 等 中毒性气体:——CO、H2S、氰氢酸等 窒息性气体:——NH3、N2、CO2等 助燃气体:——O2 2、气体检测传感器的种类 热导类――各类气体 热催化类――可燃性气体 电化类――CO、O2 磁学类――顺磁性气体O2、NO、NO2 光学类――红外线CO、CH4等各种气体 气相色谱类――气体分析,各类气体
设空气中有CH4为m,空气的热导率为λa,甲
烷热导率为λ。甲烷和空气混合气体热导率为λc。
则:
c m a (1 m)
m
c a a
由上式可看出,只要测出λc,就可测出m值。
主要气体的导热率
单位:卡/厘米· 度 秒·
气体名称 空气 O2 CO He H2 NH3 NO CO2 N2O SO2
3、气体检测传感器的要求
1) 可燃气体最小值在下限1/10以下; 2) 中毒性气体在允许浓度1/10以下; 3) 可燃性气体反应速度<30S; 4) 中毒性气体反应速度<10S;
5) 无论是可燃气体,还是中毒性气体报警点都任意可调;
6) 工作环境 (1)工作温度-20~40℃; (2)工作电压或电流为工作电源的电压或电流±10%波动; (3)本身要防爆、防中毒; (4)防振、防冲击、强度大。
热催化元件,存在双值现象;
输 出
缺氧使燃烧不充分
图 载体热催化元件输出特性
mV
0
5% 9.5%Байду номын сангаас
80%
CH4浓度
5、静态方程――热量平衡
载体热催化元件是利用甲烷与氧气在元件表面反
应的热效应来检测甲烷浓度的。元件在工作过程中的热
力学关系决定了它的工作特性,其中元件温度增量△T
是热力学关系中的中心变量。 工作时元件置于检测气室中,通工作电流,对于补 偿元件(白元件)由于工作电流加热功率转换后所获得的 热量Q。 Q I 2R (4-3-2) 式中 Q——元件获得的热量,W; I——元件工作电流,A; R——元件电阻,Ω。
四、载体热催化元件的工作特性 1、元件的活性:可燃气体燃烧速率。活性高,输出信号大; 2、稳定性:在新鲜空气与一定可燃气体环境中连续工作时间; 3、工作点和工作区间:元件的标准工作电压或电流(如1.2V);
元件的工作电流或电压变动时,元件的输出活性保持直线,电压
或电流变化范围称为工作区间(±10%); 4、输出特性:元件的输出与可燃气体浓度之间的关系,对于载体
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
热导率相差较大,所以测量高浓度时,精度高。但是如果被 测气体浓度较低,其热导率与空气的热导率相近,输出信号
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。 五、仪器 目前,热导型仪表型号繁多,有我国生产的LRD—1型甲 烷检定器和与煤矿安全生产监测系统相配接的KG3001型甲烷
稳压电源 声 报 警 驱 动 光 报 警 驱 动 报 警 信 号 发 生 器 报 警 信 号 锁 存 器
电源变换
本 安 型 电 池
过 冲 电保 路护
超 限 比 较
电 桥 电 路
A/D A/D
LED LED
转 换
逻 辑 电 路
控 制 开 关
数 字 显 示 转 换
工作选择
报警点选择
欠压、指示、控制
数字锁存
量浓度很低的甲烷时得到输出信号很小,
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 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,叫测量元件;另一支放置在充满地 面标准大气的密闭气室中,叫补偿元件,如图所示。工作时,当测量元件与补 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, 电桥输出一个与被测气体浓度变化成比例关系的电信号。
(3)元件的工作温度高(900~1000℃),铂丝升华严重,造 成零飘严重;
2、载体催化元件
1)载体催化元件组成
载体催化元件组成如图4-3-2 由铂丝线圈、载体和催化剂。
载体
催化剂
铂丝线圈
2)各部分功能
(1)铂丝线圈:
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 氧化状态;
B、把可燃气体在催化剂作用下燃烧生成的热量检测出来;
R2 R1
W1。电阻r2’并联在白元件r2上,补偿黑
白元件热学性质差异的元件,以改善电 桥的零点飘移。
调零电位器
图 载体热催化原件测量原理图
3.工作过程 传感器工作时,在恒流源作用下,有电流流过电桥四个臂。
无可燃气体气体时,电桥输出平衡;有可燃气体时,可燃气体
与氧气在黑元件表面进行无焰燃烧,放出热量被元件吸收引起 元件温度升高,使铂丝电阻增大。另一方面,白元件上无催化
第四章 气体检测
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。
二、本章主要内容
第一节 气体检测概述 第二节 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 测原理 第三节 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 体热催化元件的特性、可燃气体遥测报警断电仪 第四节 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 氧化碳和硫化氢检测报警器、红外线气体分析
补偿元件损耗的热量,包括周围空气带走的热量Q1,元 件向周围空间辐射散热Q2,元件铂丝通过引线传导散热Q3, 设环境温度为T0,补偿元件温度为Ti,热导功率与温度梯度 成正比,与热导面积成反比。
5、元件遇到高浓度可燃气体时,易损坏;
6、元件工作温度高,表面温度在300~400℃,而内部温度 可达700~800℃,对氢气有爆炸性。
二、热催化元件 1、纯铂丝催化元件 1)结构:如图所示。 2)特点
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