六種常見氣體檢測傳感器，你知道幾個？
目前氣體儀器儀表測量原理應用比較多的有電化學、催化燃燒、紅外、pid光離子化、熱裂解、熱導等，下面對測量原理進行介紹。
催化燃燒
催化燃燒式傳感器是一種傳統(tǒng)的氣體濃度檢測傳感器，也稱催化可燃氣體傳感器。該傳感器由jonson于1923年研制，至今一直占據(jù)市場的主導地位。它可以便宜地制造，并可用于檢測大多數(shù)可燃氣體。因此，在石化等行業(yè)中具有廣泛的應用。
該傳感器的檢測原理如下：當可燃氣體與傳感器表面的氣敏材料接觸時，會發(fā)生氧化反應，進而產(chǎn)生熱量變化。在電場作用下，這種熱量變化就被轉(zhuǎn)化為電阻變化，從而實現(xiàn)了對目標氣體濃度的快速檢測。催化燃燒式傳感器通常基于單臂電橋（又稱惠斯通電橋）進行設計，如圖1所示。貴金屬鉑金線圈嵌入陶瓷顆粒中，當電流通過線圈時，熱能被釋放出來，使得陶瓷顆粒及其內(nèi)部的線圈溫度升高。因而改變電阻信號并可通過測定電阻值的變化，來獲得可燃氣體的濃度信息。像固定式氣體檢測報警器測量氫、可燃氣體就是利用催化燃燒原理。
圖1 催化燃燒式傳感器中惠斯通電橋及核心陶瓷顆粒結構
電化學法
在20世紀80年代發(fā)明的電化學傳感器通常用于檢測密閉空間內(nèi)氣體的含量。舉例如下：測定氮氣制造車間、地下倉庫等地點的氧氣含量，以確保工作環(huán)境的氧氣充足；另外，也可用于檢測化工車間、礦井中有害氣體的含量（如一氧化碳、二氧化氮），以保證工人的安全。
通過測量氣體在電極上的氧化還原反應引起的電流強度，可以表征氣體濃度。按照電極數(shù)量，電化學傳感器分為兩電極和三電極型。在兩電極型傳感器中，感應電極的一端位于電解質(zhì)中，另一端暴露于空氣中，氧氣是電子受體。當目標氣體分子擴散到電極時，會發(fā)生氧化還原反應，并在外部電路中產(chǎn)生電流。感應電極上發(fā)生氧化反應時，對電極則發(fā)生還原反應，反之亦然。相比于兩電極型，三電極化學傳感器還附帶一個參比電極，如圖2所示。通過恒電位儀將電流信號放大后，可用微安表定量地顯示感應電極發(fā)生的氧化或還原反應的氣體量。傳感器中的穩(wěn)壓電路能保證氣體穩(wěn)定擴散，從而使輸出電流強度和測得的氣體濃度之間呈現(xiàn)較佳的線性關系。
圖2 三電極型電化學傳感器結構示意圖
電化學傳感器適用于檢測具有電化學活性的氣體。與催化燃燒式傳感器相比，待測氣體經(jīng)過電化學傳感器時具有相對穩(wěn)定的擴散勢壘，所需的檢測功率也較低。需要注意的是，一些無電化學活性的氣體也有可能會與傳感器中的某些成分發(fā)生反應，從而產(chǎn)生交叉反應，導致檢測滯后，影響測定結果的準確性。此外，電化學傳感器對溫度和濕度的變化非常敏感，同時易受堿金屬、酸性/堿性氣體的腐蝕，因此在使用電化學傳感器時，需要對檢測環(huán)境進行預估評判。
比如氧分析儀、便攜二合一氣體報警器、便攜四合一氣體報警器的傳感器都涉及到電化學。
紅外光譜
紅外傳感器基于氣體分子的近紅外光譜選擇性吸收特性，用于檢測大多數(shù)碳氫類氣體。常規(guī)的紅外傳感器由紅外光源、樣品池和熱釋電探測器三部分組成（如圖3所示）。紅外光源能產(chǎn)生穩(wěn)定且強度相等的光束，通過反射鏡反射至安裝有參比濾光片和檢測濾光片的檢測器中。當氣體分子進入樣品池后，會吸收特征波長的紅外光，導致該波長紅外光強度減弱，據(jù)此按朗伯-比爾定律計算待測氣體濃度。同時，引入?yún)⒈刃盘柨梢杂行У販p少光源不穩(wěn)定帶來的檢測誤差。
圖3 紅外傳感器結構示意圖
紅外傳感器可在低氧條件下進行檢測，且由于待測氣體與傳感器無直接接觸，因此特別適用于檢測腐蝕性和反應性氣體。紅外傳感器的另一優(yōu)點是克服了催化燃燒式傳感器過熱易損耗的缺陷。需要注意的是，紅外傳感器無法檢測由同一種原子構成的氣體分子，如氧氣、氫氣、氮氣等。這是因為同構分子中電子的分布是均衡的，其與紅外線相互作用不會引起能量轉(zhuǎn)移，因此紅外傳感器無法檢測這些氣體分子。紅外傳感器針對二氧化碳和一些揮發(fā)性有機氣體的檢測具有極大的優(yōu)勢, 并且只需要每年進行一次零點檢查。
pid光離子化
作為一種高靈敏度的氣體檢測設備，光離子化檢測器使用紫外燈電離，并且對被測氣體無破壞。光離子化檢測器具有體積小、響應時間短和精度高等優(yōu)點，因此非常適合被設計為vocs檢測設備。
當被測氣體(vocs)進入電離室時，在光離子化檢測器中紫外燈會照射其內(nèi)部，如圖4所示。不同物質(zhì)具有不同的電離勢能，在紫外燈的電離勢能超過被測氣體的電離勢能時，被測氣體中的物質(zhì)即會發(fā)生電離。在極板電壓的作用下，電離后的被測氣體定向移動并最終被收集到收集板上。由于被測氣體濃度與電流信號成正比，在后續(xù)處理過程中，經(jīng)過放大濾波等電路的處理，可以實現(xiàn)對被測氣體的檢測。揮發(fā)性有機化合物檢測儀就是利用的pid傳感器進行氣體檢測。
圖4 光離子化工作原理
熱導
熱導式傳感器使用可燃氣體與空氣的熱導率差異來測定氣體濃度，其結構與傳統(tǒng)催化燃燒式傳感器類似，但不同之處在于熱導式傳感器中惠斯通電橋增加了補償微珠。當待測氣體的熱導率高于作為參考的空氣時，測量微珠將損失更多熱量，導致電阻變化，進而輸出電壓以實現(xiàn)氣體濃度的測定。由于該檢測原理是基于熱導率的，因此當以空氣為參考氣體時，熱導式檢測器適用于檢測熱導率比空氣高的低相對分子質(zhì)量氣體，例如氫氣、甲烷和氦氣等。對于熱導率與空氣相近的氣體如二氧化碳、氧氣、氮氣等，則需要使用氫氣或氦氣作為參考氣體。
熱導式傳感器的優(yōu)勢在于使用過程中不涉及催化過程，無需氧氣供應，特別適用于石化煉油廠、工業(yè)氣體排放/泄漏等含有高濃度可燃氣體的檢測。值得注意的是該類傳感器受空氣濕度的影響較大，因此測定環(huán)境需要維持較穩(wěn)定的溫度和濕度，并且需要定期對傳感器進行手動校準。氫分析儀就是利用熱導原理進行氣體檢測。
熱裂解以三氟化氮為例，通過超高溫裂解+電化學原理進行檢測，采用精確的加熱控制和結構設計保證裂解效率（裂解溫度600度），大大減少了生成產(chǎn)物的種類，減小了交叉干擾，裂解反應化學方程式為：nf3+h2o->no+no2+... 。然后采用mo2等作為轉(zhuǎn)化劑將no轉(zhuǎn)化為no2，然后根據(jù)電化學傳感器檢測生成產(chǎn)物no2的濃度就可以反向推算出三氟化氮氣體的濃度。
圖5 三氟化氮氣體傳感器探頭組成原理圖
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催化燃燒式傳感器是一種傳統(tǒng)的氣體濃度檢測傳感器，也稱催化可燃氣體傳感器。該傳感器由jonson于1923年研制，至今一直占據(jù)市場的主導地位。它可以便宜地制造，并可用于檢測大多數(shù)可燃氣體。因此，在石化等行業(yè)中具有廣泛的應用。
該傳感器的檢測原理如下：當可燃氣體與傳感器表面的氣敏材料接觸時，會發(fā)生氧化反應，進而產(chǎn)生熱量變化。在電場作用下，這種熱量變化就被轉(zhuǎn)化為電阻變化，從而實現(xiàn)了對目標氣體濃度的快速檢測。催化燃燒式傳感器通常基于單臂電橋（又稱惠斯通電橋）進行設計，如圖1所示。貴金屬鉑金線圈嵌入陶瓷顆粒中，當電流通過線圈時，熱能被釋放出來，使得陶瓷顆粒及其內(nèi)部的線圈溫度升高。因而改變電阻信號并可通過測定電阻值的變化，來獲得可燃氣體的濃度信息。像固定式氣體檢測報警器測量氫、可燃氣體就是利用催化燃燒原理。
圖1 催化燃燒式傳感器中惠斯通電橋及核心陶瓷顆粒結構
電化學法
在20世紀80年代發(fā)明的電化學傳感器通常用于檢測密閉空間內(nèi)氣體的含量。舉例如下：測定氮氣制造車間、地下倉庫等地點的氧氣含量，以確保工作環(huán)境的氧氣充足；另外，也可用于檢測化工車間、礦井中有害氣體的含量（如一氧化碳、二氧化氮），以保證工人的安全。
通過測量氣體在電極上的氧化還原反應引起的電流強度，可以表征氣體濃度。按照電極數(shù)量，電化學傳感器分為兩電極和三電極型。在兩電極型傳感器中，感應電極的一端位于電解質(zhì)中，另一端暴露于空氣中，氧氣是電子受體。當目標氣體分子擴散到電極時，會發(fā)生氧化還原反應，并在外部電路中產(chǎn)生電流。感應電極上發(fā)生氧化反應時，對電極則發(fā)生還原反應，反之亦然。相比于兩電極型，三電極化學傳感器還附帶一個參比電極，如圖2所示。通過恒電位儀將電流信號放大后，可用微安表定量地顯示感應電極發(fā)生的氧化或還原反應的氣體量。傳感器中的穩(wěn)壓電路能保證氣體穩(wěn)定擴散，從而使輸出電流強度和測得的氣體濃度之間呈現(xiàn)較佳的線性關系。
圖2 三電極型電化學傳感器結構示意圖
電化學傳感器適用于檢測具有電化學活性的氣體。與催化燃燒式傳感器相比，待測氣體經(jīng)過電化學傳感器時具有相對穩(wěn)定的擴散勢壘，所需的檢測功率也較低。需要注意的是，一些無電化學活性的氣體也有可能會與傳感器中的某些成分發(fā)生反應，從而產(chǎn)生交叉反應，導致檢測滯后，影響測定結果的準確性。此外，電化學傳感器對溫度和濕度的變化非常敏感，同時易受堿金屬、酸性/堿性氣體的腐蝕，因此在使用電化學傳感器時，需要對檢測環(huán)境進行預估評判。
比如氧分析儀、便攜二合一氣體報警器、便攜四合一氣體報警器的傳感器都涉及到電化學。
紅外光譜
紅外傳感器基于氣體分子的近紅外光譜選擇性吸收特性，用于檢測大多數(shù)碳氫類氣體。常規(guī)的紅外傳感器由紅外光源、樣品池和熱釋電探測器三部分組成（如圖3所示）。紅外光源能產(chǎn)生穩(wěn)定且強度相等的光束，通過反射鏡反射至安裝有參比濾光片和檢測濾光片的檢測器中。當氣體分子進入樣品池后，會吸收特征波長的紅外光，導致該波長紅外光強度減弱，據(jù)此按朗伯-比爾定律計算待測氣體濃度。同時，引入?yún)⒈刃盘柨梢杂行У販p少光源不穩(wěn)定帶來的檢測誤差。
圖3 紅外傳感器結構示意圖
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作為一種高靈敏度的氣體檢測設備，光離子化檢測器使用紫外燈電離，并且對被測氣體無破壞。光離子化檢測器具有體積小、響應時間短和精度高等優(yōu)點，因此非常適合被設計為vocs檢測設備。
當被測氣體(vocs)進入電離室時，在光離子化檢測器中紫外燈會照射其內(nèi)部，如圖4所示。不同物質(zhì)具有不同的電離勢能，在紫外燈的電離勢能超過被測氣體的電離勢能時，被測氣體中的物質(zhì)即會發(fā)生電離。在極板電壓的作用下，電離后的被測氣體定向移動并最終被收集到收集板上。由于被測氣體濃度與電流信號成正比，在后續(xù)處理過程中，經(jīng)過放大濾波等電路的處理，可以實現(xiàn)對被測氣體的檢測。揮發(fā)性有機化合物檢測儀就是利用的pid傳感器進行氣體檢測。
圖4 光離子化工作原理
熱導
熱導式傳感器使用可燃氣體與空氣的熱導率差異來測定氣體濃度，其結構與傳統(tǒng)催化燃燒式傳感器類似，但不同之處在于熱導式傳感器中惠斯通電橋增加了補償微珠。當待測氣體的熱導率高于作為參考的空氣時，測量微珠將損失更多熱量，導致電阻變化，進而輸出電壓以實現(xiàn)氣體濃度的測定。由于該檢測原理是基于熱導率的，因此當以空氣為參考氣體時，熱導式檢測器適用于檢測熱導率比空氣高的低相對分子質(zhì)量氣體，例如氫氣、甲烷和氦氣等。對于熱導率與空氣相近的氣體如二氧化碳、氧氣、氮氣等，則需要使用氫氣或氦氣作為參考氣體。
熱導式傳感器的優(yōu)勢在于使用過程中不涉及催化過程，無需氧氣供應，特別適用于石化煉油廠、工業(yè)氣體排放/泄漏等含有高濃度可燃氣體的檢測。值得注意的是該類傳感器受空氣濕度的影響較大，因此測定環(huán)境需要維持較穩(wěn)定的溫度和濕度，并且需要定期對傳感器進行手動校準。氫分析儀就是利用熱導原理進行氣體檢測。
熱裂解以三氟化氮為例，通過超高溫裂解+電化學原理進行檢測，采用精確的加熱控制和結構設計保證裂解效率（裂解溫度600度），大大減少了生成產(chǎn)物的種類，減小了交叉干擾，裂解反應化學方程式為：nf3+h2o->no+no2+... 。然后采用mo2等作為轉(zhuǎn)化劑將no轉(zhuǎn)化為no2，然后根據(jù)電化學傳感器檢測生成產(chǎn)物no2的濃度就可以反向推算出三氟化氮氣體的濃度。
圖5 三氟化氮氣體傳感器探頭組成原理圖
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