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；
述
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