检测气体浓度

浅谈气体浓度检测技术

1 采用超声技术检测气体浓度

所采用的传感器：传感器（换能器）。各厂家生产的换能器不但结构不同，而且适用的气体条件(温度、压力等)、管道条件(材质、形状、管径、直管长度等)和安装条件等也各不相同，此外，换能器还与测量中声道的设置方法有关，声道的设置方法与测量精度和重复性等密切相关，因此换能器的选择对仪器测量精确度有很大的影响口。由于在固体和气体界面间超声波传播的效率非常低，因此气体换能器一般只能用直射式换能器。为保证测量精度，在选用换能器时首先应仔细分析气体检测现场的条件，选用频率段合适的换能器。

布置方法：采用两对超声换能器，使得只要测量出超声波在两对超声换能器之间的传播时间，就可以根据本文中的计算公式快速地得到目标气体的浓度，而不必考虑温度的影响。

1.1 基本原理

气体浓度的超声检测方法可分为单通道检测和多通道检测2种，这2种方法在通道内声波脉冲的发射和接收的基本原理都是一样的。气体浓度的超声检测法适用于二元混合气体，甚至多元混合气体中单种气体组分的微量检测。二元混合气体在常温常压下可以看作是理想气体，超声波是以很高速度作小振幅振动从而在气体中传播的，其过程可以看作是绝热过程。气体可用状态方程来描述： 设气体a 和b 的质量定压热容分别为PA C 和PB C ，质量定容热容分别为VA C 和VB C ，相对分子质量分别为RA M 和RB M ，则二元混合气体的平均质量定压定容热容γ和平均相对分子质量R M 分别为：

VB PB

C n C n )1(nC )1(nC VA PA -+-+=γ和RB RA R M nM M )n 1(-+=

式中，n 为气体a 在混合气中的浓度。而混合气体的平均声速为：

R M RT C γ=

2 (1-1) 式中，T 为气体的热力学温度，R 为气体常数，若命 R M RT C Y γ==2 (1-2)

则可通过测量超声脉冲在固定声程L 中的传播时间t ，由C =L/t 求得声速，代入式即可得到Y 的值。由以上诸式整理可得：

02=++C BN AN (1-3)

由于10≤≤N ，因此由式(1-3)可解得气体a 的浓度为：

A AC

B B N 242-+-=

其中A ，B ，C 均为Y 的函数。

PA

VB RB PB

PA VB RB VA RB VB RA VB

RB VB RA VB RB VA RA C Y C M C C C C M C M C M B C M C M C M C M A -=+--+=--+=)2(

1.2 超声技术检测气体浓度的优缺点

气体浓度的超声检测法为非接触式测量，具有测量范围宽、无节流、量程比高、测量精度高、适应性强等优点，而且测试设备体积小，无需维护，使用寿命长。与传统检测方法相比，在气体浓度检测领域占有明显的优势。气体浓度的超声检测法克服了传统检测方法本身固有的缺点，在大流量、大管径的气体浓度检测领域，完全可以适应未来高精度测量的挑战，继续保持在气体浓度检测领域中的领先地位。不足之处在于各厂家生产的换能器不但结构不同，而且适用的气体条件(温度、压力等)、管道条件(材质、形状、管径、直管长度等)和安装条件等也各不相同，此外，换能器还与测量中声道的设置方法有关。由于在固体和气体界面间超声波传播的效率非常低，因此气体换能器一般只能用直射式换能器。为保证测量精度，同时在选用换能器时首先应仔细分析气体检测现场的条件，选用频率段合适的换能器。

2 基于光干涉原理测气体浓度

传感器：主要采用光学器件。

布置方法：光路布置原理图如下：

2.1 基本原理

应用光干涉现象测定瓦斯浓度的测试原理如图l 。其中l 是光源；2是聚光镜；3是平面镜；4是平行玻璃；5是气室；6是折光棱镜；7是反射系统；8是望远镜系统。光源发出的光经聚光镜2后变成平行光束，该平行光束射到a 点后分为两束，一束经a 一b 一c 一d 一e 一f 一g ，一束经a 一b'一c'一d'一f 一g ，两束光在气室中通过两次后会聚于f 点，再经g 点反射进入望远镜系统。这样由同一光源发出的光波被平面镜分为两束光，经不同路线后又汇集成一束光，发生光干涉现象，产生干涉条纹。从望远镜中可以观察到白光光源的干涉现象；中央为白条纹，其两侧各有一条黑条纹，其余是以中央白条纹对称的彩色条纹。在一定的大气压和温度的条件下，当气室的空气室A 和验气室B 均充以同样纯净的空气时，两光束的光程相同，光程差为零，形成稳定不动的干涉条纹。如果把这种情况下干涉条纹的位置作为零级条纹的位置，那么，一旦验气室B 中的纯净空气被空气和其它气体的混合气体所取代时，则由于折射率的变化使光程差发生了变化。从而干涉条纹的位置发生移动。干涉条纹位置的移动量可直接从望远镜的分划板上读出，小数部分从测微刻度盘上读取。位移量取决于被测气体的浓度。

设气室长度为L/2，在压强为P ，温度为T 条件下，甲烷气体的折射率为P N ，空气室A 中空气折射率为E

N ，验气室B 中甲烷和空气的混合气体折射率为N'，混合气体中甲烷含量为X/100，则：

E P N X XN N )100

1(100'-+= (2-1) 那么通过气室A 、B 两光束的光程差为：E N L N -'。设所用单色光波长为λ，则有：

λN N L N E =-' (2-2) 式中N 为干涉条纹移动量。由(2- l)、(2-2)两式得：

λN L N N X E P =-)(100

(2-3) 由(2-3)式可看出测得干涉条纹的位移量，也就测得了甲烷气体的浓度。 测定其它气体时，仪器上所示读数不是被测气体的实际含量，还必须换算。在空气中测定其它气体时，换算系数为Q ： A

B E P N N N N Q --= 式中P N =1。000411，A N =l 。00072，分别为甲烷和空气在760mmHg ，20℃

时的折射率。A

N 为被测气体的折射率。如测得2CO 含量的读数为X ，则实际含量为QX 。

2.2 光干涉原理测气体浓度的优缺点

在检测甲烷气体浓度时可以采用光干涉型甲烷测定器，既直观又方便，同时校正方法简单方便，寿命长，特别适用于恶劣的有害气体环境，有效预防事故的发生。

3 基于红外吸收光谱检测气体浓度

传感器：光谱吸收式光纤气体传感器，基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱的一致性原理。当光通过某种介质时，利用介质对光吸收而使光衰减这一特性研制成吸收型气体传感器。

3.1 基本原理

根据朗伯－比尔(Lambert-Beer)定律，假定气体分子在波长λ处存在吸收峰，则有

(3-1) 式中，Ｉ(λ)是透射光强，()λ0I 是入射光强，()λα为波长在λ处的吸收系

数，c 为待测气体浓度，l 为光和气体作用长度即吸收长度。为消除光源波动和光路中产生的干扰，引入了双波长差分技术，即引入一个瓦斯吸收峰以外的参考波长，由

(3-2)