气体传感器工作原理

---气体传感器工作原理

1. 催化燃烧检测器

对于常见的可燃气 LEL 的检测,通常采用催化燃烧检测器。催化燃烧式传感器的核心为 一惠通斯电桥,其中一桥臂上有催化剂,当与可燃气体接触时,可燃气体在有催化剂的电桥 上燃烧,该桥臂的电阻发生变化,其余桥臂的电阻不变化,从而引起整个电路的输出发生变 化,而该变化与可燃气体的浓度成比例,从而实现对可燃气体的检测。

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从以上原理可知,通过该方法检测可燃气,它以催化燃烧为基础,所以它的分辨率较低。 该方法的分辨率一般为 1%LEL,大约为 100PPm 左右。所以对于有机气体毒性的检测不能 采用该检测方法。

LEL 传感器的灵敏度是以甲烷为代表的,由于不同气体燃烧产生的热量不同,一些分子 量较大的碳氢化合物蒸汽(例如汽油、煤油)等很难扩散到传感器电极表面进行充分燃烧, 因而输出灵敏度就较低。

常见气体在 LEL 传感器上的灵敏度与甲烷的比较见下表:

气体/蒸汽 LEL(Vol%) 灵敏度(%)
丙酮 2.2 45
氨气 15.0 125
1.2 40
乙烷 1.1 48
飞机燃料 0.8 30
甲烷 5.0 100
丁酮 1.8 38
丙烷 2.0 53
甲苯 1.2 40

2. 双量程可燃气传感器(LEL/TC)

LEL/TC 传感器是一种可检测气体的爆炸下限和体积百分比浓度的传感器,在检测甲烷 时可在 LEL 和 VOL 之间自动转换。

TC 传感器的工作原理是:当气体通过加热的线圈时引起冷却,气体热导部分的电阻降 低,达到检测的目的。由于每种气体的热导值是唯一的,只要检测的气体与对照物相比,几 乎任一种气体都可以用 TC 传感器进行检测。

TC 传感器也需要标定,可以直接用目标气体进行标定,也可以使用某一种参考气体(例 如甲烷)进行标定,再利用校正系数(CF)转换到目标气体浓度。

3 电化学检测器

对于常见有毒气体的检测,特别是无机毒气,一般采用专用的传感器进行检测。既定性

又定量进行检测。该类传感器大多为电化学传感器(也称燃料池传感器)。电化学传感器分 为二电极和三电极两种类型,由扩散栅、由金或铂等贵金属制成的传感电极(阴极) 、由铅锌 等金属制成的参比电极 (阳极) 、电解液(比如氢氧化钾溶液或醋酸钾溶液)等组成,三电 极传感器还增加有计数电极,另外还有外部湿度栅或过滤膜等,目标气体在传感电极上发生 反应,产生的电流通过对电极构成回路,参比电极为传感电极提供合适的偏值。传感器通过 参比电极与传感电极的催化剂实现选择性反应,即定性反应。回路产生的电流与气体的浓度 成正比,实现定量反应,并且有很宽的线性测量范围。

对于某些电活性较弱的气体,比如氢气和一氧化氮等,需要在计数电极上使用一个偏置 电压,这有助于传感器对特定化合物的检测。

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City 公司的 CO 传感器(司福斯特代理销售)

 

电化学传感器性能比较稳定、线性度好、寿命较长、耗电很小、分辨率一般可以达到 0.1ppm(随传感器不同有所不同)。它的温度适应性也比较宽(有时可以在-40 到 50°C 间 工作)。然而,它的读数温度变化的影响也比较大。所以很多这种仪器都有软硬件的温度补 偿处理。

电解液池中的参比电极是不断被消耗的,当电极的所有表面被氧化,电化学反应就将停 止,电流输出为零。此时,就要更换传感器。燃料池传感器的寿命大致可以维持一到两年。 电化学传感器的另一个缺点是干扰。例如氯气传感器会对 10ppm 的硫化氢有大约 0.3ppm 的读数,或者说,如果测量时存在 10ppm 的硫化氢,那么氯气的读数应当减去

0.3ppm。在某些情况下,干扰是正的,传感器的读数比实际值要大;有些则相反。还原性气 体,比如硫化氢和一氧化碳会在电极上氧化,而氧化性气体,比如氯气、二氧化氮和臭氧, 则在电极上还原。

氧气传感器:一般的氧气传感器为两电极传感器,由铅作阳极,它的检测原理与三电极大致 相似,只是不如三电极的传感器的输出稳定,寿命较短,大约为一年。

在大多数的仪器中,即使是在关机状态,传感器也在产生电流和消耗。有些仪器通过切 断电路避免电流流动来增加传感器的使用寿命。但这种方式的弊端在于仪器开启时重新平衡的时间加长(可能需要几分钟)。在重新平衡过程中,电流将重新流过电路。重新平衡需要 较长时间的原因是扩散到传感器上的氧气已经积聚到了电极之上,而去除氧气的办法就是通 过电化学反应将其转化为氧化铅。只有将积聚的氧气消耗殆尽才能得到准确的测量结果。一 般仪器的做法是采取仪器开启后“倒计时”的办法,读数开始会很高然后慢慢下降达到稳定数 值。如果仪器具有此项功能,则在仪器达到重新平衡之前不要进行调零或者校正操作。

 4 金属氧化物半导体传感器

金属氧化物半导体传感器(MOS)是一个宽带检测装置,既可以用于检测 ppm 级的有毒气体也可以用于检测百分比浓度的易燃易爆气体。

MOS 传感器由一个金属半导体(比如 SnO2)成。在清洁空气中,它的电导很低,而遇到还 原性气体,比如一氧化碳或可燃性气体,传感元件的电导会增加。如果控制传感元件的温度, 可以对不同的物质有一定的选择性。

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MOS 传感器的主要缺点是非线性响应、很难解释读数、灵敏度较差、湿度影响较大。 当湿度增加时,传感器的输出也增加。而当湿度降低时,它的读数即使在存在污染物时也可 能很低,甚至为零。有时由于选择曲线错误,可能会有误报警。另外一个问题是 MOS 传感 器对常见污染物的检测线性范围相对较窄。在线性范围之内,检测结果很准确,而一旦浓度 落在线性范围之外,也就无法提供准确的定量测定。

 5. 光离子化检测器 (PID)

光离子化检测器通过一个高能量的紫外灯提供离子化的能量,挥发性有机化合物被紫外光电离后的组份被离子腔收集产生电流,而电流与气体浓度成正比。

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紫外灯发出的能量决定了它所能检测的化合物的种类。现在可以选择的能量有 8.4、9.5、 9.8、10.0、10.2、10.6、11.7 和 11.8 eV(随制造商不同)。大多数的产品允许在同一台仪 器上使用不同能量的紫外灯。

PID 灯的选择与寿命 所选择的灯的能量越低,可能检测的化合物种类就越少,但灯的能量越高,它所受到的物理限制也就越多。通常,灯的能量越高,它的寿命就越短。PID 灯是由一个充满低压单一 气体或混合气体(氧气、氮气、氢气或氪气)的玻璃泡构成。通过电流和辐射波使这些气体 激发产生紫外光,光束通过一个窗口射出。较高能量的灯(11.7eV 和 11.8eV)的窗口材料是由 氟化锂制成的,它很容易吸收水分和被灯自己发出的紫外光照射而衰变。因此,高能量灯的 寿命比较短。在一般操作下可以使用 1 或 2 个月。另外,尽管高能量灯发出的能量会使更多 的物质离子化,但它产生的光通量却要比低能量灯少,这就意味着高能量灯的离子化电流比 较低也容易产生漂移。

通过选择灯的能量也可能改变选择性,比如,9.8eV 灯的能量输出已足够于检测苯(电 离能量 IP 为 9.24eV),但对于很多其它物质的离子化就不足,也就是无法检测到。9.8eV 灯 窗口材料采用氟化钙材料或者夹有氟化钙的三明治结构,寿命也较短,正常操作下可以持续 6 个月。

10.6eV 灯的窗口采用氟化镁材料,既不会吸收水蒸气也不会被紫外线损坏,因此 10.6 eV 灯的寿命较长,在一般操作下可以连续使用 1-2 年,同时,10.6eV 灯的能量也足以检测大多 数的 VOC,因此 10.6eV 灯的使用也就最广泛。

6. 红外传感器(IR)

特定物质的红外检测仪使用一个窄带红外光源。现有的检测仪可以检测二氧化碳、卤代 烃、甲烷和其它一些吸收明确的化合物。红外检测仪无法进行宽带扫描定性。这类仪器的强 项是检测那些非活性物质,比如二氧化碳等。这在密闭空间中也很有用。另外这类仪器也不 像催化燃烧式传感器那样存在高浓度硫、硅或其它物质的损坏问题。

 

7. 固态聚合体电解液(Solid Polymer Electrolyte-SPE)氧气传感器

SPE 氧气传感器的最新发展技术是开发一种不消耗电极材料的、固态聚合体电解液的传 感器。这类氧气传感器一般包括以下几部分:毛细管扩散栅、由多孔铂金制成的传感、计数 和工作电极、固态聚合物电解液、外部湿度栅或过滤膜、坚固的传感器室等。进入传感器的 氧气会扩散到固态聚合物之上,并在此发生反应,加在固态电解液上的电流使得电离的水产 生氧气,将氧气分子泵出电解液的电流量正比于采集到的大气中的氧气浓度。这种检测原理 也被称为“氧泵”传感器。

通过在参比电极上加上偏置电压,在仅限于扩散的情况下,传感电极的输出正比于根据 法拉第定律得到的氧气消耗速度。最后通过电阻将电流转化为电压信号。这种电极特别适合 于测量 0-25%体积的氧气浓度

同电化学氧传感器不同的是,固态氧传感器不消耗电极材料,它所消耗的仅仅是将电解 液中的氧气泵出的电能。这意味着这种传感器在理论上可以有 2-5 年的使用寿命。另外,由 于它们的无消耗设计,重量较小,特别适合于小型化设计。

SPE 传 感 器 符 合 RoHS ( the Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment 电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令)的要求。

RoHS 目前主要针对电子电气产品中的铅 Pb、镉 Cd、汞 Hg、六价铬 Cr6+、多溴联苯 PBBs、 多溴联苯醚 PBDEs 六种有害物质的使用进行限制,以后也将对更多的有害物质进行限制。

固态氧传感器的主要缺陷在于如果使其长时间在干燥环境中使用,其中的电解液可能会 干涸而没有任何电化学反应。此时,只要把传感器暴露于即使是很低湿度的空气中就会使电 解液重新“水化”并回复功能。

发布者 | 2018-09-20T15:32:54+00:00 十二月 2nd, 2015|Blog|气体传感器工作原理已关闭评论
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