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六種常見(jiàn)氣體檢測(cè)傳感器,，你知道幾個(gè)？
目前氣體儀器儀表測(cè)量原理應(yīng)用比較多的有電化學(xué),、催化燃燒,、紅外、PID光離子化,、熱裂解,、熱導(dǎo)等，下面對(duì)測(cè)量原理進(jìn)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(cè)傳感器,，也稱催化可燃?xì)怏w傳感器。該傳感器由jonson于1923年研制,，至今一直占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位,。它可以便宜地制造，并可用于檢測(cè)大多數(shù)可燃?xì)怏w,。因此,，在石化等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。
該傳感器的檢測(cè)原理如下：當(dāng)可燃?xì)怏w與傳感器表面的氣敏材料接觸時(shí),，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng),，進(jìn)而產(chǎn)生熱量變化。在電場(chǎng)作用下,，這種熱量變化就被轉(zhuǎn)化為電阻變化,，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)氣體濃度的快速檢測(cè)。催化燃燒式傳感器通?；趩伪垭姌颍ㄓ址Q惠斯通電橋）進(jìn)行設(shè)計(jì),，如圖1所示。貴金屬鉑金線圈嵌入陶瓷顆粒中，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí),，熱能被釋放出來(lái),，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(hào)并可通過(guò)測(cè)定電阻值的變化,，來(lái)獲得可燃?xì)怏w的濃度信息,。像固定式氣體檢測(cè)報(bào)警器測(cè)量氫、可燃?xì)怏w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(jié)構(gòu)
電化學(xué)法
在20世紀(jì)80年代發(fā)明的電化學(xué)傳感器通常用于檢測(cè)密閉空間內(nèi)氣體的含量,。舉例如下：測(cè)定氮?dú)庵圃燔囬g、地下倉(cāng)庫(kù)等地點(diǎn)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(cè)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(guò)測(cè)量氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)引起的電流強(qiáng)度,，可以表征氣體濃度。按照電極數(shù)量,，電化學(xué)傳感器分為兩電極和三電極型,。在兩電極型傳感器中，感應(yīng)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(dāng)目標(biāo)氣體分子擴(kuò)散到電極時(shí),，會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng),，并在外部電路中產(chǎn)生電流。感應(yīng)電極上發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí),，對(duì)電極則發(fā)生還原反應(yīng),，反之亦然。相比于兩電極型,，三電極化學(xué)傳感器還附帶一個(gè)參比電極,，如圖2所示。通過(guò)恒電位儀將電流信號(hào)放大后,，可用微安表定量地顯示感應(yīng)電極發(fā)生的氧化或還原反應(yīng)的氣體量,。傳感器中的穩(wěn)壓電路能保證氣體穩(wěn)定擴(kuò)散，從而使輸出電流強(qiáng)度和測(cè)得的氣體濃度之間呈現(xiàn)較佳的線性關(guān)系,。
圖2 三電極型電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
電化學(xué)傳感器適用于檢測(cè)具有電化學(xué)活性的氣體,。與催化燃燒式傳感器相比，待測(cè)氣體經(jīng)過(guò)電化學(xué)傳感器時(shí)具有相對(duì)穩(wěn)定的擴(kuò)散勢(shì)壘，所需的檢測(cè)功率也較低,。需要注意的是,，一些無(wú)電化學(xué)活性的氣體也有可能會(huì)與傳感器中的某些成分發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生交叉反應(yīng),，導(dǎo)致檢測(cè)滯后,，影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外,，電化學(xué)傳感器對(duì)溫度和濕度的變化非常敏感,，同時(shí)易受堿金屬、酸性/堿性氣體的腐蝕,，因此在使用電化學(xué)傳感器時(shí),，需要對(duì)檢測(cè)環(huán)境進(jìn)行預(yù)估評(píng)判,。
比如氧分析儀,、便攜二合一氣體報(bào)警器、便攜四合一氣體報(bào)警器的傳感器都涉及到電化學(xué),。
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(cè)大多數(shù)碳?xì)漕悮怏w。常規(guī)的紅外傳感器由紅外光源,、樣品池和熱釋電探測(cè)器三部分組成（如圖3所示）,。紅外光源能產(chǎn)生穩(wěn)定且強(qiáng)度相等的光束，通過(guò)反射鏡反射至安裝有參比濾光片和檢測(cè)濾光片的檢測(cè)器中,。當(dāng)氣體分子進(jìn)入樣品池后,，會(huì)吸收特征波長(zhǎng)的紅外光，導(dǎo)致該波長(zhǎng)紅外光強(qiáng)度減弱,，據(jù)此按朗伯-比爾定律計(jì)算待測(cè)氣體濃度,。同時(shí)，引入?yún)⒈刃盘?hào)可以有效地減少光源不穩(wěn)定帶來(lái)的檢測(cè)誤差,。
圖3 紅外傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
紅外傳感器可在低氧條件下進(jìn)行檢測(cè),，且由于待測(cè)氣體與傳感器無(wú)直接接觸，因此特別適用于檢測(cè)腐蝕性和反應(yīng)性氣體,。紅外傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)是克服了催化燃燒式傳感器過(guò)熱易損耗的缺陷,。需要注意的是，紅外傳感器無(wú)法檢測(cè)由同一種原子構(gòu)成的氣體分子,，如氧氣,、氫氣、氮?dú)獾?。這是因?yàn)橥瑯?gòu)分子中電子的分布是均衡的,，其與紅外線相互作用不會(huì)引起能量轉(zhuǎn)移，因此紅外傳感器無(wú)法檢測(cè)這些氣體分子。紅外傳感器針對(duì)二氧化碳和一些揮發(fā)性有機(jī)氣體的檢測(cè)具有極大的優(yōu)勢(shì), 并且只需要每年進(jìn)行一次零點(diǎn)檢查,。
PID光離子化
作為一種高靈敏度的氣體檢測(cè)設(shè)備,，光離子化檢測(cè)器使用紫外燈電離，并且對(duì)被測(cè)氣體無(wú)破壞,。光離子化檢測(cè)器具有體積小,、響應(yīng)時(shí)間短和精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合被設(shè)計(jì)為VOCs檢測(cè)設(shè)備,。
當(dāng)被測(cè)氣體(VOCs)進(jìn)入電離室時(shí),，在光離子化檢測(cè)器中紫外燈會(huì)照射其內(nèi)部，如圖4所示,。不同物質(zhì)具有不同的電離勢(shì)能,，在紫外燈的電離勢(shì)能超過(guò)被測(cè)氣體的電離勢(shì)能時(shí)，被測(cè)氣體中的物質(zhì)即會(huì)發(fā)生電離,。在極板電壓的作用下,，電離后的被測(cè)氣體定向移動(dòng)并最終被收集到收集板上。由于被測(cè)氣體濃度與電流信號(hào)成正比,，在后續(xù)處理過(guò)程中,，經(jīng)過(guò)放大濾波等電路的處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體的檢測(cè),。揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測(cè)儀就是利用的PID傳感器進(jìn)行氣體檢測(cè),。
圖4 光離子化工作原理
熱導(dǎo)
熱導(dǎo)式傳感器使用可燃?xì)怏w與空氣的熱導(dǎo)率差異來(lái)測(cè)定氣體濃度，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)催化燃燒式傳感器類似,，但不同之處在于熱導(dǎo)式傳感器中惠斯通電橋增加了補(bǔ)償微珠,。當(dāng)待測(cè)氣體的熱導(dǎo)率高于作為參考的空氣時(shí)，測(cè)量微珠將損失更多熱量,，導(dǎo)致電阻變化,，進(jìn)而輸出電壓以實(shí)現(xiàn)氣體濃度的測(cè)定。由于該檢測(cè)原理是基于熱導(dǎo)率的,，因此當(dāng)以空氣為參考?xì)怏w時(shí),，熱導(dǎo)式檢測(cè)器適用于檢測(cè)熱導(dǎo)率比空氣高的低相對(duì)分子質(zhì)量氣體，例如氫氣,、甲烷和氦氣等,。對(duì)于熱導(dǎo)率與空氣相近的氣體如二氧化碳、氧氣,、氮?dú)獾?，則需要使用氫氣或氦氣作為參考?xì)怏w。
熱導(dǎo)式傳感器的優(yōu)勢(shì)在于使用過(guò)程中不涉及催化過(guò)程,，無(wú)需氧氣供應(yīng),，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?xì)怏w的檢測(cè)。值得注意的是該類傳感器受空氣濕度的影響較大,，因此測(cè)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(duì)傳感器進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)。氫分析儀就是利用熱導(dǎo)原理進(jìn)行氣體檢測(cè),。
熱裂解
以三氟化氮為例,，通過(guò)超高溫裂解+電化學(xué)原理進(jìn)行檢測(cè)，采用精確的加熱控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)化學(xué)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(xué)傳感器檢測(cè)生成產(chǎn)物NO2的濃度就可以反向推算出三氟化氮?dú)怏w的濃度。
圖5 三氟化氮?dú)怏w傳感器探頭組成原理圖