《气体检测原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气体检测原理（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章气体检测26.1气体检测的基本概述26.2常见气体检测及其传感器应用36.2.1可燃性气体检测36.2.2 CO气体检测66.2.3 CO2气体检测66.2.4瓦斯气体检测106.2.5PM2.5 检测13第六章气体检测目前，我国的经济社会发展即将面对为数有限的大自然能源资源和急待需要保护的自然 环境这一矛盾，自然资源和生态环境问题成为持续发展所必须关注的重中之重，我们需要摒 弃高能耗、高污染的增长方式。所以工业企业生产环节更要重视对环境的保护。举例来说， 甲醛、工业灰飞、CO、SO2等有毒有害气体是工业企业、煤矿等工矿企业重要的危害源之一， 是危害人们身体健康、导致企业事故的众多因素之
2、一，很多工矿企业甚至家庭都装备了不同 种类的有毒气体检测监控系统。随着国家对企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的 需要，对有毒害气体进行检测的小装置和净化器和应运而生。企业使用的检测装置要求能够 满足一般的气体浓度实时显示要求、并具备蜂鸣、指示灯报警以及信号传送要求。6.1气体检测的基本概述随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。这 些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重 危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内 部浓度梯度的作用下，气体会沿着地表面扩散，在事故现场形成燃烧
3、爆炸或毒害危险区，扩 大危害区域。例如，1995年7月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造 成3人死亡，6人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的 氯气味。因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。一旦 发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。及 时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法， 减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监 测设备提出了较高的要求。作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发 展
4、。气体传感器的发展使得其应用越来越广泛。危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安 全，仍然会出现万有一失的情况。因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体 或液体（蒸汽）检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要意义。有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空 气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况:(1) 泄漏检测：设备管道有害气体或液体(蒸汽)现场所泄漏检测报警，设备管道运行 检漏。(2) 检修检测：设备检修置换后检测残留有害气体或液体(蒸汽)，特别是动火前检测
5、 更为重要。(3) 应急检测：生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体 或液体(蒸汽)进行检测。(4) 进入检测：工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或 设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸汽。(5) 巡回检测：安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸汽。随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污 染问题。工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污 染日益严重。一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。一氧化碳 是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结合的能力是氧的
6、240倍，它与血红素形成 稳定的络合物，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。一氧 化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火 灾的重要标志之一。为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污 染的产生。国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过50ppm。我国环境保 护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。6.2常见气体检测及其传感器应用6.2.1可燃性气体检测1. 可燃性气体检测的原理可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。可燃气体探测器有催化 型、红外光学型两种类型。
7、催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当 可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应(无焰燃烧)，其产生的热量使铂丝的温 度升高，而伯丝的电阻率便发生变化。红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可 燃气体。烷烃类可燃气体探测器结实耐用，操作简便的智能型可燃气体探测器，被设计用以检测 可燃性烷烃类气体浓度在爆炸下限0-100%的变化。这种探测器使用一种获得专利的“小型即插型可更换”红外线光学传感器。红外线传感 器的特点是长时间的工作稳定性及最少的阶段性维护。红外线气体传感器在某些测量环境下 是对于传统的催化燃烧式传感器红外线
8、可燃气体探测器属于无干扰智能型产品，具有良好的 安全性能，操作灵活简便。这种探测器的一个主要的特点是它的自动校准功能，可以通过带 背光的液晶显示屏上的提示一步步地引导操作者进行校准。红外线气体探测器提供三种不同 的输出方式：模拟信号4-20mA直流电；RS-485通讯接口及3个继电器（两个报警，一个故 障自检）。可对警铃进行现场调试和编程。这些不同的输出方式为系统建立提供了最大的灵 活性。则只提供420MA直流电的输出。控制电路以微处理芯片为基础，封装成一个即插型 模块并被连在标准的连接模板上。传感器及信号发生器被安装在一个防爆机壳内，机壳上有 玻璃罩。带有背光的数字显示屏既可显示传感器读数也
9、可在编程时显示菜单功能。图6-2可燃性气体检测电路该可燃气体报警器电路由气敏传感器、多谐振荡器和音频输出电路组成，如图所示。多 谐振荡器由与非门集成电路IC内部的两个与非门（Dl和D2）和外围阻容元件组成。音频输 出电路由电阻器R5、音频放大管V和扬声器BL组成。当室内的可燃气体浓度在允许范围内 （低于限定值）时，气敏传感器a、b端之间阻值较大，b端（IC的l脚）输出电压较低，多谐 振荡器不工作，扬声器BL中无声音。当煤气或天然气泄漏，使室内的可燃气体体积分数超 过限定值时，气敏传感器b端的输出电压高于IC内Dl的转换电压时，多谐振荡器工作，从 IC的4脚输出振荡信号。该信号经V放大后，推动扬
10、声器BL发出报警声。调节R2的电阻 值，使气敏传感器c、d之间的电压为4.5V。元器件选择Rl选用1/2W碳膜电阻器;R2选用 小型密封式可变电阻器;R3-R6均选用1/4W碳膜电阻器。Cl选用高频瓷介电容器;C2选用耐 压值为16V的铝电解电容器。VS选用1/2W、6.8V稳压二极管。V选用S9013或C805O硅NPN 型晶体管IC选用CD401l或MC4011四与非门集成电路。传感器可选用国产QM-N2气敏传 感器件。图6-3可燃性气体内部电路图中，R1是传感器要求的负载电阻，阻值为120 Q, Vcc为5V电源电压;A、B为LM358 双运放，A为跟随器，起缓冲隔离作用，以便将R1上的
11、电压VR1基本上全部施加到比较器B 的同相输入端。RW为报警灵敏度调整电位器。稳态时，调整RW使得加到比较器反相输入端 的电压V-略高于稳态时R1上的电压VR1这个电压越高，报警灵敏度就越低。加电并使传感 器达到稳态后，MQ-KC为较稳定的固定阻值，当Vcc不变时，VR1基本为一固定值，保持不 变。当有可燃性气体泄露时，传感器接触到可燃气，使其电导率上升，电阻下降，使VR1 上升，当VR1高于V-时，比较器输出一个大于7V的电压，从而使蜂鸣器HA发出滴、滴的 报警声。若用该电压控制一个继电器，即可实现控制功能。为了提高抗干扰能力，可分别在 R1和B的V-端并联一只滤波电容。2. 可燃性气体检测
12、的实例根据系统的功能要求，设计出系统硬件电路，硬件电路框图如图1所不，主要由主控制 器电路、传感器电路、串口通信电路、LCD液屏，显T电路和声光报警电路等组成。各部分 电路的简要功能如下：主控制器电路：系统的控制核心，通过编写程序，实现系统各个部分的智能控制。甲烷 传感器电路:用于采集矿井内的甲烷浓度，并将采集数据传送给单片机处理。串口通信电路：用于实现检测装置与计算机的数据通信，可以将每日记录的甲烷浓度数 据传输到电脑上，便于记录、分析和管理。按键电路：用于实现木装置的人机交互，通过按键可设置报警上限以及间断采集时间间 隔等信息。报警电路：发出声光报警，提醒井下工作人员，撤离工作现场。LCD
13、液晶显示电路：用于实现甲烷浓度信息的实时显不，并可显不每日的甲烷浓度变化 曲线，便于进行人机交互。电源电路:为系统提供能量来源。图6-4硬件电路框图6.2.2 CO气体检测1. CO气体检测的原理系统是由气体浓度检测及变换电路、开关控制电路、模/数转换电路、数字显示电路和 报警电路组成。传感器。浓度检测电路的核心器件是气体传感器，利用传感器的转换功能，将气体的 浓度转换成可以直接测量的电压信号。变换电路。它包括线性化补偿电路、放大电路、电压电流转换电路。从传感器中输出 的电压信号线性不好而且信号很小，需要对它进行线性化处理和放大处理。因为要进行远距 离传输，所以将电压转化成电流信号传输，在送入
14、下一个电路之前再变换成电压信号。开关控制电路。它包括一个多路模拟开关、多谐振荡器、计数器等。多谐振荡器产生 时钟脉冲控制多路模拟开关对16路气体浓度进行巡回检测，并显示当前检测的路数。模/数转换电路。负责将模拟电压信号转换成数字频率信号。数字显示电路。通过计数、译码最终显示出检测气体的浓度值。报警电路。当某一路气体浓度超限时，电压比较器输出触动报警电路报警。图6-5 CO气体检测原理框图该方案的特点在于它由纯硬件电路实现，无需引入微处理器系统，大大降低了制作成本， 易于实现。同时，也具有较高的响应速度。适合于对智能化程度要求不高的浓度检测与控制 场合。浓度检测及信号处理电路：传感器一.线性化
15、电路转换电 路放大 电路图6-6检测及信号处理电与原理框图气体浓度信号检测及处理电路原理框图如图7-5所示。浓度检测及信号处理电路由气体 传感器、线性补偿电路、放大器、电压/电流转换器及电流/电压转换器组成。该电路的工作 原理是：利用直流稳压电源为整个电路系统供电，气体传感器将浓度信号转换成能进行测量 的电压信号，但是这个电压信号的线性度不好而且电压值很小，需经过线性化补偿和放大器 放大处理。因为需要远距离传输信号，所以使用电压/电流转换器将电压信号转换成易传输 的电流信号进行传输，在下一步处理前再用电流/电压转换器将它转换成原来的电压信号。2. CO气体检测的实例CO气体检测仪的系统构成如图
16、1所示，包括微控制器PIC16F946、CO气体传感器电路、 键盘控制电路、声光报警电路、温度测量电路、液屏，显示、A/ D转换基准电压系统的工 作过程：开机后进行全功能自检，然后读取单片机内部的EPROM中设置的零点值、斜率值及 设定的报警值；对CO传感器过来的信号进行采样，并对采样数据进行滤波处理；对处理后 的数据进行运算、转换、判断是否超过报警值，根据判断结果作出相应的处理，并且显示气 体的浓度值。图6-7 CO气体检测电路电化学CO气体传感器输出的信号为微弱的电流信号，仪器选用的传感器的参数：正常 测量范围为01000 ppm，最大可以过载到2000 ppm，输出电流为100 nA/ ppm信号调理电 路需要把微弱的电流信号转换为电压信号，并进行放大，在气体传感器输出范围
