气体检测原理

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56.2.1 可燃性气体检测56.2.2 CO气体检测86.2.3 CO2气体检测86.2.4 瓦斯气体检测116.2.5 PM2.5检测15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一

2、，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爆炸或毒害危

3、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。气体传感器的发展使得其应用

4、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），特别是动火前检测更为重要。(3）应急检测：生产现场出现异

5、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

6、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。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

7、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，而铂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

8、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

9、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

10、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 ，Vcc为5 V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

11、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

12、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

13、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

14、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。多路模拟开关控制电路模/数转换电路数字显示电路报警电路变换电路传感器传感器变换电路传感器变换电路报警电路。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:线性化电路放大电路转换电路传感器图6-6 检测及信号处理电与原理框图气体浓度

15、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1所示，包括微控制器PIC16F946、CO气体传感器电路、键盘控制电路、

16、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

17、内，电路输出电压信号随气体浓度做线性变化。采用低电压低功耗CMOS运放TLV2324完成调理功能。A/ D转换电路主要由ADS7822组成，其连接图如图3所示。ADS7822是BB公司的12位高速2. 7 V微功耗串行A/D转换器，采样速率最高可达75 kHz，在75 kHz时功耗为0. 54mW, 7. 5 kHz时为0.06 m W，待机时电流最大为3微安。ADS7822与PIC16F946仅有三根线相连，分别为图3中的AD_CS、AD_OUT和AD_CLK。报警电路主要包括声、光、震动报警电路，分别由发光二极管、低电压蜂鸣器和震动泵构成，由PIC单片机的三个端口控制。此部分工作时，整机的

18、工作电流将增加为未报警状态时的电流的数倍，消耗的功率比较大，因此采用了分时供电的方法，通过单片机控制此部分电源的通断，即浓度达到报警值时才给其供电；另外用单片机输出的周期信号控制振荡器的起停，用振荡器输出信号控制蜂鸣器和发光二极管，振荡器采用T L V 2324构成的多谐振荡器。采用这两种方法可以降低此部分电路的功耗。此部分与单片机相连接如图2中的BUZZER、LED、PULSATUR信号。6.2.3 CO2气体检测1. CO2气体检测的原理二氧化碳是绿色植物进行光合作用的原料之一，作物干重的95%来自光合作用。因此，使用二氧化碳传感器控制浓度也就成为影响作物产量的重要因素。塑料大棚栽培使作物

19、长期处于相对密闭的场所中，棚内二氧化碳浓度一天内变化很大，日出前达到最大值10001200pp，日出后2.53小时降为100ppm左右，仅为大气浓度的30%左右，而且一直维持到午后2小时才开始回升，到下午4时左右恢复到大气水平。蔬菜需二氧化碳浓度一般10001500ppm。因此，塑料大棚内二氧化碳亏缺相当严重，成为影响塑料大棚蔬菜产量的重要因素。在塑料大棚中安装二氧化碳传感器可以保证在二氧化碳浓度不足的情况下及时报警，从而使用气肥。保证蔬菜、食用菌、鲜花、中药等提早上市、高质高产。红外二氧化碳传感器：该传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO2进行探测，具有很好的选择性，无氧气依

20、赖性，广泛应用于存在可燃性、爆炸性气体的各种场合。催化二氧化碳传感器：是将现场检测到的二氧化碳浓度转换成标准4-20mA 电流信号输出、广泛应用于石油、化工、冶金、炼化、燃气输配、生化医药及水处理等行业。热传导二氧化碳传感器：据混合气体的总导热系数随待分析气体含量的不同而改变的原理制成，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻变小，遇非可燃性气体时检测元件电阻变大（空气背景），桥路输出电压变量，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温度补偿作用，主要应用场所在民用、工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓

21、度检测。2. CO2气体检测的实例红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同体积分数时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与体积分数成指数关系。因此，通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的体积分数。根据比尔朗伯定律，输出光强度I.输入光强度I0、和气体体积分数C之间的关系为通过检测相

22、关数据就可以得知气体的体积分数C。红外CO2传感器探头结构是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。红外光源采用镍铬丝，其通电加热后可发出3 10微安的红外线，其中，包含了4. 26 微安处CO2气体的强吸收峰在气室中，C0,吸收光源发出特定波长的光，经探测器检测则可显示出CO2对红外线的吸收情况干涉滤光镜是可调的，调节它可改变其通过的光波波段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸收了红外能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，电容两极间的距离就要改变，电容值随之改变CO2气体的体积分数愈大，电容值改变也就愈大。6.2.4 瓦斯气体检测1

23、.瓦斯气体检测的原理矿井瓦斯爆炸是一种热链式反应（也叫链锁反应）。它的主要成分为CH4。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷

24、道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5%16%当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度在16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。所以对瓦斯浓度的监测尤为重要。气体传感器MQ-5使用范围：适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤

25、气的监测装置，优良的抗乙醇，烟雾干扰能力。特点：对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应；在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度较高快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可靠的稳定性；简单的测试电路。MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-5传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃气体，是一款适合多

26、种应用的低成本传感器。图6-8 MQ-5的结构图2. 瓦斯气体检测的实例整个瓦斯气体检测仪的系统结构如图6-9所示。系统工作原理:首先通过瓦斯气体传感器采集现场的一氧化碳数据信息，传感器选用的是中国船舶重工集团第七一八研究所的LXK-3催化元件进行瓦斯浓度的检测，该系列元件是一种广普性的气敏元件，适应于天然气、液化气和城市煤气等多种气体的检测。LXK-3传感器的输出电压范围为-50+50 mV，由于ADuC834单片机主通道AD输入范围在120 mV-256 V,所以传感器的输出可直接送入单片机内部。图6-9 瓦斯气体检测电路图6-10为声报警电路。当单片机输出高电平时三极管Q，导通，此时场效

27、应管A 940导通，电子蜂鸣器开始鸣响;当单片机输出低电平时Q，截止，此时场效应管A 940关闭，电子蜂鸣器停止鸣响。为了获得良好的光报警效果，图6-10中的L，采用了直径为10 mm的高亮二极管，因此专门为其设计了相应的驱动电路。当单片机输出高电平时L1发光，当单片机输出低电平时L1熄灭。图6-10 瓦斯气体报警电路振动报警是为了仪器随身携带而专门设计的报警形式。其原理图如图6-11所示，与光报警电路的工作原理类似，当单片机输出高电平时带有偏心轮的电机启动，开始振动，当单片机输出低电平时，电机断电，停止振动。D12起保护作用，防止电机产生的自感电动势击穿三极管，另外，串连电阻R22起限流作用

28、，可防止电机振动过于剧烈。图6-11 振动报警电路6.2.5 PM2.5检测1. PM2.5体检测的原理因PM2.5属于大气颗粒，并不为实际的气体，我国目前对大气颗粒物的测定主要采用重量法。(1）重量法其原理是分别通过一定切割特征的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中的PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5和PM10的浓度。(2）微量振荡天平法基于重量法的微量振荡天平法，在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在其振荡端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特征和其质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变

29、化导致振荡频率的变化，通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物标志的质量浓度。(3）Beta射线法/射线法Beta射线仪则是利用Beta射线衰减的原理，环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上，当射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，Beta射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。实际生活中除常见以上几种方法外，还有许多其它的湿度检测装置，随着电力电子科技的进一步发展，将电子电路和气体检测结合产生了许多的更加便捷、简易、方便的检测装置。2. PM2.5检测的实例光电传感器主要由光源、光收集部分、光电检测三部

30、分组成。针对本传感器设计的口的是供测量颗粒物浓度，对细小颗粒物的检测要求比较高，灵敏稳定地把光信号转换为电流信号是十分重要的。因此，本文采用工作电压4.55V，波长650 nm，功率10mW的半导体激光器作为光源。与普通光源相比，激光源具有高亮度、灵敏度高、稳定性好特点，作为光源是十分理想的。当光敏区有颗粒物通过时，光强就会发生改变，同时接收管会根据光量的变化而产生相应的电流信号。本文使用透镜1和透镜2把光源发出的光照射到光敏感区，避免了光的浪费，透镜3把光收集起来发送到雪崩光电二极管，就得到与颗粒物有关的电信号。为了避免光敏感区以外的杂光进入光敏感区，整个传感器用黑色铝管密封起来，使收集到的光脉冲信号稳定可靠，传感器的性能得到提高，增大了输出信噪比，提高了传感器灵敏度。光电检测部分用雪崩二级管进行接收光信号，把光信号转换为电信号，调理电路进行I/V转换，电压放大和电压跟随，并对电源部分进行合