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第四章第四章 气体检测气体检测 一、本章教学目的一、本章教学目的一、本章教学目的一、本章教学目的掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。二、本章主要内容二、本章主要内容二、本章主要内容二、本章主要内容第一节第一节 气体检测概述气体检测概述第二节第二节 热导型气体检测热导型气体检测 热导型气体检测工作原理、测量热导元件、传感器结构与检热导型气体检测工作原理、测量热导元件、传感器结构与检测原理测原理第三节第三节 载体热催化原理气体检测载体热催化原理气体检测 热催化元件、热催化型元件检测甲烷等可燃气体的原理、载热催化元件、热催化型元件检测甲烷等可燃气体的原理、载体热催化元件的特性、可燃气体遥测报警断电仪体热催化元件的特性、可燃气体遥测报警断电仪第四节第四节 一氧化碳和硫化氢气体检测一氧化碳和硫化氢气体检测 检知管结构和检测原理、定电位电化学一氧化碳传感器、一检知管结构和检测原理、定电位电化学一氧化碳传感器、一氧化碳和硫化氢检测报警器、红外线气体分析氧化碳和硫化氢检测报警器、红外线气体分析第五节第五节 氧气（氧气（O O2 2）浓度检测）浓度检测 电化学化测氧、电磁法测氧电化学化测氧、电磁法测氧(O(O2 2)、第六节第六节 光干涉法瓦斯检测器光干涉法瓦斯检测器 光干涉式甲烷检定器原理与结构、光学甲烷机检光干涉式甲烷检定器原理与结构、光学甲烷机检定器的使用定器的使用第七节第七节 气相色谱仪气相色谱仪 气相色谱仪组成及检测原理、定性与定量分析气相色谱仪组成及检测原理、定性与定量分析重点与难点重点与难点重点与难点重点与难点：1 1、各种气体检测仪表原理；、各种气体检测仪表原理；、各种气体检测仪表原理；、各种气体检测仪表原理；2 2、各种气体检测传感器的原理与性能、各种气体检测传感器的原理与性能、各种气体检测传感器的原理与性能、各种气体检测传感器的原理与性能第一节第一节 概概 述述 1 1 1 1、有害气体成份、有害气体成份、有害气体成份、有害气体成份 可燃爆炸性气体：可燃爆炸性气体：可燃爆炸性气体：可燃爆炸性气体：CHCH4 4、C C2 2H H4 4、C C2 2H H6 6、C C3 3H H8 8、H H2 2、C C2 2H H2 2等等 中毒性气体：中毒性气体：中毒性气体：中毒性气体：COCO、H H2 2S S、氰氢酸等、氰氢酸等 窒息性气体：窒息性气体：窒息性气体：窒息性气体：NHNH3 3、N N2 2、COCO2 2等等 助燃气体：助燃气体：助燃气体：助燃气体：O O2 2 2 2 2 2、气体检测传感器的种类、气体检测传感器的种类、气体检测传感器的种类、气体检测传感器的种类 热导类热导类热导类热导类各类气体各类气体各类气体各类气体 热催化类热催化类热催化类热催化类可燃性气体可燃性气体可燃性气体可燃性气体 电化类电化类电化类电化类COCOCOCO、O O O O2 2 2 2 磁学类磁学类磁学类磁学类顺磁性气体顺磁性气体顺磁性气体顺磁性气体O O O O2 2 2 2、NONONONO、NONONONO2 2 2 2 光学类光学类光学类光学类红外线红外线红外线红外线COCOCOCO、CHCHCHCH4 4 4 4等各种气体等各种气体等各种气体等各种气体 气相色谱类气相色谱类气相色谱类气相色谱类气体分析，各类气体气体分析，各类气体气体分析，各类气体气体分析，各类气体 3 3 3 3、气体检测传感器的要求、气体检测传感器的要求、气体检测传感器的要求、气体检测传感器的要求 1)1)可燃气体最小值在下限可燃气体最小值在下限1/101/10以下；以下；2)2)中毒性气体在允许浓度中毒性气体在允许浓度1/101/10以下；以下；3)3)可燃性气体反应速度可燃性气体反应速度30S30S；4)4)中毒性气体反应速度中毒性气体反应速度10S10S；5)5)无论是可燃气体，还是中毒性气体报警点都任意可调；无论是可燃气体，还是中毒性气体报警点都任意可调；6)6)工作环境工作环境 (1 (1）工作温度）工作温度-20-204040；(2 (2）工作电压或电流为工作电源的电压或电流）工作电压或电流为工作电源的电压或电流10%10%波动波动;(3 (3）本身要防爆、防中毒；）本身要防爆、防中毒；(4 (4）防振、防冲击、强度大。）防振、防冲击、强度大。第二节第二节 热导型气体检测热导型气体检测 一、检测原理一、检测原理一、检测原理一、检测原理 1 1 1 1、热导原理、热导原理、热导原理、热导原理 利用各种气体热导率与空气热导率的差异，以及热导利用各种气体热导率与空气热导率的差异，以及热导利用各种气体热导率与空气热导率的差异，以及热导利用各种气体热导率与空气热导率的差异，以及热导率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。各个气体的热导率：各个气体的热导率：各个气体的热导率：各个气体的热导率：气体的热导率，气体的热导率，气体的热导率，气体的热导率，cal/cm.scal/cm.s气体的分子量，气体的分子量，气体的分子量，气体的分子量，kgkg气体分子热运动的平均速度，气体分子热运动的平均速度，气体分子热运动的平均速度，气体分子热运动的平均速度，cm/scm/s气体定容比热，气体定容比热，气体定容比热，气体定容比热，Jmol/KJmol/K单位体积内分子数单位体积内分子数单位体积内分子数单位体积内分子数自由路程平均长度，自由路程平均长度，自由路程平均长度，自由路程平均长度，cmcm气体分子的有效直径，气体分子的有效直径，气体分子的有效直径，气体分子的有效直径，cmcm绝对温度，绝对温度，绝对温度，绝对温度，K K肖节伦德常数，由实验确定肖节伦德常数，由实验确定肖节伦德常数，由实验确定肖节伦德常数，由实验确定 由上式可知，气体的热导率随温度增加而增加，当温度由上式可知，气体的热导率随温度增加而增加，当温度为定值时，热导率与气体分子直径成反比，分子直径越小，为定值时，热导率与气体分子直径成反比，分子直径越小，由其热导率越大，在一般情况下热导率与气压无关。由其热导率越大，在一般情况下热导率与气压无关。2 2 2 2、混合气体的热导率、混合气体的热导率、混合气体的热导率、混合气体的热导率 气体的热导率与温度的关系复杂，常用下式表示：气体的热导率与温度的关系复杂，常用下式表示：式中：式中：t t、0 0 分别为分别为t t和和00时的热导率；时的热导率；一定范围内气体热导率温度系数。一定范围内气体热导率温度系数。对于混合气体的热导率可以粗略的认为是各组分的热导率对于混合气体的热导率可以粗略的认为是各组分的热导率之平均值，即：之平均值，即：式中：式中：c c、i i分别为混合气体热导率和分别为混合气体热导率和i i种气体热种气体热导率。导率。n ni i为第为第i i 种气体的百分含量。种气体的百分含量。设空气中有设空气中有CHCH4 4为为m m，空气的热导率为，空气的热导率为a a，甲，甲烷热导率为烷热导率为。甲烷和空气混合气体热导率为。甲烷和空气混合气体热导率为c c。则：则：由上式可看出，只要测出由上式可看出，只要测出c c，就可测出，就可测出m m值。值。主要气体的导热率主要气体的导热率主要气体的导热率主要气体的导热率 单位：卡单位：卡单位：卡单位：卡/厘米厘米厘米厘米 秒秒秒秒 度度度度 气体名称气体名称0 0时热导率时热导率（1010-5-5）100100时热导率时热导率（1010-5-5）相对热导率相对热导率空气空气5.665.667.2777.2771 1OO2 25.8395.8397.887.881.031.03COCO7.3027.3020.940.94HeHe40.7940.795.995.99HH2 248.9748.976.656.65NHNH3 310.92810.9281.301.30NONO5.6475.6477.5627.5621.001.00COCO2 23.4853.4855.4845.4840.6150.615NN2 2OO3.6263.6265.7115.7110.640.64SOSO2 21.951.950.3450.345 二、热导元件二、热导元件二、热导元件二、热导元件热量热量热量热量电阻变换元件、热变元件电阻变换元件、热变元件电阻变换元件、热变元件电阻变换元件、热变元件 1 1 1 1、金属丝热敏电阻、金属丝热敏电阻、金属丝热敏电阻、金属丝热敏电阻 由于由于 R R与与t t成正比，一般选取用成正比，一般选取用R R温度系数较大的材料好，铂温度系数较大的材料好，铂电阻、钨丝、铼钨丝电阻、钨丝、铼钨丝 要求要求要求要求：丝直：丝直10105050mm，纯度愈高愈好，纯度愈高愈好，特点特点特点特点：稳定性好，零漂小，线性好，重复性高，寿命长：稳定性好，零漂小，线性好，重复性高，寿命长 缺点：工艺复杂，化学稳定性差；互换性差。缺点：工艺复杂，化学稳定性差；互换性差。2 2 2 2、半导体热敏电阻、半导体热敏电阻、半导体热敏电阻、半导体热敏电阻 1 1 1 1）金属氧化物半导体）金属氧化物半导体）金属氧化物半导体）金属氧化物半导体 2 2 2 2）炭化硅半导体）炭化硅半导体）炭化硅半导体）炭化硅半导体 3 3 3 3）钛酸钡正特性热敏半导体）钛酸钡正特性热敏半导体）钛酸钡正特性热敏半导体）钛酸钡正特性热敏半导体 热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为180180时，相当于铂丝的时，相当于铂丝的时，相当于铂丝的时，相当于铂丝的5 5倍，故半导体热敏电阻的灵敏度比铂丝灵倍，故半导体热敏电阻的灵敏度比铂丝灵倍，故半导体热敏电阻的灵敏度比铂丝灵倍，故半导体热敏电阻的灵敏度比铂丝灵敏度高约敏度高约敏度高约敏度高约5 51010倍。倍。倍。倍。特点：特点：特点：特点：（1 1）受）受COCO2 2、水蒸气影响较大；、水蒸气影响较大；（2 2）零点飘移；）零点飘移；（3 3）元件的一致性和互换性较差）元件的一致性和互换性较差受加工工艺影响较大。受加工工艺影响较大。甲烷的热导率是空气的热导率的甲烷的热导率是空气的热导率的1.2961.296倍倍，因而用热导方法来测，因而用热导方法来测量浓度很低的甲烷时得到输出信号很小，量浓度很低的甲烷时得到输出信号很小，三、传感器原理三、传感器原理三、传感器原理三、传感器原理 热导式传感器采用电阻温度系数较大的金属丝（铂丝或钨丝）或半导体热热导式传感器采用电阻温度系数较大的金属丝（铂丝或钨丝）或半导体热敏电阻作为敏感元件。把性能相同的一对热导元件分别接在电桥电路的两个臂敏电阻作为敏感元件。把性能相同的一对热导元件分别接在电桥电路的两个臂上，一支放置在与被测气体相通的气室中，叫上，一支放置在与被测气体相通的气室中，叫测量元件测量元件；另一支放置在充满地；另一支放置在充满地面标准大气的密闭气室中，叫面标准大气的密闭气室中，叫补偿元件补偿元件，如图所示。，如图所示。工作时，当测量元件与补工作时，当测量元件与补偿元件输入同样的电流后，产生的热量相同，但由于散热介质不同，使两元件偿元件输入同样的电流后，产生的热量相同，但由于散热介质不同，使两元件存在一定温差，两元件产生一个与温差相适应的热态电阻差，破坏电桥平衡，存在一定温差，两元件产生一个与温差相适应的热态电阻差，破坏电桥平衡，电桥输出一个与被测气体浓度变化成比例关系的电信号。电桥输出一个与被测气体浓度变化成比例关系的电信号。四、特点四、特点四、特点四、特点 由于纯被测气体或高浓度的被测气体的热导率与空气的由于纯被测气体或高浓度的被测气体的热导率与空气的热导率相差较大，所以测量高浓度时，精度高。但是如果被热导率相差较大，所以测量高浓度时，精度高。但是如果被测气体浓度较低，其热导率与空气的热导率相近，输出信号测气体浓度较低，其热导率与空气的热导率相近，输出信号较弱，其灵敏度和分辨力很小，因此，这类传感器不适用于较弱，其灵敏度和分辨力很小，因此，这类传感器不适用于在低浓度下使用。在低浓度下使用。五、仪器五、仪器五、仪器五、仪器 目前，热导型仪表型号繁多，有我国生产的目前，热导型仪表型号繁多，有我国生产的LRD1LRD1型甲型甲烷检定器和与煤矿安全生产监测系统相配接的烷检定器和与煤矿安全生产监测系统相配接的KG3001KG3001型甲烷型甲烷传感器，波兰生产的传感器，波兰生产的CKACKA型高浓度甲烷传感器和德国生产的型高浓度甲烷传感器和德国生产的BDBD甲烷传感器等等。甲烷传感器等等。第三节第三节 载体热催化原理气体检测载体热催化原理气体检测 一、载体热催化的特点一、载体热催化的特点一、载体热催化的特点一、载体热催化的特点1 1、对可燃气体下限以下气体浓度的测量，其输出呈线性；、对可燃气体下限以下气体浓度的测量，其输出呈线性；2 2、对于爆炸下限以下浓度测量时，能输出数十毫伏的电信、对于爆炸下限以下浓度测量时，能输出数十毫伏的电信 号，灵敏度高；号，灵敏度高；3 3、对不可燃气体不反应；、对不可燃气体不反应；4 4、受硫化物、卤化物、硅氧基化合物及砷、氯、铅等化合、受硫化物、卤化物、硅氧基化合物及砷、氯、铅等化合物和空气中的物和空气中的OHOH键及氮氧化物影响，元件产生中毒现象；键及氮氧化物影响，元件产生中毒现象；5 5、元件遇到高浓度可燃气体时，易损坏；、元件遇到高浓度可燃气体时，易损坏；6 6、元件工作温度高，表面温度在、元件工作温度高，表面温度在300300400400，而内部温度，而内部温度可达可达700700800800，对氢气有爆炸性。，对氢气有爆炸性。二、热催化元件二、热催化元件二、热催化元件二、热催化元件1 1 1 1、纯铂丝催化元件、纯铂丝催化元件、纯铂丝催化元件、纯铂丝催化元件1 1 1 1）结构：）结构：）结构：）结构：如图所示。如图所示。2 2 2 2）特点）特点）特点）特点(1)(1)结构简单，制造容易；结构简单，制造容易；(2)(2)抗中毒能力强抗中毒能力强在在100ppmH100ppmH2 2S S，1 1CHCH4 4可连续工作可连续工作4 4小时小时，活性不下降；，活性不下降；(3)(3)元件的工作温度高（元件的工作温度高（90090010001000），铂丝升华严重，造），铂丝升华严重，造成零飘严重；成零飘严重；图图 纯铂丝元件纯铂丝元件 2 2 2 2、载体催化元件、载体催化元件、载体催化元件、载体催化元件 1 1 1 1）载体催化元件组成）载体催化元件组成）载体催化元件组成）载体催化元件组成 载体催化元件组成如图载体催化元件组成如图4-3-24-3-2 由铂丝线圈、载体和催化剂。由铂丝线圈、载体和催化剂。载体载体催化剂催化剂铂丝线圈铂丝线圈 2 2 2 2）各部分功能）各部分功能）各部分功能）各部分功能(1)(1)(1)(1)铂丝线圈铂丝线圈铂丝线圈铂丝线圈：A A、对载体和催化剂进行加热，使可燃气体接触元件后达一定的、对载体和催化剂进行加热，使可燃气体接触元件后达一定的氧化状态；氧化状态；B B、把可燃气体在催化剂作用下燃烧生成的热量检测出来；、把可燃气体在催化剂作用下燃烧生成的热量检测出来；(2)(2)(2)(2)载体载体载体载体 A A、提供较大的反应接触面积；、提供较大的反应接触面积；B B、固定铂丝的几何形状；、固定铂丝的几何形状；C C、附载催化剂；、附载催化剂；D D、传导热量给铂丝。、传导热量给铂丝。(3)(3)(3)(3)催化剂催化剂催化剂催化剂：钯：钯P Pd d 、铂、铂P Pt t、钍、钍T Th h等等 A A、加快反应速度；、加快反应速度；B B、降低气体燃烧温度（、降低气体燃烧温度（650650降到降到350350）5/9/202417/77 3 3 3 3）制作）制作）制作）制作 缠丝缠丝缠丝缠丝去芯去芯去芯去芯附载体附载体附载体附载体附催化剂附催化剂附催化剂附催化剂老化处理老化处理老化处理老化处理 黑元件黑元件黑元件黑元件检测元件；检测元件；检测元件；检测元件；白元件白元件白元件白元件补偿元件（未涂催化剂，对环境（风速、温度、补偿元件（未涂催化剂，对环境（风速、温度、补偿元件（未涂催化剂，对环境（风速、温度、补偿元件（未涂催化剂，对环境（风速、温度、湿度、电流、电压）变化影响进行补偿；湿度、电流、电压）变化影响进行补偿；湿度、电流、电压）变化影响进行补偿；湿度、电流、电压）变化影响进行补偿；配对使用配对使用配对使用配对使用。二、催化型元件检测可燃气体的原理二、催化型元件检测可燃气体的原理二、催化型元件检测可燃气体的原理二、催化型元件检测可燃气体的原理1.1.1.1.载体热催化元件及检测原理载体热催化元件及检测原理载体热催化元件及检测原理载体热催化元件及检测原理 其检测原理是甲烷等可燃气体在催化剂（铂、铑、钯）其检测原理是甲烷等可燃气体在催化剂（铂、铑、钯）的作用下，在元件的表面产生氧化反应，生成二氧化碳和水，的作用下，在元件的表面产生氧化反应，生成二氧化碳和水，同时放出热量。其氧化反应式为：同时放出热量。其氧化反应式为：释放出的热量释放出的热量Q Q使元件的温度上升，造成铂丝的阻值变使元件的温度上升，造成铂丝的阻值变化。铂丝的电阻在化。铂丝的电阻在0 0630.74630.74范围内与可燃气体浓度成正范围内与可燃气体浓度成正比。比。2.2.2.2.载体热催化型可燃气体传感器载体热催化型可燃气体传感器载体热催化型可燃气体传感器载体热催化型可燃气体传感器 利用载体热催化元件制成传感器的利用载体热催化元件制成传感器的结构如图所示，主要有结构如图所示，主要有黑（热催化元件）黑（热催化元件）和和白（补偿元件）白（补偿元件）两种元件，其阻值分两种元件，其阻值分别为别为r r1 1和和r r2 2，与，与固定电阻固定电阻R R1 1和和R R2 2组成电组成电桥电路。为使电桥在无可燃气体状态下桥电路。为使电桥在无可燃气体状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W W1 1。电阻电阻r r2 2并联在白元件并联在白元件r r2 2上，补偿上，补偿黑白元件热学性质差异的元件，以改善黑白元件热学性质差异的元件，以改善电桥的零点飘移。电桥的零点飘移。图图 载体热催化原件测量原理图载体热催化原件测量原理图R R2 2R R1 1电阻温度系数小电阻温度系数小调零电位器调零电位器 补偿黑白元件补偿黑白元件热学性质差异热学性质差异3.3.工作过程工作过程 传感器工作时，在恒流源作用下，有电流流过电桥四个臂。传感器工作时，在恒流源作用下，有电流流过电桥四个臂。无可燃气体气体时，电桥输出平衡；有可燃气体时，可燃气体无可燃气体气体时，电桥输出平衡；有可燃气体时，可燃气体与氧气在黑元件表面进行无焰燃烧，放出热量被元件吸收引起与氧气在黑元件表面进行无焰燃烧，放出热量被元件吸收引起元件温度升高，使铂丝电阻增大。另一方面，白元件上无催化元件温度升高，使铂丝电阻增大。另一方面，白元件上无催化剂，可燃气体在其表面不进行氧化燃烧。但它处在与黑元件相剂，可燃气体在其表面不进行氧化燃烧。但它处在与黑元件相同的工作环境，起着对非可燃气体环境变化（环境温度变化、同的工作环境，起着对非可燃气体环境变化（环境温度变化、湿度变化、风速变化以及电源电流电压变化）而引起的催化元湿度变化、风速变化以及电源电流电压变化）而引起的催化元件阻值变化补偿作用。这样就破坏原来电桥平衡，输出一个与件阻值变化补偿作用。这样就破坏原来电桥平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。然后将此信号送入放大电路放可燃气体浓度成正比的电信号。然后将此信号送入放大电路放大，再送至显示、报警或其它单元，实现对可燃气体浓度的检大，再送至显示、报警或其它单元，实现对可燃气体浓度的检测。测。三、可燃气体检测报警便携仪三、可燃气体检测报警便携仪三、可燃气体检测报警便携仪三、可燃气体检测报警便携仪 目前国内外利用载体热催化原理元件生产的可燃气体检测目前国内外利用载体热催化原理元件生产的可燃气体检测报警便携仪的厂家和型号较多，但它们的检测原理和结构基本报警便携仪的厂家和型号较多，但它们的检测原理和结构基本一样，采用载体热催化元件作为检测元件，通过电桥电路输出一样，采用载体热催化元件作为检测元件，通过电桥电路输出电信号，经放大后，分别送给报警电路和电信号，经放大后，分别送给报警电路和A/DA/D转换电路。转换电路。A/DA/D转转换电路将模拟信号转换为数字信号，由液晶显示出可燃气体浓换电路将模拟信号转换为数字信号，由液晶显示出可燃气体浓度大小。当可燃气体浓度达到报警设定值时，通过比较器输出度大小。当可燃气体浓度达到报警设定值时，通过比较器输出一高电平，驱动报警电路实现声光报警。为了保证仪器使用的一高电平，驱动报警电路实现声光报警。为了保证仪器使用的可靠性，多数仪器均设有欠压报警（或指示）及传感器故障等可靠性，多数仪器均设有欠压报警（或指示）及传感器故障等自检电路。如图自检电路。如图4-3-44-3-4。5/9/202422/77本安型电池声报警驱动光报警驱动报警信号发生器报警信号锁存器过冲保护电路稳压电源电源变换逻辑电路电桥电路控制开关A/D转换LED数字显示转换超限比较工作选择报警点选择欠压、指示、控制 数字锁存 本安型电池声报警驱动光报警驱动报警信号发生器报警信号锁存器过冲保护电路稳压电源电源变换逻辑电路电桥电路控制开关A/D转换LED数字显示转换超限比较工作选择报警点选择欠压、指示、控制 数字锁存 图图4-3-4 4-3-4 某甲烷气体检测便携仪原理框图某甲烷气体检测便携仪原理框图优点：优点：体积小，结构简单，功耗低、性能较稳定及使用寿命长。体积小，结构简单，功耗低、性能较稳定及使用寿命长。测定低浓度可燃气体时，输出信号较大（测定低浓度可燃气体时，输出信号较大（1%CH1%CH4 4时，输出电压可时，输出电压可达达150mV150mV以上），信号处理和显示较简便、直观，易于实现超以上），信号处理和显示较简便、直观，易于实现超限报警、遥测。限报警、遥测。缺点：缺点：是催化剂与硫、铅、磷、氯等化合物接触时，催化性能是催化剂与硫、铅、磷、氯等化合物接触时，催化性能逐渐降低，使仪器的灵敏度降低。逐渐降低，使仪器的灵敏度降低。80%图 载体热催化元件输出特性输出mV0CH4浓度 四、载体热催化元件的工作特性四、载体热催化元件的工作特性四、载体热催化元件的工作特性四、载体热催化元件的工作特性 1 1 1 1、元件的活性：、元件的活性：、元件的活性：、元件的活性：可燃气体燃烧速率。活性高，输出信号大；可燃气体燃烧速率。活性高，输出信号大；2 2 2 2、稳定性：、稳定性：、稳定性：、稳定性：在新鲜空气与一定可燃气体环境中连续工作时间；在新鲜空气与一定可燃气体环境中连续工作时间；3 3 3 3、工作点和工作区间：、工作点和工作区间：、工作点和工作区间：、工作点和工作区间：元件的标准工作电压或电流元件的标准工作电压或电流（如（如1.2V1.2V）；元件的工作电流或电压变动时，元件的输出活性保持直线，电压元件的工作电流或电压变动时，元件的输出活性保持直线，电压或电流变化范围称为工作区间或电流变化范围称为工作区间（10%10%）；4 4 4 4、输出特性：、输出特性：、输出特性：、输出特性：元件的输出与可燃气体浓度之间的关系，对于载体元件的输出与可燃气体浓度之间的关系，对于载体热催化元件，存在双值现象；热催化元件，存在双值现象；5%9.5%缺氧使燃烧不充分缺氧使燃烧不充分5 5 5 5、静态方程、静态方程、静态方程、静态方程热量平衡热量平衡热量平衡热量平衡 载体热催化元件是利用甲烷与氧气在元件表面反载体热催化元件是利用甲烷与氧气在元件表面反应的热效应来检测甲烷浓度的。元件在工作过程中的热应的热效应来检测甲烷浓度的。元件在工作过程中的热力学关系决定了它的工作特性，其中元件温度增量力学关系决定了它的工作特性，其中元件温度增量T T是热力学关系中的中心变量。是热力学关系中的中心变量。工作时元件置于检测气室中，通工作电流，对于补工作时元件置于检测气室中，通工作电流，对于补偿元件偿元件(白元件白元件)由于工作电流加热功率转换后所获得的由于工作电流加热功率转换后所获得的热量热量QQ。(4-3-2)(4-3-2)式中式中 Q Q元件获得的热量，元件获得的热量，WW；I I元件工作电流，元件工作电流，A A；R R元件电阻，元件电阻，。5/9/202426/77 补偿元件损耗的热量，包括周围空气带走的热量补偿元件损耗的热量，包括周围空气带走的热量QQ1 1，元，元件向周围空间辐射散热件向周围空间辐射散热QQ2 2，元件铂丝通过引线传导散热，元件铂丝通过引线传导散热QQ3 3，设环境温度为设环境温度为T T0 0，补偿元件温度为，补偿元件温度为T Ti i，热导功率与温度梯度，热导功率与温度梯度成正比，与热导面积成反比。成正比，与热导面积成反比。1 1、3 3分别为空气的热传导系数和铂丝的热传导系数，分别为空气的热传导系数和铂丝的热传导系数，J/mJ/m2 2SS；S S1 1、S S3 3分别为元件和铂丝的截面积，分别为元件和铂丝的截面积，m m2 2；T Ti i、T T0 0分别为元件的温度和环境的温度，分别为元件的温度和环境的温度，。A A辐射系数；辐射系数；斯芯潘常数，斯芯潘常数，=5.668610-12=5.668610-12，J/msK4J/msK4。5/9/202427/77 白元件达热平衡时，(4-3-4)对于检测元件(黑元件)，由于有甲烷产生燃烧，产生反应热Q，电阻也有一个相应的增加量R，故对检测元件热平衡方程：(4-3-5)5/9/202428/77 设铂电阻的温度系数为t，黑元件作为绝对黑体处理，A=1，而R=R0tT，则(4-3-5)式可写为：式中式中 t t金属丝电阻温度系数；金属丝电阻温度系数；QQ元件获得的热量，元件获得的热量，WW；QQ甲烷燃烧生成的热量，甲烷燃烧生成的热量，W W；TQTQ引起的温升，引起的温升，K K；RTRT引起的电阻变化，引起的电阻变化，；II元件通过的电流，元件通过的电流，A A；RR元件通过的电阻，元件通过的电阻，。5/9/202429/77 由静态方程由静态方程(4-3-4)(4-3-4)和和(4-3-6)(4-3-6)式可知，热传导和热辐射是式可知，热传导和热辐射是工作元件的热损耗。它们的情况决定了元件工作特性。随工作元件的热损耗。它们的情况决定了元件工作特性。随着加热电流的增加，元件温度逐渐上升，开始辐射热较小，着加热电流的增加，元件温度逐渐上升，开始辐射热较小，热传导损耗是耗热的主要部分。由于辐射热与温度热传导损耗是耗热的主要部分。由于辐射热与温度4 4次方成次方成正比，随温度升高，辐射散热所占的比重逐渐增大。当温正比，随温度升高，辐射散热所占的比重逐渐增大。当温度升高到度升高到400400以后，辐射散热超过传导热而成为主要部分。以后，辐射散热超过传导热而成为主要部分。温度继续升高，辐射热迅速增加，当温度超过温度继续升高，辐射热迅速增加，当温度超过620620时，由时，由于辐射散热作用，元件温度进一步增加就比较困难。温度于辐射散热作用，元件温度进一步增加就比较困难。温度620620对应甲烷浓度是对应甲烷浓度是4%(4%(工作电流工作电流0340mA)0340mA)。因此，。因此，4%4%以以后浓度再增加，元件输出的增加量将明显减少，这就引起后浓度再增加，元件输出的增加量将明显减少，这就引起元件对高浓度元件对高浓度CH4CH4进行检测时呈非线性，误差大。利用静态进行检测时呈非线性，误差大。利用静态方程，可对元件的工作特性，如检测范围、补偿电阻的作方程，可对元件的工作特性，如检测范围、补偿电阻的作用等问题予以解释。用等问题予以解释。5/9/202430/776 6 6 6、元件的中毒特性、元件的中毒特性、元件的中毒特性、元件的中毒特性 催化剂与催化剂与S S、P P、P Pb b、ClCl、S Si i作用，使其催化活性降作用，使其催化活性降低，其实质是发生物理化学作用。暂时中毒低，其实质是发生物理化学作用。暂时中毒能恢复能恢复，如，如S S、ClCl化物；永久中毒化物；永久中毒不能恢复；如不能恢复；如S Si i 、P Pb b。中毒程度与中毒物的浓度和接触时间长短有关；用相对中毒程度与中毒物的浓度和接触时间长短有关；用相对灵敏度表示：灵敏度表示：相对灵敏度某一时间的元件的灵敏度相对灵敏度某一时间的元件的灵敏度相对灵敏度某一时间的元件的灵敏度相对灵敏度某一时间的元件的灵敏度/元件的初始灵元件的初始灵元件的初始灵元件的初始灵敏度敏度敏度敏度100100100100 措施了解毒物，用抗中毒元件，加过滤器等措施了解毒物，用抗中毒元件，加过滤器等 7 7 7 7、载体催化元件的激活特性、载体催化元件的激活特性、载体催化元件的激活特性、载体催化元件的激活特性经过一段工作的元件遇到经过一段工作的元件遇到高浓度可燃气体数分钟后，元件的活性升高，高浓度可燃高浓度可燃气体数分钟后，元件的活性升高，高浓度可燃气体消失后，几十小时元件的活性又下降到原来值。气体消失后，几十小时元件的活性又下降到原来值。8 8 8 8、载体催化元件的仪器反应速度、载体催化元件的仪器反应速度、载体催化元件的仪器反应速度、载体催化元件的仪器反应速度指仪器从接触可燃指仪器从接触可燃气体到传感器元件能正确地指示数据为止，所经历时间。气体到传感器元件能正确地指示数据为止，所经历时间。与传感器元件与传感器元件本身的时间常数本身的时间常数和和气体进入仪器的气室结构气体进入仪器的气室结构有关。有关。(1)(1)元件本身的时间常数元件本身的时间常数E E、T T、I I (2)(2)气室结构气室结构扩散型和对流型扩散型和对流型扩散型与对流型气室反应速度对比表扩散型与对流型气室反应速度对比表9 9 9 9、高浓度可燃气体的影响、高浓度可燃气体的影响、高浓度可燃气体的影响、高浓度可燃气体的影响 (1)(1)可燃气体浓度在爆炸范围内可燃气体浓度在爆炸范围内燃烧充分，元燃烧充分，元件烧结，烧裂，催化剂挥发；件烧结，烧裂，催化剂挥发；(2)(2)可燃气体浓度在爆炸范围以上可燃气体浓度在爆炸范围以上燃烧不充分，燃烧不充分，碳粒集结，元件烧崩裂，催化剂挥发；碳粒集结，元件烧崩裂，催化剂挥发；10101010、元件的使用寿命、元件的使用寿命、元件的使用寿命、元件的使用寿命灵敏度下降灵敏度下降5050的时间。的时间。50%50%五、可燃气体遥测报警断电仪五、可燃气体遥测报警断电仪 可燃气体遥测报警断电仪除具有连续监测可燃气体浓度的功能外，还具有报警、断电功能、输出标准信号和探头断线自检功能。实现了由“间断”到“连续”，由“就地”到“远距离”检测的飞跃，为矿山安全监测系统的发展奠定了基础。1.1.可燃气体遥测断电仪可燃气体遥测断电仪 可燃气体遥测报警断电仪种类较多。但是它们的功能、基本原理和线路基本相同。仪器主要由就地和远地两部分组成，就地部分由传感器、主机、和声光箱组成；远地部分主要是由接收机和记录仪组成。就地和远地均是由电缆连接。如图4-3-5某可燃气体遥测仪的原理框图。图图4-3-6 4-3-6 可燃气体遥测仪原理框图可燃气体遥测仪原理框图 探头是采用黑白元件组成的电桥电路，将可燃气体浓探头是采用黑白元件组成的电桥电路，将可燃气体浓度变成电信号送给放大器进行放大，放大信号分为四路：度变成电信号送给放大器进行放大，放大信号分为四路：第一路第一路送给本身电表就地显示可燃气体浓度；送给本身电表就地显示可燃气体浓度；第二路第二路送给报警电子开关，当可燃气体浓度达到报警送给报警电子开关，当可燃气体浓度达到报警点时，报警电子开关动作，发出声光报警；点时，报警电子开关动作，发出声光报警；第三路第三路送给断电电子开关，当可燃气体浓度达到断电送给断电电子开关，当可燃气体浓度达到断电点时，即信号达到断电开关的触发电压时，则电路翻转，点时，即信号达到断电开关的触发电压时，则电路翻转，继电器吸合，使外控磁力起动器的控制绕组断电，从而达继电器吸合，使外控磁力起动器的控制绕组断电，从而达到切断就地电气设备电源之目的；到切断就地电气设备电源之目的；第四路送给第四路送给V/fV/f转换转换电路，将直流电压信号转换成频率电路，将直流电压信号转换成频率信号，去调制载波信号向地面发送。信号，去调制载波信号向地面发送。接收机接收到远处发送的被调制信号，经过接收、放大接收机接收到远处发送的被调制信号，经过接收、放大和检波后，转变成与就地主机内电压频率转换输出的方波和检波后，转变成与就地主机内电压频率转换输出的方波个数相同的脉冲信号，再进行频率个数相同的脉冲信号，再进行频率/电压转换，又将频率信电压转换，又将频率信号转换成电压信号。一路送给远处主机电表显示就地被测号转换成电压信号。一路送给远处主机电表显示就地被测地点可燃气体浓度；另一路送报警电路，在地面发出声光地点可燃气体浓度；另一路送报警电路，在地面发出声光报警；第三路送给记录仪，实现远处对就地可燃气体浓度报警；第三路送给记录仪，实现远处对就地可燃气体浓度连续检测。连续检测。2.2.2.2.可燃气体断电仪可燃气体断电仪可燃气体断电仪可燃气体断电仪 可燃气体断电仪有固定型（用于控制固定型电气设备）、可燃气体断电仪有固定型（用于控制固定型电气设备）、车载型（用于控制电机车）和机载型。它主要是由主机、探车载型（用于控制电机车）和机载型。它主要是由主机、探头和声光箱三部分组成的固定式监测仪器。实现对可燃气体头和声光箱三部分组成的固定式监测仪器。实现对可燃气体连续检测。同时在可燃气体超限时，能发出声光报警及自动连续检测。同时在可燃气体超限时，能发出声光报警及自动切断被控设备的电源，它与可燃气体遥测仪的区别就是不能切断被控设备的电源，它与可燃气体遥测仪的区别就是不能远距离发送。例如远距离发送。例如AWD-3AWD-3型可燃气体断电仪的原理框图如型可燃气体断电仪的原理框图如图图4-3-64-3-6所示。所示。图图4-3-7 4-3-7 可燃气体断电仪工作原理框图可燃气体断电仪工作原理框图5/9/202439/77第四节第四节 一氧化碳和硫化氢气体检测一氧化碳和硫化氢气体检测 检测一氧化碳和硫化氢浓度的仪器按其工作原理有：检知检测一氧化碳和硫化氢浓度的仪器按其工作原理有：检知管、电化学、气敏半导体、红外线、气相色谱分析等。按其管、电化学、气敏半导体、红外线、气相色谱分析等。按其结构形式分为便携式和固定式两类。结构形式分为便携式和固定式两类。一、检定管一、检定管一、检定管一、检定管 1 1 1 1、结构、结构、结构、结构图图 4-4-1 4-4-1 比长式比长式COCO鉴定管鉴定管1 1外壳，外壳，2 2堵塞物，堵塞物，3 3保护胶，保护胶，4 4隔离层，隔离层，5 5指标胶；指标胶；6 6刻度刻度 2 2 2 2、检测原理、检测原理、检测原理、检测原理检知管是一支检知管是一支446mm150mm(6mm150mm(长长)的玻璃管，内装活性的玻璃管，内装活性载体，载体吸附化学试剂，管口溶封。使用时先打开管口，待载体，载体吸附化学试剂，管口溶封。使用时先打开管口，待测气体以一定的测气体以一定的速度通过检知管速度通过检知管速度通过检知管速度通过检知管，与管内的化学试剂进行化学，与管内的化学试剂进行化学反应，产生变色圈，根据变色圈的长度来测定待测气体的浓度。反应，产生变色圈，根据变色圈的长度来测定待测气体的浓度。一氧化碳检