熱學(xué)式氣體傳感器

熱學(xué)式氣體傳感器主要有熱導(dǎo)式和熱化學(xué)式兩大類。熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)率，通過對其中熱敏元件電阻的變化來測量一種或幾種氣體組分濃度的，其在工業(yè)界的應(yīng)用已有幾十年的歷史，其儀表類型較多，能分析的氣體也較廣泛(如H2、CO2、SO2、NH3、Ar 等)。熱化學(xué)式是基于被分析氣體化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，其中廣泛應(yīng)用的是氣體的氧化反應(yīng)(即燃燒)，其典型為催化燃燒式氣體傳感器，其關(guān)鍵部件為涂有燃燒催化 劑的惠斯通電橋，主要用于檢測可燃?xì)怏w，如煤氣發(fā)生站、制氣廠用來分析空氣中的CO、H2 、C2H2等可燃?xì)怏w，采煤礦井用于分析坑道中的CH4含量，石油開采船只分析現(xiàn)場漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉庫或原料車間分析空氣中的石油蒸 氣、酒精乙醚蒸氣等。美國RAE Systems公司生產(chǎn)的FGM-3100催化燃燒式可燃?xì)怏w檢測儀，其采樣方式為擴散式，檢測精度達(dá)±2%滿量程，響應(yīng)時間<15s。催化燃燒式氣體傳 感器的主要優(yōu)點是對所有可燃?xì)怏w的響應(yīng)有廣譜性，對環(huán)境溫度、濕度影響不敏感，輸出信號近線性，且其結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但其主要不足是精度低，工作溫度高 (內(nèi)部溫度可達(dá)700～800℃)，電流功耗大，易受硫化物、鹵素化合物等中毒的不利影響等。
電化學(xué)式氣體傳感器

原電池型氣體傳感器（也稱：加伏尼電池型氣體傳感器，也有稱燃料電池型氣體傳感器，也有稱自發(fā)電池型氣體傳感器），他們的原理行同我們用的干電池，只是，電池的碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧在陰極被還原，電子通過電流表流到陽極，在那里鉛金屬被氧化。電流的大小與氧氣的濃度直接相關(guān)。這種傳感器可以有效地檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等。2、恒定電位電解池型氣體傳感器，這種傳感器用于檢測還原性氣體非常有效，它的原理與原電池型傳感器不一樣，它的電化學(xué)反應(yīng)是在電流強制下發(fā)生的，是一種真正的庫侖分析的傳感器。這種傳感器已經(jīng)成功地用于：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等氣體的檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測的主流傳感器。3、濃差電池型氣體傳感器，具有電化學(xué)活性的氣體在電化學(xué)電池的兩側(cè)，會自發(fā)形成濃差電動勢，電動勢的大小與氣體的濃度有關(guān)，這種傳感器的成功實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質(zhì)型二氧化碳傳感器。4、極限電流型氣體傳感器，有一種測量氧氣濃度的傳感器利用電化池中的極限電流與載流子濃度相關(guān)的原理制備氧（氣）濃度傳感器，用于汽車的氧氣檢測，和鋼水中氧濃度檢測。主要優(yōu)點：體積小，功耗小，線性和重復(fù)性較好，分辨率一般可以達(dá)到0.1ppm，壽命較長。主要不足：易受干擾，靈敏度受溫度變化影響較大。 
磁學(xué)式氣體分析傳感器

在磁學(xué)式氣體分析傳感器中，最常見的是利用氧氣的高磁化特性來測量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，其氧量的測量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測量儀 表。常用的有熱磁對流式氧量分析傳感器(按構(gòu)成方式不同，又可細(xì)分為測速熱磁式、壓力平衡熱磁式)和磁力機械式氧量分析傳感器。其典型應(yīng)用場合有化肥生 產(chǎn)、深冷空氣分離、火電站燃燒系統(tǒng)、天然氣制乙炔等工業(yè)生產(chǎn)中氧的控制和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環(huán)保監(jiān)測等。
光學(xué)式氣體傳感器

光學(xué)式氣體傳感技術(shù)是起步較晚，但發(fā)展最快的技術(shù)之一。工業(yè)中常用的類型有紅外線氣體分析儀、紫外線分析儀、光電比色式分析儀、化學(xué)發(fā)光式分析儀、光散射式分析儀等。紅外線式的工作原理是利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應(yīng)而實現(xiàn)氣體濃度測量的，常用光譜范圍1～25μm，常用的類型有DIR色散紅外線式和NDIR非色散紅外線式。日本島津所生產(chǎn)的SOA-307/307Dx二氧化硫連續(xù)分析儀，測量方法是采用單光源雙光柱非色散紅外線吸收法，即通過向被測 氣體輻射寬帶紅外線并用波長選擇檢測器來選擇指定頻帶，以此來測量SO2特定波長紅外線輻射的吸收，其測量范圍為最小0～100ppm，最大可達(dá)0～1vol%。

常用的紫外線分析儀有不分光紫外線分析儀和紫外熒光式分析儀，前者與紅外線吸收原理類似，也是基于實測氣體對紫外線選擇性地吸收，其吸收特性也遵守比 爾定律，所使用的紫外波長范圍是200～400nm。后者如紫外熒光式SO2分析儀，是一種干法式分析儀，工作原理是基于SO2分子接受紫外線能量成為激 發(fā)態(tài)的SO2分子，在返回穩(wěn)態(tài)時產(chǎn)生特征熒光，其發(fā)出的熒光強度與SO2濃度成正比。紫外熒光式可做到不破壞樣品而連續(xù)自動測量大氣中的SO2含量。其靈 敏度可達(dá)測量范圍的0～2×10 -7 ，穩(wěn)定性可做到在24h的漂移為滿刻度的±2%，重復(fù)性達(dá)±2%滿刻度，且共存的背景氣體對測量的影響較小，具有壽命長，維修工作量小的顯著優(yōu)點。光電比色式是基于比爾定律實現(xiàn)自動光電比色測量的，其適用的分析對象有SO2、NO、碳?xì)浠衔?、鹵素化合物等。化學(xué)發(fā)光式分析儀是利用化學(xué)氧化反應(yīng)伴有的光熱生成原理而工作，常用的化學(xué)發(fā)光式分析儀有臭氧分析儀(利用O3-C2H4產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)所放出的光子來測定臭氧)和化學(xué)發(fā)光式NO X 分析儀(利用O3的強氧化作用，使NO與O3發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)來實現(xiàn)測量)。

光散射式分析儀是利用光束與氣體中的顆粒相互作用產(chǎn)生散射(前散射、邊散射、后散射)來進(jìn)行氣體濁度或不透明度測量的，是環(huán)境排放監(jiān)測中最常用的分析儀表之一。

   半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器是根據(jù)由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料制成的檢測元件，與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起載流子運動為特征的電導(dǎo)率或 伏安特性或表面電位變化而進(jìn)行氣體濃度測量的。從作用機理上可分為表面控制型(采用氣體吸附于半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的敏感元件)、表面電位型(采用 半導(dǎo)體吸附氣體后產(chǎn)生表面電位或界面電位變化的氣體敏感元件)、體積控制型(基于半導(dǎo)體與氣體發(fā)生反應(yīng)時體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的工作原理) 等?？梢詸z測百分比濃度的可燃?xì)怏w，也可檢測ppm級的有毒有害氣體。具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測靈敏度高、反應(yīng)速度快等諸多實用性優(yōu)點，但其主要不足是測量線性 范圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環(huán)境溫度影響等。 氣相色譜式分析儀氣相色譜式分析儀是基于色譜分離技術(shù)和檢測技術(shù)，分離并測定氣樣中各組分濃度，因此是全分析儀表。在發(fā)電廠鍋爐試驗中，已有應(yīng)用。工作時，從進(jìn)樣裝置 定期采取一定容積的氣樣，在流量一定的純凈載氣(即流動相)攜帶下，流經(jīng)色譜柱，色譜柱中裝有稱為固定相的固體或液體，利用固定相對氣樣各組分的吸收或溶 解能力的不同，使各組分在兩相中反復(fù)進(jìn)行分配，從而使各組分分離，并按時間先后流出色譜柱進(jìn)入檢測器進(jìn)行定量測定。根據(jù)檢測原理，又細(xì)分為濃度型檢測器和 質(zhì)量型檢測器兩種。 濃度型檢測器測量的是氣體中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比。 質(zhì)量型檢測器測量的是氣體中某組分進(jìn)入檢測器的速度變化，即檢測器的響應(yīng)值和單位時間進(jìn)入檢測器某組分的量成正比。最常用的檢測器有TCD熱導(dǎo)檢測 器、FLD氫火焰離子化檢測器、HCD電子捕獲檢測器、FPD火焰光度檢測器等。其中TCD檢測器、HCD檢測器屬于濃度型，F(xiàn)LD檢測器、FPD檢測器 屬于質(zhì)量型。TCD檢測器是應(yīng)用最早且最廣的通用性檢測器，具有靈敏度適宜，通用性強，穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單的特點。FLD檢測器對大多數(shù)有機化合物具有很 高的靈敏度，一般比TCD靈敏度約高3～4個數(shù)量級，能檢測至ppb級的痕量物質(zhì)，且響應(yīng)速度快。HCD檢測器是一種具有選擇性的高靈敏度檢測器，對電負(fù) 性物質(zhì)具有非常高的靈敏度，其靈敏度比FID還要高出2～3個數(shù)量級。FPD廣泛用于SO2 、H2 S等的分析。 總之，氣相色譜儀的主要優(yōu)點是靈敏度高，適合于微量和痕量分析，能分析復(fù)雜的多相分氣體。缺點是定期取樣不能實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣分析，系統(tǒng)較為復(fù)雜，多用于試驗室分析用，不太適合工業(yè)現(xiàn)場氣體監(jiān)測。目前已有采用計算機控制儀表系統(tǒng)的操作和進(jìn)行數(shù)據(jù)運算的氣相色譜儀，并可進(jìn)行組分越限報警，還具有自動檢查儀表故障等功能。