安全监测监控原理与仪表04

返回第4章空气质量与污染物检测返回本章概要在本章中，主要介绍了氧气、一氧化碳、氮氧化物和其他有害气体以及噪声的监测原理和方法。要求学生基本掌握氧气、一氧化碳、氮氧化物和其他有害气体以及噪声的监测原理和方法，熟练掌握它们的具体操作方法。从而使学生明确常见有害气体及噪声的监测原理和方法可燃性气体监测仪器的原理及使用方法，从而使学生在实际工作中对各种监测仪器熟练运用。返回4.1氧气检测•O2是无色、无臭、无味的气体，比空气密度稍重，在空气重含量20.93%(体积比)，与生物呼吸有密切关系。稍溶于水(在0℃时1L水能溶48.89mL)能与各种物质化合，有助燃性。氧气含量减少对人体危害较大。•检测氧气含量不仅有利于防止作业人员发生缺氧症，而且对于预防火灾，判定灭火效果等方面具有重要的意义。返回•氧气的检测方法包括顺磁测量法、伽伐尼电池法等。锅炉或工业用炉燃烧状况可采用顺磁法，而缺氧场所则用伽伐尼电池法进行。煤矿井下测氧采用伽伐尼电池法进行。•4.1.1顺磁性测量法•能够把氧气同其它所有气体区分开多的最显著的特性使氧气的顺磁性，该方法是利用它的这种特性进行测量的。除氧气外，只有一氧化氮和二氧化氮返回•具有顺磁性。由于氧气具有很大的磁化率，它们被吸向强场的方向，利用这种特性可制出如下各种类型的测定仪器。•(1)直接利用吸引力的机械方式；(2)检测磁风的方式；•(3)检测界面压力差的方式；(4)测量磁阻的方式等等。返回4.1.2伽伐尼电池法1.伽伐尼电池氧传感器•(1)结构伽伐尼法电池结构如图4-1所示。电池阳极由白金(Pt)或金(Au)制成，阴极由铅(Pb)或锌(Zn)板制作，池内装有氢氧化钾(KOH)糊状电解液及高分子气体渗透薄膜。返回•(2)检测原理•氧气经隔膜进入电解池内，在阴极上产生电化学反应，反应方程式为：•O2+2H2O+4e→4(OH)-•氢氧根离子(HO)－进入阳极后，与阳极Pb或Zn产生电化学反应，其反应方程式为：•4(OH)－+2Pb→2Pb(OH)2+4e•通过上述化学反应，在电解池内产生一个离子电流，电流的大小与溶氧量成一定比例，所以可以测出氧气浓度变化。返回图4-1隔膜伽伐尼电池原理图1－阳极；2－绝缘材料；3－电解液；4－阴极；5－隔膜返回2.便携式OM－4C型氧浓度计•现以便携式OM－4C型氧浓度计为例简述如下：•OM－4C型是便携式O2浓度计，是用附带的橡胶球强制吸气使之接触传感器，并用表头指示O2浓度的只读式、小型、轻量化的浓度计。•本体由表头、固定在印刷电路板上的上盖、电源电池及收存传感器的壳体等组成，上盖和壳体用4个M5六角埋头螺栓固定，形成密闭容器。•上盖表面安装有表头、电源开关、电压用开关及校正用电位器。返回•在壳体外部有进气口和橡胶球连接口，与内部的传感器联接着。传感器的阴极、阳极、电解液及温度补偿热敏电阻装在树脂容器内，吸进的空气与阴极接触。•电路设置在固定于上盖的印刷线路板上。传感器发生的与O2浓度成比例的电流放大后，其输出可驱动表头。热敏电阻装于传感器内，作为集成电路的负反馈电阻进行温度补偿。电路全部是本质安全回路，电源电池是锰干电池(1号1.5V)3节串连，电池正负间的两个连接部分连接着一个1.5Ω、共计3Ω，用粘结剂固定的绕线型限流电阻。返回•一氧化碳(CO)为无色、无臭气体，分子量是28.0，对空气比重是0.967，在标准状态下1L气体重1.25g，100mL水中可溶解0.0249mg的一氧化碳(20℃)，燃烧时为淡蓝色火焰。•一氧化碳时炼焦、炼铁、炼钢、炼油、汽车尾气及家用煤的不完全燃烧产物。更引起人们关注的时城市交通车辆增多，在交通路口车辆频繁的场所，空气中一氧化碳的含量有时竟高达50ppm。4.2一氧化碳检测返回•一氧化碳是大气污染监测最常见的指标之一。一氧化碳化学测定方法有五氧化二碘法、检气管法、碘量法和银胶比色法。仪器测定方法有非分散红外法、气相色谱法、汞置换法、检测管法和固体电解质原电池型检测器(定位电解法)等。其中，非分散红外法和气相色谱法应用最普遍，而前者规定作为我国环境监测中测定一氧化碳的标准方法。返回4.2.1非分散红外法•一氧化碳、二氧化碳等气体，对红外线有强烈的吸收作用，每种气体的吸收峰不同(如一氧化碳吸收4.67μm的红外线)，且最大吸收峰的波长范围较窄。因此，可根据这些气体对红外线的吸收作用，测定它们在空气中的浓度。国产FQW和HW－100型红外线气体分析仪，是测定一氧化碳和二氧化碳的专用仪器。其量程一般都分为几档，最低量程为0～50ppm，最高可达0～500ppm，下面仅以一氧化碳为例，说明非分散红外法的基本原理。返回•非分散红外法分析仪的结构如图4-3所示。由光源1发出能量相等的两束红外线，被同步电机带动的扇形切光器2切割成一定周期的断续光，其中一束光通过比较室4投射到检测室5的左侧，另一束光通过试样室3投射到检测室5的右侧。检测室有金属膜片6分隔成容积相等的左右两室，金属膜片与另一片金属构成电容式传感器。检测室的左右两室中，密封有等量的一氧化碳。比较室中密封有不吸收红外线的气体如氧气或氮气等。返回图4-3非分散红外法CO测定仪原理图1－光源；2－切光室；3－试样室；4－比较室；5－检测室；6－金属膜片；7－放大器；8－指示器；9－气样返回•测定时，将待测气样导入试样室中。由于比较室中的气体不吸收红外线，因此通过比较室投射倒检测室左侧的红外线的强度不变。而经过试样室的红外线，部分地被气样中的一氧化碳吸收，因此强度减弱，气样中一氧化碳的浓度越高，红外线被吸收的就越多。而且，在一定的范围内，吸收量与一氧化碳浓度呈线性关系。于是，在检测过程中，密封在检测室左右两侧的一氧化碳接收到红外光的热能不同，产生不同的热膨胀压力，从而使左右两室间的返回•金属膜发生相对位移，改变了电容器的电容量。这个过程使光能的变化转变为电气量的变化，再经过放大器7放大后，即可推动指示器8，反映出一氧化碳的高低。实际测定前，先向仪器的试样室中送入已知浓度CS的一氧化碳标准气，读取指示仪表的分度值us(格数或毫伏数)。再向仪器的试样室中通人待测气体，并读取指示仪表的分度值ux，即可由下式求得气样中一氧化碳的浓度Cx：•Cx=1.25Csux/us•式中1.25——一氧化碳浓度值。返回4.2.2气相色谱法•在气相色谱分析中，氢火焰离子化检定器是测定烃类化合物的高效方法。用此法可直接测定气样中的甲烷，在此基础上间接测定一氧化碳和二氧化碳。测定流程如图4-4所示，该图是在一般气相分析流程的基础上，在色谱柱与检定器之间安装了一个转化炉，其作用是将一氧化碳和二氧化碳转变成甲烷。返回•分析气样时，通过接在六通阀6上的气体定量管7，取一定体积的气体，转动六通阀，借来自氢气瓶1的载气将气样带入装有TDX－01碳分子筛的色柱谱8，在色柱谱中各被测组分得到分离，按氧(来自空气)、一氧化碳、甲烷和二氧化碳的顺序从色柱谱流出，并继续通至装镍催化剂的转化炉9。返回•图4-4测定一氧化碳的气相色谱流程•1－氢气瓶；2－减压阀；3－净化管；4－调节阀；5－流量计；6－六通阀；•7－定量管；8－色谱柱；9－转化炉；10－检定器；11－放大器；12－记录仪返回•在转化炉中，一氧化碳和二氧化碳均按1:1的关系定量地转变为甲烷：CO+3H2→CH4+H2O•转化后的气体，仍按原来的顺序通过氢火焰检定器10，在记录仪12上画出各待测组分的色谱峰。•实际测定前，先向色谱仪中注入已知浓度的各待测组分的标准气样，测出它们各自色谱的保留时间和峰高；再在同样条件下，注入待测气样，测出待测气样中各组分各自色谱的保留时间和峰高。从保留时间定性确认待测气样中一氧化碳、sixihhxihsih返回•甲烷和二氧化碳各自的色谱，从峰高由下式定量计算它们各自的浓度：•Cxi——气样中被测组分的浓度；•Cxi=Csiki•式中：i——表示被测组分CO、CH4或CO2；•Csi——标样中被测组分的浓度；•——气样中被测组分的峰高；•——标样中被测组分的峰高；•ki——被测组分浓度值•本方法测量一氧化碳灵敏、快速、重现性好，是目前广泛应用的方法之一。返回4.2.3汞置换法(间接冷原子吸收法)•冷原子吸收法是测定汞的特效方法，这个方法是通过汞蒸汽对253.7nm紫外线的强烈吸收作用，利用光电转换测定器测定汞蒸汽的含量进行的。此方法也可以用于一氧化碳的间接测定。汞置换法测定一氧化碳的装置如图4-5所示。返回•在图4-5所示的装置中，利用抽气泵8，使气体通过净化器1，除去气样中的尘粒、水分、二氧化硫、硫化氢、醛、酮以及不饱和烃类化合物，然后进入装有固体氧化汞的置换炉2，在置换炉中，一氧化碳和氧化汞反应释放出汞蒸汽•CO(气)+HgO(固)=Hg(气)+CO2(气)•当汞蒸汽通过汞吸收管4时，就会吸收低压汞灯3所发出的253.7nm的紫外线，使光电管5的光电流减小，于是在显示仪表7上指示出对应于被测物浓度大小的吸光度。返回图4-5汞置换法测定一氧化碳的装置1－净化器；2－置换器；3－低压汞灯；4－汞吸收管；5－光电管；6－放大器；7－指示仪表；8－抽气泵返回•在实际测定前，先将已知浓度的一氧化碳标准气注入上述装置中，测定出标样的吸光度；再注入同样体积的待测气体，测定其吸光度，然后按下式计算气样中的一氧化碳的浓度:•Cx=CS×1.25•式中Cx——气样中一氧化碳的浓度，单位为mg/m3；•CS——标样中一氧化碳的浓度，单位为10－4%；•AS——被测气样的吸光度；•Ax——标准气样的吸光度；•1.25——一氧化碳浓度值。SXAA返回4.2.4检测管法•上面介绍得几种常见空气中气态污染物检测仪表，虽然灵敏度高、精确度高，但是结构复杂庞大、价格昂贵、操作复杂，并只能局限于实验室操作。然而对于现场使用，检测仪表必须价格低廉、操作简单、快速适时、轻便易于搬动，便携式仪表就能满足这些要求。返回•检气管，用适当得试剂(叫做指示剂)浸泡过的载体做填充剂，填装于细长的玻璃管中密封即做成检气管。检气管直径4～6mm，长150mm左右。使用时，用锉刀将检气管两端封口锉断，用一定容积的吸气球或注射器，使一定量的被测气体以一定的速度通过检气管，被测气体与指示剂发生反应，使填充剂呈现一定的颜色。检气管有比色式和比长式两种，它们分别根据颜色深浅或色柱的长短，与事先制成的标准色板或浓度标尺进行比较，就可以测出气样中被测气体的含量。每支检气管只能使用一次。•检气管具有现场使用简便、速度快、便于携带和灵敏度高等优点。返回4.2.5固体电解质原电池型检测器测量法•固体电解质原电池型检测器是一种可能做成像钢笔一样小巧的便携式检测器，有多孔电极(又叫工作电极W)和对电极C组成原电池的两极。对电极用滤纸或其他纤维浸渍适当的电解质溶液制成，多孔电极也浸渍有电解质，两电极之间用半透膜隔开。不接触待测物时，两电极处于相同情况，不产生电流。当其处在被污染的空气中时，由于被测气体的渗入而产生电极反应，产生的电流经过放大器放大后，由指示器读出被测物的浓度。有的后面不用放大器，直接用一只灵敏的微安表即可进行显示。本检测器利用控制电位电化学原理工作，所以本检测方法又被称为定电位电解法。现以AT2型一氧化碳测量仪为例说明这类一起的工作过程，其工作原理方框图如图4-6所示。返回图4-6AT2型一氧化碳原理方框图1—电源；2—恒电位环节；3—传感器；4—放大器；5—温度补偿；6—指示电表返回•被测量的一氧化碳，通过传感器聚四氟乙烯薄膜扩散到工作电极W，电极W受到恒电位环节的控制作用，具有一个恒定的电位，一氧化碳在W电极上发生氧化反应，同时在电极C上发生氧的还原反应。•W电极：CO+H2O→CO2+2H++2e电动势e1=0.12V•C电极：O2+2H+→+2e→H2O电动势e2=1.23V•总反应：CO+O2→CO2总电动势e3=1.35VnFADCi返回•图4-6中R时参考电极，给定一个恒定电位。于是在传感器工作电极W和对电极C之间，产生一个固定电动势，就有微弱的电流通过，在一定范围内，该电流大小与一氧化碳