气体感测器介绍

气体感测器介绍•主讲人：王湘甫美国Quest公司中国市场部经理气体感测器介绍•应用领域1.周界气体监测(环境危害)2.烟道气体监测(环境危害)3.车辆尾气监测(环境危害)4.工业安全气体监测(人身危害)5.制程(工艺流程)气体监测(生产品管研究)气体监测分类1.可燃性气体(爆炸侦测)2.氧气3.毒性气体－主要目地在人身安全及环境的保护－爆炸三要素•氧气－空气中已存在•燃料－可燃性气体,但浓度须在燃烧下限、LFT与燃烧上限、UFL之间•热源－点火源三因素需同时存在爆炸三要素•例：空气中的氧气被高浓度甲烷气取代，造成氧气不足，无法进行燃烧、爆炸！氧气热源燃料LFL-UFL缺一不可－故当在侦测可燃性气体的LEL时，需同时侦测氧气量－氧气不足的环境•氧气浓度低于19.5%体积比，窒息气体及蒸气可能取代或消耗氧气导致氧气不足的环境！氧气丰富的环境•氧气浓度超过23.5%体积比，代表非常容易导致火灾危害！缺氧危害•定义：氧气浓度低于18%氧气浓度氧之分压动脉血液氧之分压动脉血液氧之饱和度症状12-16%120-19060-4589-85脉搏及呼吸增加、精神集中费力、筋肉作业不顺、头痛、耳鸣10-14%105-7050-4087-84判断力迟钝、不安定、精神状态如酒醉、失去记忆、体温上升、全身脱力、晕眩6-10%70-4540-2074-33意识消失、昏倒、中枢神经障碍、语焉不详、脸色苍白、全身肌肉痉挛0-6%45以下20以下33以下瞬间昏倒、昏睡、呼吸徐缓、呼吸停止、心脏停止活动氧气浓度与缺氧症状对照表资料来源：NIOSH不同氧气浓度的影响氧体积比结果/影响人体23.5以上富氧环境,极容易造成火灾危害21.0%氧气在空气中正常浓度19.5%最低“安全浓度”16.0%失去方向感,降低判断力及呼吸14.0%失去判断力,快速疲劳8.0%失去心智,昏厥6.0%呼吸困难,数分钟內死亡可燃性气体定义•定义：气体的爆炸下限在10%以下,爆炸上限与下限之差在于20%以上!如:丙烯晴、丙烯醛、乙炔、乙醛、氨、一氧化碳、乙烷、乙胺、乙苯、氯乙烷、氯甲烷、环氧乙烷、环氧丙烷、氰化氢、环丙烷、二甲胺、氢、三甲胺、二硫化碳、丁二烯、丁烷、丁烯、丙烷、丙烯、溴甲烷、苯、甲烷、甲胺、二甲醚、硫化氢在正常温度、压力及含氧量可燃性气体爆炸低限LEL(空气中体积比)爆炸高限UEL(空气中体积比)甲烷Methane5%15%丙烷Propane2.1%9.5%丁烷Butane1.8%8.4%乙炔Acetylene2.5%100%氢气Hydrogen4.0%75%毒性气体定义•劳工作业环境空气中有害物质容许浓度在0.2%以下之气体•分类：－无机毒性气体如：氧、一氧化碳、二氧化硫、氨、氰化氢、硫化氢－有机毒性气体如：丙烯腈、丙烯醛、氯甲烷、氯丁二烯、环氧乙烷、三甲胺、二硫化碳、氟、溴甲烷、苯、光气、甲胺有毒气体危害•各种不同CO浓度影响CO浓度ppm影响人体/规定25ACGHI-TWA35NIOSH-TWA50OSHA-PEL/TWA200可能轻微前额头痛,在2-3小时內,NIOSHCeiling400前额头痛及反胃想吐,在1-2小时后800头痛、头昏眼花、反胃想吐,在2小时內1200NIOSH-IDLH资料来源:AIHA有毒气体危害•各种不同CO浓度影响CO浓度ppm影响人体/规定1600头痛及头昏眼花,在20分钟內失去知觉并危及生命,在2小时內3200头痛及头昏眼花在5-10分钟內失去知觉并危及生命在30分钟內6400头痛及头昏眼花,在1-2分钟內失去知觉并危及生命,在10-15分钟內12800立即产生影响,失去知觉危及生命,在1-3分钟內资料来源:AIHA有毒气体危害•各种不同H2S浓度影响H2S浓度ppm影响人体/规定4.6可容易检测,闻到异味10开始刺眼,ACGHI-TWA,NIOSH-Ceiling15ACGIHSTEL20OSHACeiling27强烈不愉快的味道50最大曝露量:10分钟OSHA资料来源:ANSI有毒气体危害•各种不同H2S浓度影响H2S浓度ppm影响人体/规定100咳嗽,刺眼,在2-5分钟后鼻子失去味觉;NIOSH-IDLH200-300眼睛发炎及呼吸管道刺激,在1小时后500-700失去知觉及可能死亡,在30分钟-1小时內700-1000快速失去知觉,暂停呼吸及死亡1000-2000立即失去知觉并提早停止呼吸及死亡,在数分钟內资料来源:ANSI常见气体监测仪器种类1.红外线IR2.气相色谱GC3.光游离检测仪PID/火焰游离检测仪FID4.比色法(比色管)5.电化学及其他红外线气体监测器•原理：利用气体可吸收特定波长之红外线的特性(O2、N2、H2不吸收)化合物波长μmCO24.27CO4.76SO29.00NH310.95苯9.93Freon1110.96红外线气体监测仪器•优点1.可快速测出多种化合物2.单一气体定性定量佳3.可检测低浓度ppm•缺点1.湿气干扰大2.混合复杂气体适用性依应用3.需专业且有经验的人来研判结果4.价格高气相色谱仪GC•原理系统包括:1.检测器-FID、TCD、PID、MAID、ECD等2.载送气体3.分离柱(填充柱、毛细管柱)4.可温控柱箱5.讯号处理与记录－样品经由注射或自动导入,由载送气体载送样品通过分离柱,到达检测器感测,因不同成份化合物通过分离柱的时间不同,且浓度与检测讯号成比例,故可定性及定量－气相色谱仪GC•优点1.可同时监测数种挥发性有机化合物2.可定性及定量(需有标样)3.可检测低浓度ppb或ppt•缺点1.操作复杂2.需专业有经验3.分析时间最快,约20-30分钟(从暖机到结果)4.价格高光游离检测仪PID•原理:使用能量10.2-10.6eV的UV光,作从游离样品分子之能源,样品游离后,以正电荷极收集游离电子,产生电流,浓度与电流成正比光游离检监测仪PID•优点1.使用方便,可快速量测2.操作不需专业人员的经验判断3.适用土壤气量测4.适合芳香族有机物的综合浓度指标!5.价位适中6.检测浓度ppm-ppb•缺点1.湿气干扰大2.无法定性定量3.极限于芳香族有机物,带氯化合物无法侦测!4.客户易误认它的功效!(宣传误导)5.无法测O2、N2、CO及CO2火焰游离检测仪FID•原理:利用火焰燃烧裂解有机物,产生导电之离子中间物,由于该导电之离子中间物可降低火焰之电阻,因此,当物质进入火焰且被燃烧游离时,会使电流增加,此电流讯号与化合物之碳数(CH基)浓度成正比火焰游离检测仪FID•优点1.非常灵敏及应用广泛,技术成熟2.GC+FID实验室最佳的定性定量分析工具3.湿气不影响4.检测浓度ppm-ppb•缺点1.需使用H2从载送气体,不易成从便携式2.若无分离柱,则无法定性定量3.CO2、CS2、SO2、NH3、NO、NO2、N2O、SiF4、SiC14无法检测4.价格高于PID比色法(比色管)•原理:利用化学试剂与特定气体化合物反应后呈色,所呈现颜色与浓度具有关系•优点1.价格最便宜2.使用方便,携带方便3.可定性•缺点1.一次性,无法校正及重复确认操作!2.有使用期限6个月-1年不等,依厂牌而定3.温度及湿气影响大4.适用范围小5.实际量测误差:+25%或更大!电化学及其他气体检测器•触煤燃烧法(CatalyticCombustionMethod)•电化学法(ElectrochemicalSensor)定电位电解法-PotentiostaticElectrolysisMethod隔膜离子选择电极法MembranceTypeIon-SelectiveElectrode隔膜卡而巴尼电池法MembranceTypeGalvanicCell•半导体感测器(SemiconductiveDetector)触煤燃烧法•主要用于量测可燃性气体•基本原理:惠斯登电桥HC+O2CO2+H2O触煤氧化250°C-500°CHC+O2CO2+H2O氧化600°C触煤燃烧法•惠斯登电桥电路•R1/R2-电阻•VR－（可变电阻）•Vin－（输入电阻）•Vout-输出电压（检测电压）•D－感测元件（样品通过）內部从白金丝，周围包覆耐高温氧化物（如氧化铝），其外表再涂上一层触煤•C－补偿（参考）元件（样品不通过）其结构与感测元件相同，用以温度变化补偿•原理:当待测气体通过已预热且外表涂有触煤的感测元件时,因燃烧造成升温而感测端电阻升高,电流下降.如此使在电桥之输出电压上升,电压改变的大小与浓度成正比,经计算成LEL－触煤燃烧法•应用:检测可燃性气体的爆炸下限LEL优点1.使用简单,成熟技术2.输出值与气体浓度之线性良好3.适用高浓度4.价格便宜缺点1.混合气体无法定性及定量2.触煤表面容易被H2S、SO2、鉛、SO2、卤化物、硅化物汙染而中毒定电位电解法PotentiostaticElectrolysisMethod结构：三极式感测电极参考电极计数电极电解液感测电极电解液（硫酸）计数电极参考电极透气薄膜分析气体渗入•原理:在感测电极与参考电极之间保持一定电位差,感测而电极表面涂有触煤(白金或黃金),当分析气体经薄膜渗入电解液內,在触煤表面则产生氧化或还原反应而释放出电子,其在感测电极与计数电极之间所产生的电流比例于浓度定电位电解法•气体选择性決定于以下的组合电解液电极材质供应电压－所供应电压,对检测灵敏度影响很大－此电压供应在感测电极与参考电极之间－此电压须保持固定,即使当氧化反应产生时!(电流造成电压下降)•温度影响:电化学反应受温度变化影响,需內有感温元件来补偿温度变化的影响!电位电解法感测器•例子:一氧化碳感测器CO经薄膜渗入电解液在感测电极被氧化反应方程式如下:－在感测电极：CO+H2OCO2+2H++2e-－在计数电极：O2+4H++4e-2H2O－经由氧化CO及原还O2,则2个电子被释放出而产生电流－上述反应约每ppmCO产生0.1mA电流－在感测电极与计数电极间产生的电流与CO浓度成正比感测器所产生的电流经放大器及转换显示CO浓度电化学感测器－氧气•常见的两种基本的量测型式1.量测气体的分压2.量测气体的浓度（Quest）电化学感测器－氧气•量测氧气分压1.由气体经由薄膜扩散到內部电解液来控制2.传统方法（与水中溶氧相似）3.温度影响量测較大4.海拔影响量测較大•量测氧气浓度（Quest）1.由气相扩散barrier来控制2.使用CityTechnology的感测器3.温度系数相对小4.海拔改变对讯号改变很小电化学感测器－氧气•测量浓度(Quest)VS量测分压•优点1.稳定性非常好2.反应快速3.环境气压及海拔不影响量测4.非常低的温度系数半导体型感测器•半导体型感测器ＳemiconductiveDetector•原理:当待测气体通过已加热感测器时,可吸附在金屬氧化物(如SnO2)表面,造成感测材料之电导度(电阻)变化,而电导度(电阻)变化比例于浓度.SnO2感测材料层白金丝量测电极氧化铝之保护层Al2O3氧化铝基板白金丝加热器半导体型感测器•优点:1.低浓度气体检测讯号输出变化大,感度高2.寿命略长,长期稳定性佳3.反应速率快4.操作简单缺点:1.线性不佳2.不适用于高浓度气体监测3.选择性差,无法定性定量4.易受温度变化及湿度的影响5.缺氧状况检测效果差电化学感测器•典型感测器反应时间感测器T-90感测器T-90LEL15秒二氧化氮30秒氧气10秒氯气90秒一氧化碳35秒氰化氢60秒硫化氢60秒氯化氢200秒二氧化硫20秒氨气150秒一氧化氮35秒资料来源:英国CityTechnology毒性气体及可燃性气体感测器TWASTELCEILING一氧化碳35100200硫化氢101520氨气253550丁烷800二氧化碳10,00030,000氯气0.511己烷50氯化氢555氰化氢4.74.710氧化氮252550二氧化氮258单位:ppm气体规格资料气体量测范围分辨率高警报点STEL警报点TWA警报点CO0-999120010035H