《气体探测器》PPT课件.ppt

火灾探测与自动报警工程,第三章 火灾探测器原理及应用3.4 气体探测器,2,主要内容,可燃气体和火灾中的气体产物气体检测的方法与种类几种气体传感器及应用半导体气体传感器接触燃烧式气体气敏传感器化学气体传感器红外吸收式气体传感器三元复合火灾探测,3,可燃气体和火灾中的气体产物,可燃气体石油联合企业、煤矿、化工厂等单位不断发生气体泄漏、爆炸事故，引发火灾，大气污染日趋严重，普通家庭也常有气体中毒事故。为了防止气体事故发生，对CH4等爆炸性气体的检测与控制势在必行，因而需要研制检测气体的传感器和研究各类气体的检测方法。,4,可燃气体和火灾中的气体产物,火灾中的气体产物多种多样，如CO2、H2O、CO、气态碳氢化合物 醇类、酮类、酸类、脂类等硫化物、卤素化合物,5,可燃气体和火灾中的气体产物,CO和CO2被大多数人作为火灾的标志气体产物,6,可燃气体和火灾中的气体产物,火灾探测器响应与火灾不同发展阶段的对应关系,7,气体检测的方法与种类,8,气体检测的方法与种类,火灾气体产物探测的主要原理电气方法：利用半导体气体器件检测光学法：利用气体对光的折射率或光吸收等特性电化学法：利用电极和电解液对气体进行检测影响气体传感器特性的主要参数灵敏度、响应时间、选择性、稳定性湿度特性、电源电压特性,9,气体检测的方法与种类,灵敏度元件的阻值变化量与气体浓度变化量之比气敏元件对气体的敏感程度；决定测量精度空气中的阻值R0与在被测气体中的阻值之比R响应时间从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的时间表示气敏元件对一定浓度被测气体的反应速度,10,气体检测的方法与种类,选择性在多种气体共存的条件下，气敏元件区分不同种类的气体的能力比如：有检测CO的气敏传感器、有检测瓦斯气体的气敏传感器，它们分别对CO和瓦斯气体有很好的灵敏度很重要的参数，也是应用中的难点之一,11,气体检测的方法与种类,稳定性气体浓度不变时，若其他条件发生变化，在规定的时间内，气敏元件输出特性维持不变的能力表示气敏元件对于气体浓度以外的各种因素的抵抗能力温度特性气敏元件灵敏度随温度变化的特性元件自身温度对灵敏度的影响与所用材料有关环境温度对灵敏度的影响可以通过温度补偿解决,12,气体检测的方法与种类,湿度特性可以用湿度补偿解决电源电压特性需采用恒压源改善传感器的电源电压特性,13,半导体气体传感器,14,半导体气体传感器,半导体气体传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化，借此检测特定气体的成份或测量其浓度,15,半导体气体传感器,分类电阻式：用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度非电阻式：利用二极管的整流作用及场效应管特性,16,半导体气体传感器,1.表面控制型电阻式传感器利用半导体表面吸附气体引起半导体元件电阻值变化的特性制成的传感器检测对象：主要是可燃性气体，吸附力很强时，也可以检测非可燃性气体优点：检测灵敏度高、响应速度快、实用价值大材料：氧化锡和氧化锌等难还原的氧化物，也有用有机半导体材料。同时需要掺入少量的贵重金属作为激活剂。掺入贵金属的目的,增强气体选择性提高灵敏度,17,半导体气体传感器,1.表面控制型电阻式传感器敏感元件的阻值R与空气中被测气体的浓度C成对数关系变化,m：气体分离率，传感器的灵敏度,n：与材料和气体种类有关，还与温度和激活剂有关,18,半导体气体传感器,1.表面控制型电阻式传感器工作原理,如果半导体表面吸附有气体，则半导体和吸附的气体之间会有电子的施受发生，造成电子迁移，从而形成表面电荷层。如果吸附了像氧气这类电子复合量大的气体后，半导体表面就会丢失电子，被吸附的氧气所俘获（负电荷吸附）,与被测气体进行反应时，被氧气俘获的电子释放出来，半导体的电阻就减小,实质：将传感器的表面作为一种催化剂，使氢气和一氧化碳触媒燃烧。支配传感器阻值增减的是氧气吸附，可理解为可燃性气体能起到改变其浓度的作用。这种半导体表面触媒燃烧存在着气体检测灵敏度与气体的易燃性成正比的倾向,19,半导体气体传感器,2.体控制型电阻式传感器将材料的体电阻随某种气体的浓度发生变化的传感器应用最多的是Fe2O3，TiO2等氧化物半导体气敏元件,发动机、锅炉等，为了达到节省能源、并净化排出气体的目的，需要对空气燃料比进行控制，可以采用气体传感器来检测排出气体中的氧气分压，从而控制空气燃料比。但是为了防止不完全燃烧和误点火，最好用检测不完全燃烧气体的方法,20,半导体气体传感器,应用,21,接触燃烧式气敏传感器,22,接触燃烧式气敏传感器,1.气敏元件的检测原理与结构基本原理：可燃性气体与空气中的氧接触，发生燃烧反应，产生反应热，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，具有正的温度系数的金属铂的电阻值相应增加，并且在温度不太高时，电阻率与温度的关系具有良好的线性关系铂电阻值的增大量与可燃性气体浓度成正比；为了提高其响应特性，延长使用寿命，可以涂一层氧化物触媒,23,接触燃烧式气敏传感器,工作时需要通电流，并保持300-600度高温,24,接触燃烧式气敏传感器,金属丝温度升高，电阻值增大,25,接触燃烧式气敏传感器,2.气敏元件的工作特性,输出信号与浓度大小成线性关系,26,接触燃烧式气敏传感器,接触燃烧式气体传感器的长期稳定性及其寿命与触媒的寿命密切相关，触媒的寿命又与敏感元件的工作温度、空气中的粉尘和烟雾等有害物质的浓度、空气中是否存在能使触媒出现“中毒”现象的气体如SO2等因素有关工作温度越低越好，以提高其长期稳定性。为了减轻空气中粉尘和烟雾等危害，可以设置过滤器等装置。用混合触媒可以提高稳定性以及敏感元件的选择性,27,化学气体传感器,28,电化学气体传感器,半导体气体传感器的原理是检测无机半导体膜吸附气体时发生反应引起的电阻值变化，实际上，大多数半导体材料对气体的吸附反应都不具有识别分子或官能团的特异性，所以，对气体的选择性差，且一般需要在300以上的工作温度中，需要加热装置接触燃烧式气体传感器对气体的选择性有所提高，但在一定场合对特定气体的选择性仍然较差。电化学传感器采用检测气体在电极上的反应对气体进行识别检测，其特点是体积小、耗电小、线性和重复性较好、寿命较长。,29,电化学气体传感器,恒电位电解式气体传感器,对特定气体来说，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随电解时，作用电极的材质、电解质的种类不同而变化,电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体,原理,30,电化学气体传感器,电解电流和气体浓度的关系,在同一传感器中，n、F、A、D 及 是一定的，所以电解电流与气体浓度成正比,31,电化学气体传感器,CO检测,32,红外吸收式气体传感器,33,红外吸收式气体传感器,物质分子可以吸收一定光谱的红外线利用观察样品物质对不同波长红外光的吸收程度，进行研究物质分子的组成和结构的方法，称为红外分子吸收光谱法，简称红外吸收光谱法或红外光谱法红外吸收式气体传感器的原理：,对气体照射红外光，则分子的动能发生变化，吸收特定波长光，这种特定波长光由分子结构决定，因此可由该吸收频谱判别分子种类，由吸收的强弱可测得气体浓度,Lambert-Beer定律,34,红外吸收式气体传感器,气体在特定波长上的吸收度（入射光强与出射光强之比的对数）与吸收路径及气体浓度成正比关系,设当光强为 的红外光透过一光学路径为L、光谱吸收系数为 的均匀介质后，其透过光强 可表示为：,35,红外吸收式气体传感器,工作过程：信号探测部分主要由发射器、探测室和接受器组成，在正常情况下，发射器发送检测气体对应特定吸收波长的脉冲红外光束，经过气体探测室照射到接收器的光敏元件上。探测室可做成吸收式以提高传感器的灵敏度并缩短响应时间。当检测气体进入探测室，接收器接收经由检测室气体吸收衰减的红外辐射能量，从而由红外特征波长得知气体的种类，由气体吸收红外光束能量的强弱得知气体的浓度,灵敏度高、气体选择性好、可靠性好、响应速度快,36,红外吸收式气体传感器,37,红外吸收式气体传感器,双波段线型红外可燃气体探测器,在监测过程中，任何环境因素的影响对两个波段光强的影响作用是一样的，从而在实际上抵消了大气环境等变化因素的影响,38,气体检测方法比较,不同气体检测方法的特性比较,39,三元复合火灾探测,40,三元复合火灾探测,任何一种单一传感元件的火灾探测器都难以实现对各种火灾的有效探测，由于感烟、感温及气体探测分别对应于不同火灾的不同发展阶段，因此将这三种火灾探测技术结合，形成复合探测技术，可以相互取长补短，既实现早期火灾探测，又能提高探测系统的灵敏度与可靠性,41,三元复合火灾探测,光电感烟和感温探测火灾的技术已经相对成熟，可燃气体探测技术也起步较早，因此将感烟、感温探测技术与火灾气体探测技术相结合，实现火灾复合探测技术，具有实际可行性,42,三元复合火灾探测,对比半导体气体传感器、感烟探测器、光电探测器和离子探测器，并把复合探测器与感烟探测器的试验结果作了比较，结果复合探测器能正确无误地判别有焰火，探测阴燃火的概率也比感烟探测器高，总体误报率降低了10%。不仅如此，实验还表明复合探测器探测有焰火比感烟探测器探测有焰火平均时间缩短了57%，探测阴燃火比感烟探测器平均时间缩短了30%,43,三元复合火灾探测,Oppelt等人利用CO电化学传感器与光电感烟、感温探测器，对欧洲标准火及香烟等干扰源的烟雾散射信号、温度及CO信号进行了测定,44,三元复合火灾探测,复合型探测器算法是其主要关键技术，对于CO、光电感烟和感温复合探测器，采用一般的门限比较方法进行火灾判断显然不能满足实际应用需要，因此引入了多输入变量的复合偏置滤波算法。这种算法将单输入的偏置滤波算法扩展到了多输入的条件，采用滤波器将多种火灾信号特征如烟雾信号、CO气体信号、温度信号实现综合，因而提高了火灾探测效率及可靠性。,