化工工程中气体检测器的原理及应用

2022-09-11

一、概述

气体检测器是一种检测可燃气体以及有毒气体浓度的仪表。目前常用的气体检测器通常有三类:固定式、移动式以及便携式。按采样方式分类, 一般可分为吸入式和扩散式。按检测原理分类, 一般可分为利用物理化学性质的气体检测器:如半导体型、催化燃烧型、固体热导型等;利用物理性质的气体检测器:如热传导型、光干涉型、红外吸收型等;利用电化学性质的气体检测器:如定电位电解型, 隔膜离子电极型等。

二、常用气体检测器的检测原理

1. 催化燃烧型

催化燃烧型气体检测器, 可以看成是一个小型化的热量计, 它的检测原理在近几十年几乎没有变化, 是一个惠斯通电桥结构。在它的测量桥上涂有催化物质, 催化物质在整个测量过程中是不被消耗的。正常情况下电桥是平衡的, 输出为零。当有可燃气体泄露时, 检测器中的催化燃烧室检测到扩散的气体, 可燃气体会通过传感器元件的催化剂进行无焰燃烧, 产生热量。温度根据感应电阻阻值的变化而发生变化, 由此电桥平衡被打破, 产生电压差信号。被测的可燃气体的浓度正比于此微小的电压差信号, 从而可以检测到可燃气体的浓度。

2. 红外吸收型

气体检测器的检测部分由参比室以及测量室两个并列的相同结构的系统组成。两室的光路开闭主要是由切光板完成。在测量室中进入气体之后, 与被测气体波长相同的光会被吸收, 使得通过测量室进入红外线接收气室的光通量减少。在气体浓度越高时, 红外线接收气室内的光通量就越少;由于在仪器中参比室内的光通量是恒定不变的, 因此进入到红外线接收室的光通量也一定。因此, 被测气体浓度越高, 透过测量室和参比室的光通量差值就越大。光量差通过检测器, 使检测器产生压力差并变成电容检测器的电信号, 此信号的大小与被测组分浓度成正比。

3. 电化学型

电化学型气体检测器, 用于检测有毒气体, 电化学型包括定电位电解型和伽伐尼电池型氧气检测器, 这里指的是定电位电解型。检测器的电极安装于筒状塑料池内, 电解液完全浸泡电极, 由多孔PTFE做成的隔膜被封装于顶部。电极间加电位并且连接到前置放大器, 电解质内的工作电极于被测气体发生氧化还原反应, 从而引发电极平衡电位的变化, 变化的值与被测气体浓度成正比。

三、气体检测器的应用

1. 一般气体的检测

根据我国颁布的《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》, 在有毒气体或可燃气体泄漏的情况下, 有毒气体若无法达到容许的浓度, 但可燃气体的浓度可能达到爆炸的下限 (25%) , 则应当在作业区域内设置可燃气体检测器;当可燃气体与有毒气体泄露时, 若可燃气体浓度不会达到爆炸下限 (25%) , 但有毒气体浓度可能会超过作业所容许的最高浓度时, 则应当在作业区域内设置有毒气体检测器;在有可燃气体与有毒气体同时存在的情况下, 有毒气体与可燃气体的浓度均可能达到坐高容许浓度与爆炸下限 (25%) 时, 则需要将有毒气体检测器和可燃气体检测器同时设置;若作业区域内只有一种既属于有毒气体又属于可燃气体的气体时, 应只设置有毒气体检测器。

2. 混合气体的检测

混合气体泄漏经常出现在实际的生产装置之中, 对于这种气体的检测, 下面举例并加以说明, 两种可燃气体混合的情况:氢气含量为50%, 乙烷 (气体) 含量为20%。这两种可燃气体的爆炸下限分别为4%和3%, 所以根据规范要求在爆炸下限 (25%) 时, 应当对两种气体分别设置可燃气检测器, 但由于混合气体的组分是固定的, 所以事先通过计算, 计算出哪种气体组分先到达爆炸下限, 那么可只设置一种可燃气体检测器, 节约项目成本。

首先假设有10体积气体, 计算当这10体积气体中两种可燃气体分别达到25%爆炸下限时, 混合气体的体积为:

经计算, 每10体积气体达到爆炸下限时, 混合气体的体积, 乙烷为0.375, 氢气为0.2。所以当混合气体泄漏0.2体积时, 其中的氢气已经达到了25%爆炸下限。因此可知, 这种混合气体中, 只需设置测量氢气的可燃气体检测器即可。

第二种情况为两种或多种有毒气体的混合, 假设某有毒混合气体的组分分别为硫化氢0.4%, 一氧化碳5%, 两种气体的最高容许浓度分别为10、20mg/m3, 分子量分别为34、28。由此可计算出1m3气体中, 一种有毒气体的最高容许浓度为:

经计算得出, 两种气体均超出最高容许浓度。假设两种气体均为1m3, 则计算出其在最高容许浓度下的百分比K:

通过计算可知, 硫化氢的最高容许浓度百分比为0.00066%, 一氧化碳的最高容许浓度百分比为0.0016%。混合气体中硫化氢的浓度为0.4%, 一氧化碳的浓度为5%, 因为一氧化碳的含量是硫化氢的12.5倍, 而且通过最高容许浓度下的百分比计算所得出的结果, 一氧化碳是硫化氢的2.5倍左右, 所以在此种情况下最先达到最高容许浓度是气体是, 所以只设置一氧化碳检测器即可。