1、第四章 气体检测,一、本章教学目的 掌握气体检测仪表原理、使用及各种气体传感器检测原理。 二、本章主要内容 第一节 气体检测概述 第二节 热导型气体检测热导型气体检测工作原理、测量热导元件、传感器结构与检测原理 第三节 载体热催化原理气体检测热催化元件、热催化型元件检测甲烷等可燃气体的原理、载体热催化元件的特性、可燃气体遥测报警断电仪 第四节 一氧化碳和硫化氢气体检测检知管结构和检测原理、定电位电化学一氧化碳传感器、一氧化碳和硫化氢检测报警器、红外线气体分析,第五节 氧气（O2）浓度检测电化学化测氧、电磁法测氧(O2)、 第六节 光干涉法瓦斯检测器光干涉式甲烷检定器原理与结构、光学甲烷机检定器
2、的使用 第七节 气相色谱仪气相色谱仪组成及检测原理、定性与定量分析 重点与难点：1、各种气体检测仪表原理；2、各种气体检测传感器的原理与性能,第一节 概 述,1、有害气体成份可燃爆炸性气体：CH4、C2H4、C2H6、C3H8、H2、C2H2等中毒性气体：CO、H2S、氰氢酸等窒息性气体：NH3、N2、CO2等助燃气体：O22、气体检测传感器的种类热导类各类气体热催化类可燃性气体电化类CO、O2磁学类顺磁性气体O2、NO、NO2光学类红外线CO、CH4等各种气体气相色谱类气体分析，各类气体,3、气体检测传感器的要求1) 可燃气体最小值在下限1/10以下；2) 中毒性气体在允许浓度1/10以下；
3、3) 可燃性气体反应速度30S；4) 中毒性气体反应速度10S；5) 无论是可燃气体，还是中毒性气体报警点都任意可调；6) 工作环境(1）工作温度-2040；(2）工作电压或电流为工作电源的电压或电流10%波动;(3）本身要防爆、防中毒；(4）防振、防冲击、强度大。,第二节 热导型气体检测,一、检测原理1、热导原理利用各种气体热导率与空气热导率的差异，以及热导率与气体浓度的关系原理来实现对气体浓度进行检测的。各个气体的热导率：,气体的热导率，cal/cm.s,气体的分子量，kg,气体分子热运动的平均速度，cm/s,气体定容比热，Jmol/K,单位体积内分子数,自由路程平均长度，cm,气体分子的
4、有效直径，cm,绝对温度，K,肖节伦德常数，由实验确定,由上式可知，气体的热导率随温度增加而增加，当温度为定值时，热导率与气体分子直径成反比，分子直径越小，由其热导率越大，在一般情况下热导率与气压无关。,2、混合气体的热导率气体的热导率与温度的关系复杂，常用下式表示：式中： t、0 分别为t和0时的热导率；一定范围内气体热导率温度系数。对于混合气体的热导率可以粗略的认为是各组分的热导率之平均值，即：式中： c、i分别为混合气体热导率和i种气体热导率。ni为第i 种气体的百分含量。,设空气中有CH4为m，空气的热导率为a，甲烷热导率为。甲烷和空气混合气体热导率为c。 则： 由上式可看出，只要测出
5、c，就可测出m值。,主要气体的导热率 单位：卡/厘米秒度,二、热导元件热量电阻变换元件、热变元件1、金属丝热敏电阻由于R与t成正比，一般选取用R温度系数较大的材料好，铂电阻、钨丝、铼钨丝要求：丝直1050m ，纯度愈高愈好，特点：稳定性好，零漂小，线性好，重复性高，寿命长缺点：工艺复杂，化学稳定性差；互换性差。,2、半导体热敏电阻1）金属氧化物半导体2）炭化硅半导体3）钛酸钡正特性热敏半导体热敏电阻的温度系数比铂丝温度系数大得多。当工作温度为180时，相当于铂丝的5倍，故半导体热敏电阻的灵敏度比铂丝灵敏度高约510倍。 特点：（1）受CO2、水蒸气影响较大；（2）零点飘移；（3）元件的一致性和
6、互换性较差受加工工艺影响较大。 甲烷的热导率是空气的热导率的1.296倍，因而用热导方法来测量浓度很低的甲烷时得到输出信号很小，,三、传感器原理热导式传感器采用电阻温度系数较大的金属丝（铂丝或钨丝）或半导体热敏电阻作为敏感元件。把性能相同的一对热导元件分别接在电桥电路的两个臂上，一支放置在与被测气体相通的气室中，叫测量元件；另一支放置在充满地面标准大气的密闭气室中，叫补偿元件，如图4-2-1所示。工作时，当测量元件与补偿元件输入同样的电流后，产生的热量相同，但由于散热介质不同，使两元件存在一定温差，两元件产生一个与温差相适应的热态电阻差，破坏电桥平衡，电桥输出一个与被测气体浓度变化成比例关系的
7、电信号。,四、特点由于纯被测气体或高浓度的被测气体的热导率与空气的热导率相差较大，所以测量高浓度时，精度高。但是如果被测气体浓度较低，其热导率与空气的热导率相近，输出信号较弱，其灵敏度和分辨力很小，因此，这类传感器不适用于在低浓度下使用。 五、仪器目前，热导型仪表型号繁多，有我国生产的LRD1型甲烷检定器和与煤矿安全生产监测系统相配接的KG3001型甲烷传感器，波兰生产的CKA型高浓度甲烷传感器和德国生产的BD甲烷传感器等等。,第三节 载体热催化原理气体检测,一、载体热催化的特点 1、对可燃气体下限以下气体浓度的测量，其输出呈线性； 2、对于爆炸下限以下浓度测量时，能输出数十毫伏的电信 号，灵
8、敏度高； 3、对不可燃气体不反应； 4、受硫化物、卤化物、硅氧基化合物及砷、氯、铅等化合物和空气中的OH键及氮氧化物影响，元件产生中毒现象； 5、元件遇到高浓度可燃气体时，易损坏； 6、元件工作温度高，表面温度在300400，而内部温度可达700800，对氢气有爆炸性。,二、热催化元件 1、纯铂丝催化元件 1）结构：如图4-3-1所示 2）特点 (1)结构简单，制造容易； (2)抗中毒能力强在100ppmH2S， 1CH4可连续工作4小时，活性不下降； (3)元件的工作温度高（9001000），铂丝升华严重，造成零飘严重；,图4-3-1 纯铂丝元件,2、载体催化元件1）载体催化元件组成载体催化
9、元件组成如图4-3-2 由铂丝线圈、载体和催化剂。,载体,催化剂,铂丝线圈,2）各部分功能(1)铂丝线圈：A、对载体和催化剂进行加热，使可燃气体接触元件后达一定的氧化状态；B、把可燃气体在催化剂作用下燃烧生成的热量检测出来；(2)载体A、提供较大的反应接触面积；B、固定铂丝的几何形状；C、附载催化剂；D、传导热量给铂丝。(3)催化剂：钯Pd 、铂Pt、钍Th等A、加快反应速度； B、降低气体燃烧温度（650降到350）,3）制作缠丝去芯附载体附催化剂老化处理黑元件检测元件；白元件补偿元件（未涂催化剂，对环境（风速、温度、湿度、电流、电压）变化影响进行补偿；配对使用。,二、催化型元件检测可燃气体
10、的原理 1.载体热催化元件及检测原理 其检测原理是甲烷等可燃气体等在催化剂（铂、铑、钯）的作用下，在元件的表面产生氧化反应，生成二氧化碳和水，同时放出热量。其氧化反应式为：释放出的热量Q使元件的温度上升，造成铂丝的阻值变化。铂丝的电阻在0630.74范围内与可燃气体浓度成正比。,2.载体热催化型可燃气体传感器利用载体热催化元件制成传感器的结构如图4-3-3所示，主要有黑（热催化元件）和白（补偿元件）两种元件，其阻值分别为r1和r2，与固定电阻R1和R2组成电桥电路。为使电桥在无可燃气体状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W1。电阻r2并联在白元件r2上，补偿黑白元件热学性质差异的元件，以改
11、善电桥的零点飘移。,图4-3-3 载体热催化原件测量原理图,R2,R1,电阻温度系数小,调零电位器,补偿黑白元件热学性质差异,3.工作过程传感器工作时，在恒流源作用下，有电流流过电桥四个臂。无可燃气体气体时，电桥输出平衡；有可燃气体时，可燃气体与氧气在黑元件表面进行无焰燃烧，放出热量被元件吸收引起元件温度升高，使铂丝电阻增大。另一方面，白元件上无催化剂，可燃气体在其表面不进行氧化燃烧。但它处在与黑元件相同的工作环境，起着对非可燃气体环境变化（环境温度变化、湿度变化、风速变化以及电源电流电压变化）而引起的催化元件阻值变化补偿作用。这样就破坏原来电桥平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。然后
12、将此信号送入放大电路放大，再送至显示、报警或其它单元，实现对可燃气体浓度的检测。,三、可燃气体检测报警便携仪目前国内外利用载体热催化原理元件生产的可燃气体检测报警便携仪的厂家和型号较多，但它们的检测原理和结构基本一样，采用载体热催化元件作为检测元件，通过电桥电路输出电信号，经放大后，分别送给报警电路和A/D转换电路。A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，由液晶显示出可燃气体浓度大小。当可燃气体浓度达到报警设定值时，通过比较器输出一高电平，驱动报警电路实现声光报警。为了保证仪器使用的可靠性，多数仪器均设有欠压报警（或指示）及传感器故障等自检电路。如图4-3-4。,本安型电池,声报警驱动,光报警
13、驱动,报警信号发生器,报警信号锁存器,过冲保护电路,稳压电源,电源变换,逻辑电路,电桥电路,控制开关,A/D转换,LED数字显示转换,超限比较,工作选择,报警点选择,欠压、指示、控制,数字锁存,图4-3-4 某甲烷气体检测便携仪原理框图,优点：体积小，结构简单，功耗低、性能较稳定及使用寿命长。测定低浓度可燃气体时，输出信号较大（1%CH4时，输出电压可达150mV以上），信号处理和显示较简便、直观，易于实现超限报警、遥测。 缺点：是催化剂与硫、铅、磷、氯等化合物接触时，催化性能逐渐降低，使仪器的灵敏度降低。,四、载体热催化元件的工作特性1、元件的活性：可燃气体燃烧速率。活性高，输出信号大；2、
14、稳定性：在新鲜空气与一定可燃气体环境中连续工作时间；3、工作点和工作区间：元件的标准工作电压或电流（如1.2V）；元件的工作电流或电压变动时，元件的输出活性保持直线，电压或电流变化范围称为工作区间（10%）；4、输出特性：元件的输出与可燃气体浓度之间的关系，对于载体热催化元件，存在双值现象；,80%,5%,9.5%,缺氧使燃烧不充分,5、静态方程热量平衡载体热催化元件是利用甲烷与氧气在元件表面反应的热效应来检测甲烷浓度的。元件在工作过程中的热力学关系决定了它的工作特性，其中元件温度增量T是热力学关系中的中心变量。工作时元件置于检测气室中，通工作电流，对于补偿元件(白元件)由于工作电流加热功率转
15、换后所获得的热量Q。(4-3-2) 式中 Q元件获得的热量，W；I元件工作电流，A；R元件电阻，。,补偿元件损耗的热量，包括周围空气带走的热量Q1，元件向周围空间辐射散热Q2，元件铂丝通过引线传导散热Q3，设环境温度为T0，补偿元件温度为Ti，热导功率与温度梯度成正比，与热导面积成反比。1、3分别为空气的热传导系数和铂丝的热传导系数， J/m2S；S1、S3分别为元件和铂丝的截面积， m2；Ti、T0分别为元件的温度和环境的温度，。A辐射系数；斯芯潘常数，=5.668610-12，J/msK4。,白元件达热平衡时， (4-3-4)对于检测元件(黑元件)，由于有甲烷产生燃烧，产生反应热Q，电阻也
16、有一个相应的增加量R，故对检测元件热平衡方程：(4-3-5),设铂电阻的温度系数为t，黑元件作为绝对黑体处理，A=1，而R=R0tT，则(4-3-5)式可写为：式中 t金属丝电阻温度系数； Q元件获得的热量，W； Q甲烷燃烧生成的热量， W； TQ引起的温升， K； RT引起的电阻变化，； I元件通过的电流， A； R元件通过的电阻，。,由静态方程(4-3-4)和(4-3-6)式可知，热传导和热辐射是工作元件的热损耗。它们的情况决定了元件工作特性。随着加热电流的增加，元件温度逐渐上升，开始辐射热较小，热传导损耗是耗热的主要部分。由于辐射热与温度4次方成正比，随温度升高，辐射散热所占的比重逐渐增
17、大。当温度升高到400以后，辐射散热超过传导热而成为主要部分。温度继续升高，辐射热迅速增加，当温度超过620时，由于辐射散热作用，元件温度进一步增加就比较困难。温度620对应甲烷浓度是4%(工作电流0340mA)。因此，4%以后浓度再增加，元件输出的增加量将明显减少，这就引起元件对高浓度CH4进行检测时呈非线性，误差大。利用静态方程，可对元件的工作特性，如检测范围、补偿电阻的作用等问题予以解释。,6、元件的中毒特性催化剂与S、P、Pb、Cl、Si作用，使其催化活性降低，其实质是发生物理化学作用。暂时中毒能恢复，如S、Cl化物；永久中毒不能恢复；如Si 、Pb。中毒程度与中毒物的浓度和接触时间长
18、短有关；用相对灵敏度表示： 相对灵敏度某一时间的元件的灵敏度/元件的初始灵敏度100 措施了解毒物，用抗中毒元件，加过滤器等,7、载体催化元件的激活特性经过一段工作的元件遇到高浓度可燃气体数分钟后，元件的活性升高，高浓度可燃气体消失后，几十小时元件的活性又下降到原来值。8、载体催化元件的仪器反应速度指仪器从接触可燃气体到传感器元件能正确地指示数据为止，所经历时间。与传感器元件本身的时间常数和气体进入仪器的气室结构有关。(1)元件本身的时间常数E、T、I(2)气室结构扩散型和对流型 扩散型与对流型气室反应速度对比表,9、高浓度可燃气体的影响(1)可燃气体浓度在爆炸范围内燃烧充分，元件烧结，烧裂，
19、催化剂挥发；(2)可燃气体浓度在爆炸范围以上燃烧不充分，碳粒集结，元件烧崩裂，催化剂挥发； 10、元件的使用寿命灵敏度下降50的时间。,50%,五、可燃气体遥测报警断电仪可燃气体遥测报警断电仪除具有连续监测可燃气体浓度的功能外，还具有报警、断电功能、输出标准信号和探头断线自检功能。实现了由“间断”到“连续”，由“就地”到“远距离”检测的飞跃，为矿山安全监测系统的发展奠定了基础。 1.可燃气体遥测断电仪可燃气体遥测报警断电仪种类较多。但是它们的功能、基本原理和线路基本相同。仪器主要由就地和远地两部分组成，就地部分由传感器、主机、和声光箱组成；远地部分主要是由接收机和记录仪组成。就地和远地均是由电
20、缆连接。如图4-3-5某可燃气体遥测仪的原理框图。,图4-3-6 可燃气体遥测仪原理框图,探头是采用黑白元件组成的电桥电路，将可燃气体浓度变成电信号送给放大器进行放大，放大信号分为四路：第一路送给本身电表就地显示可燃气体浓度；第二路送给报警电子开关，当可燃气体浓度达到报警点时，报警电子开关动作，发出声光报警；第三路送给断电电子开关，当可燃气体浓度达到断电点时，即信号达到断电开关的触发电压时，则电路翻转，继电器吸合，使外控磁力起动器的控制绕组断电，从而达到切断就地电气设备电源之目的；第四路送给V/f转换电路，将直流电压信号转换成频率信号，去调制载波信号向地面发送。,接收机接收到远处发送的被调制信
21、号，经过接收、放大和检波后，转变成与就地主机内电压频率转换输出的方波个数相同的脉冲信号，再进行频率/电压转换，又将频率信号转换成电压信号。一路送给远处主机电表显示就地被测地点可燃气体浓度；另一路送报警电路，在地面发出声光报警；第三路送给记录仪，实现远处对就地可燃气体浓度连续检测。,2.可燃气体断电仪可燃气体断电仪有固定型（用于控制固定型电气设备）、车载型（用于控制电机车）和机载型。它主要是由主机、探头和声光箱三部分组成的固定式监测仪器。实现对可燃气体连续检测。同时在可燃气体超限时，能发出声光报警及自动切断被控设备的电源，它与可燃气体遥测仪的区别就是不能远距离发送。例如AWD-3型可燃气体断电仪
22、的原理框图如图4-3-6所示。,图4-3-7 可燃气体断电仪工作原理框图,第四节 一氧化碳和硫化氢气体检测,检测一氧化碳和硫化氢浓度的仪器按其工作原理有：检知管、电化学、气敏半导体、红外线、气相色谱分析等。按其结构形式分为便携式和固定式两类。 一、检定管1、结构,图 4-4-1 比长式CO鉴定管 1外壳，2堵塞物，3保护胶，4隔离层，5指标胶；6刻度,2、检测原理 检知管是一支46mm150mm(长)的玻璃管，内装活性载体，载体吸附化学试剂，管口溶封。使用时先打开管口，待测气体以一定的速度通过检知管，与管内的化学试剂进行化学反应，产生变色圈，根据变色圈的长度来测定待测气体的浓度。一氧化碳检知管
23、是活性硅胶吸附了发烟硫酸和五氧化二碘（I2O5），当含有CO气体通过时，发生如下的反应：（综色） 形成棕色变色圈，变色圈的长度与通过的CO浓度成正比，由检知管上的刻度可直接读出CO的浓度。这种检知管，称为比长式检知管。我国用于煤矿的检知管还有CO2、H2S、NO2等。,它们的性能如表4-4-1(几种检知管性能表 ),3、测定方法1）选用合适量程的检知管（预先估计）；2）采样时注意安全（毒性气体）；3）唧筒的使用；4）使用：一定量，匀速，200ml,100S；5）超量程时近似测量：高浓度用减少进样量或稀释方法；低浓度采用多次进样方法。,二、定电位电化学一氧化碳传感器1、原理各种物质在电解池中的氧
24、化还原反应均在一定的电位下进行，某物质的标准电极电位是在规定浓度温度下物质的电极电位，当高于该标准电极电位时，产生氧化反应，低于该电位时产生还原反应。在工作极上：在对极上：在工作极W与对极C之间产生电流I与CO浓度C、扩散层面积A、薄膜扩散系数D成正比，与扩散层的厚度成反比，F法拉第常数，n1克当量气体所产生的电子数,2、传感器的结构 如图4-4-2是CO传感器的电化学池结构及工作原理示意图。其内是一个装有三个电极的电池，W为工作极，C为对极，R为提供恒定电位。该电池在恒定电位器产生0.91.1V的恒定电位作用下，在恒电位电池场中，通入CO气体并扩散至工作极时，CO气体发生氧化反应生成CO2；
25、同时，气体中的氧扩散到对极C处，发生还原反应。在反应中，工作极W放出电子，对极C上获得电子，从而在工作极W与对极C之间形成电解电流。其电流的大小与CO浓度成正比。输出电流信号经放大、A/D转换，以数字形式显示出CO浓度。,图4-4-2 CO传感器电化学池结构及工作原理示意图,电解槽,对极C,电解液,工作极W,薄膜,参比极R,3、特点 . 优点：灵敏度高，在一定范围内线性好，响应快，体积小，价格低；缺点：稳定性、抗干扰性差，元件使用寿命短，保存困难。国产KG3013、KG3013A、KG3002一氧化碳传感器，日本生产的EC-109型、CM-550型，德国生产的Comgtron2030i型，美国
26、能源科学公司生产的Ecolyzer型等等都是电化学原理。利用该原理制成各种便携仪也较多，例如国产JB-3型和MINIPAC190型一氧化碳检测报警仪。这类仪器或传感器抗干扰性差，除CH4和CO2基本不参加反应，而NO2、H2、SO2、C2H4、H2S均参加反应，因此，使用时应在其前端加过滤剂，以便对干扰气体加以吸收，提高检测精度。,三、一氧化碳和硫化氢检测报警器 1、MSA570系列一氧化碳检测报警器一氧化碳隔爆传感器，由探头和前置放大器组成，探头是电化学极普电池。前置放大器电路上的基准电压发生器通过缓冲放大器，给工作电极（测量电极）提供基准电势。基准电势使探头的工作电极相对于参比电极有一个合
27、适的电势，一氧化碳气体通过隔爆片及探头表面的塑料薄膜，以扩散方式进入探头发生氧化反应时，工作电极释放电子，参比电极获得电子，形成了与一氧化碳浓度成正比的电流（微安级）信号，该信号经过放大后通过屏蔽电缆传送到控制单元的输入放大器。其工作原理如图4-4-3所示。,MSA570系列一氧化碳检测报警器，可连续检测空气中CO在0600mg/m3范围内的浓度。当一氧化碳浓度达到设定的预报值和报警值时，可分别发出报警信号，同时启动联锁触点信号带动蜂呜器发出报警。其控制系统安装在控制室，传感器安装在测定现场，可远距离连续检测15点存在一氧化碳气体场所的浓度信号，传输距离可达1.5km。测量精度为5FS，响应时
28、间小于60S，传感器寿命为12个月。,2、MSA580系列硫化氢检测报警器MSA580系列硫化氢气体连续检测系统可连续检测工作场所空气中硫化氢气体在0150mg/m3范围内的浓度，并将信号远传输到控制室或值班室。当空气中硫化氢浓度达到15 mg/m3时发出预报警，达到20 mg/m3时发出报警信号（设定点用户可自行调整）。信号传输距离可达1.5km。每台仪表可容纳15个单元，可同时监测5个点的空气中的硫化氢气体浓度，其精度为5FS，响应时间小于60S，传感寿命12个月。580系列硫化氢气体检测系统的工作原理与570系列一氧化碳气体检测系统相似，只是传感器有区别，580系列的传感器是由电化学极普
29、电池及有关电路组成，被测气体通过隔爆片以及探头表面的塑料薄膜以扩散方式进入极普电池采样区，极普电池使硫化氢氧化为硫酸，这种氧化过程与采样区内硫化氢的分压成正比，通过采样电路、放大电路及接口电路输出与环境气体中硫化氢浓度成比例的电信号。传感器为隔爆结构，防爆标志为dCT6。,四、红外线气体分析 1、红外线吸收法测试原理除惰性气体及O2、N2、H2双原子气体外，大多数气体和蒸气都具有吸收一定波长范围的红外光的性质。当红外光透过气体试样时，某一波长范围内的光强度因气体吸收而减少，光强度减少量与气体浓度成正比，浓度大，光强度减少量大，测通过气体光强度变化即可获得气体浓度。根据朗伯比尔幅射衰减定律，各种
30、气体吸收强度与气体浓度关系：I0、I被气体吸收前后的光强度； C介质浓度； L幅射穿透气体的厚度（气室长度） K气体介质对入射光的吸收系数。,表4-4-2 各种气体吸收红外线波长,2、结构与原理 由两组相同的光学系统组成，一组为比较部分（也称基准部分）另一组测定部分。红外光同时通过两室，检测室不含有待测气体，光强度相同；如果检测室含有待测气体，因气体吸收，光强度降低，最终到达检测器红外光强度减小，两束光出现强度差，强度差大小由检测器转变为电量。检测器内封装高浓度待测气体，中间安装一可动的金属薄膜将检测器分隔成两个小气室，当两束不同光强度进入检测器时，小气室气体吸收红外光发生热体积膨胀，一侧进入
31、光强度大，体积膨胀大，另一侧小，体积膨胀小，存在压力差，薄膜产生位移，测量位移量大小，即可测量膨胀压力差。利用电容量的变化就可测量待测气体的浓度。,光源镍铬丝，通过电流1A，加热800度，发红外光，两个特性相同的热丝串联； 干扰气室吸收掉对检测有影响的干扰气体（如H2S）吸收段的幅射能； 切光片把红外光源变成断续的脉冲光，使光源按一定频率射入检测器，检测器的电容也按此频率变化，在电容上进行重复充电和放电，充电和放电电流大小取决于电容量变化幅度。3、特点与型号特点：具有选择性强，灵敏度高，不受背景气体影响，稳定性好，但体积大，成本高，适用于实验室。这类气体检测有CO、CH4、CO2等，精度最高仪
32、器之一,第五节 氧气（O2）检测,一、伽伐尼电化学法 1、原理及传感器的结构电化学燃料电池也称伽伐尼电池，电池内有两个电极和电解液，阴极为铂或金，阳极用铅或锌作成，电解液为KOH，被测O2透过聚乙烯薄膜渗入阴极与薄膜层时， 在阴极上产生化学反应： 电解液中的OH-在阳极上产生的化学反应：总反应式： 如果在两极间加上负载就会有电流输出，电流的大小取决于透过薄膜的氧气量的多少，从而达到测O2目的。,2、特点 优点：准确、迅速，在一定范围内线性好，对除腐蚀性以外的气体干扰小， 缺点：受氧气分压的影响较大，高山和井下测量应注意。温度变化影响；以消耗阳极为代价。寿命短。,阳极：Pb,Zn,阴极：Rt,A
33、u,KOH,聚乙烯薄膜,二、电磁法测O2 1、磁风原理氧气与其它气体不同的物理特性，氧气具有顺磁性，指气体能被磁场吸引或排斥的性质。当待气体进入具有磁场和加热线圈的气室时，由于磁场和加热线圈的作用，使气流不断地流动形成所谓磁风，使气室中的热敏元件阻值发生变化破坏电桥平衡，不平衡电流大小与气样中氧气量有关。,当混合气体中不含氧气时，连通管两端压力相同，气流不流经横向测量管，R1=R2，电桥平衡。当待测气体中含有氧气时，由于氧的顺磁性，气体在磁场作用下吸入连通管，并被加热。由于热磁效应，氧受热后顺磁性减弱，被加热的气体受到推斥，在连通管内形成被称为“磁风”的连续气流，气流速度取决于氧的浓度。受气流
34、影响，电阻丝温度发生变化，导致电桥失去平衡，用输出电压信号可度量氧气的浓度。,图4-5-3为热磁效应氧气传感器工作原理图。传感器制成环型室，环型室中有玻璃制成的连通管。在连通管上绕有两组加热电阻丝R1和R2，接于直流电桥中，其中一个R1接在永久磁铁两极之间。,二、电磁法测O2 1、磁风原理氧气与其它气体不同的物理特性，氧气具有顺磁性，指气体能被磁场吸引或排斥的性质。当待气体进入具有磁场和加热线圈的气室时，由于磁场和加热线圈的作用，使气流不断地流动形成所谓磁风，使气室中的热敏元件阻值发生变化破坏电桥平衡，不平衡电流大小与气样中氧气量有关。由于氧的磁性最强，所以含氧混合气磁化率主要由氧的浓度决定。
35、顺磁性气体能被磁场吸引，氧气是具有顺磁性的气体。随着温度升高，氧的磁性减弱，具有热磁效应。基于这一物理现象，可以测定氧气浓度。图4-5-3为热磁效应氧气传感器工作原理图。传感器制成环型室，环型室中有玻璃制成的连通管。在连通管上绕有两组加热电阻丝R1和R2，接于直流电桥中，其中一个R1接在永久磁铁两极之间。,图4-5-3 热磁效应氧气传感器工作原理图,当混合气体中不含氧气时，连通管两端压力相同，气流不流经横向测量管，R1=R2，电桥平衡。当待测气体中含有氧气时，由于氧的顺磁性，气体在磁场作用下吸入连通管，并被加热。由于热磁效应，氧受热后顺磁性减弱，被加热的气体受到推斥，在连通管内形成被称为“磁风
36、”的连续气流，气流速度取决于氧的浓度。受气流影响，电阻丝温度发生变化，导致电桥失去平衡，用输出电压信号可度量氧气的浓度。,2、顺磁测O2两楔形永久磁铁构成不均匀磁场，在不均匀磁场中悬吊一个水平杆，水平杆两端各有一个石英小球，球内充有氮气，呈“哑铃状”。当氧等顺磁性气体通过时，由于在不均匀磁场中，气体被吸引，磁力线密集的地方气体密度大，磁力线较疏的地方气体密度小，出现密度差，光源发出的光照射到硅光电池上。,图4-5-4 顺磁测氧原理图,这类仪器都有稳流、稳压装置吸气泵。美国生产的632型，英国生产的570A和580A型。3、特点具有性能稳定，可连续测定，但体积大，重量重。适应于固定场所。,一光干
37、涉式甲烷检定器原理与结构两束光满足振动方向相同、频率相同和相位差一定三个条件而产生光干涉。光程是指已折算到真空中的路程，Xn。如果以气室5的各小室均充入同样的新鲜空气时的干涉条纹为基准，当在一支气路中改变气体的成分、温度或压力等，那么由于折射率改变，光程和光程差也就会随着改变，这时干涉条纹的位置也会移动一个距离。根据条纹移动的距离可测算出折射率的变化的程度。如果使两束光通路的温度、压力相同，而被测气体的化学成分为已知，则可作为定量分析。这就是光干涉瓦斯检定器的原理。,第六节 光干涉法瓦斯检测器,光程差=K,光程差=(K+1/2),二光学甲烷机检定器的使用光学甲烷机检定器的使用步骤如下： 1）对
38、吸收管内的干燥剂等药品进行检查。水变色硅胶，兰-粉红；CO2，粉红-淡黄 2）对仪器的进行气密性检查，吸气球和仪器 3）检查干涉条纹是否清晰 4）调零 5）测定,第七节 气相色谱仪,一、特点高效能一次全分析测量；高选择一种气体在一定的条件下对应于一个仪器；高灵敏度CO在1ppm以下，CH4在10-7，O2达10-10；分析速度快一个样，多种气体在几分钟内全部完成；样品数量少0.5ml,1ml；应用范围广煤炭、石油、化工、农业等。,二、组成及原理 1、组成 虽然色谱仪的型号繁多，功能技术指标相差很大，但构成仪器的基本部分是相同的，如图4-6-1气相色谱仪基本流程示意图。主要由主机、电器部分和数据
39、处理三大部分组成，如储气瓶、压力指示和流量控制、色谱柱、检测器、电器设备(电信号放大器、恒温控制器)、数据处理与记录等组成。,稳压稳流,色谱柱,检测器,数据处理,载气,1）储气瓶储存载气，对载气要求：惰性，无腐蚀性，在200400内不分解，气体的扩散性小，易得到并易纯化，纯度99.999%，价格便宜，能满足检测器要求。常用的载气：N2、H2、He、Ar，常用辅助气体：空气和氧气；选择载气的原则：首先满足分析对柱效率和分析周期的要求，从柱效率，扩散系数小，为得到好的峰，用氮气作载气；要减小分析周期，用氦气作载气好；其次，依据样品的性质，分析氢的同位素不能用氢作载气；再次，根据检测器要求，热导型检
40、测器，为了提高分析灵敏度，用热导系数大的氦气和氢气好；电子捕获检测器用氮气较好。载气作用：推动试样在色谱柱中运动；为试样在色谱柱提供分配相；气路系统要保持气密性，载气的流速压力稳定，用稳压阀和稳流阀控制压力和流量稳定。,2）色谱柱 (1)作用完成试样分离，根据不同的物质在由两相固定相和流动相构成的体系中，具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，在两相之间进行反复多次分配（吸附脱吸，溶解解溶），这样就使那些分配系数具有微小差别的性质，在移动速度上产生很大差别，从而使组分达到完全分离。 (2)分类填充柱和毛细管柱，材质有不锈钢、玻璃、铜、铝、聚四氟乙烯,图5-7-2 色谱柱分离示意图,(3)柱形状
41、与尺寸U、螺旋形、柱长取决于柱箱和样品分离， (4)老化注意老化条件 (5)选用色谱柱和检测器是色谱仪关键部件。根据分析不同的混合气体，选用不同的色谱柱。 分析CO、CO2、CH4-=35mm,L=0.50.7m的螺旋不锈钢管柱，柱内装TDX-01或TDX-02（6080目）的吸附剂。转化炉360380，氢火焰检测器，CO+3H2CH4+H2O 分析O2、N2、CH45A分子筛（6080目）,5m，= 35mm；热导 分析CxHy(C1C3)GDX试剂（6080目）,5m，= 35mm；氢焰分析CxHy(C1C4)毛细管,20m；氢火焰检测器 分析SF6、CF2ClBr(1211)、氟里昂5A
42、分子筛（6080目）,5m，= 35mm，电子捕获检测器,3)检测器 (1)作用：完成物理量转变电量的装置 (2)种类：目前应用较多的检测器主要有： 一是热导检测器TCD，用于常量分析，如分析大气中O2和N2等； 二是氢火焰检测器FID ，主要用于对可燃气体进行微量分析，如分析井下CO气体、CxHy气体等等。而CO和CO2气体必须通过镍触媒作催化剂，在350380温度条件下转化为可燃气体，才能用氢火焰检测器检测； 三是电子捕获检测器ECD ，它主要是用于分析电负性物质，如氧气和含卤族元素的化合物如SF6。 四是火焰光度检测器FPD ，它主要是用于分析硫、磷等物质，如H2S和P2O5的化合物。
43、五是氮磷检测器NPD ，它主要是用于分析农药氮磷含量， (3)选用：根据检测不同物质和精度要求，选用不同的检测器,热导检测器当有样品进入时，纯载气变成了混合气体，其热导系数发生了变化，通过池室时，破坏了原有电桥平衡，使热丝的温度发生变化，其阻值也随之变化，阻值变化通过电桥测量出来，所得信号大小反映了组分的含量。,图5-7-3 热导检测器,氢火焰检测器它是基于电极间隙的气体的导电性变化，气体的导电性是与气体中粒子浓度成正比。当气体样品从柱子流经电极间隙，气体中的一些分子，被氢火焰电离成带电粒子（正离子、负离子、电子），在电场作用下产生电流I，电流流过测量电极和测量电阻R2，在R2上两端产生压降，
44、通过微电流放大器，输出至记录仪。,图5-7-4 氢火焰离子化检测器,4）恒温箱和程序升温控制器 恒温箱保持色柱温度恒定， 程序升温控制器保证多沸点物质在不同温度下分离，取得良好的色谱峰， 5）数据记录与处理将谱峰信号进行收集、转换、显示、记录、数值运算、存贮、传输等一系列工作。记录仪、电子数据积分器、色谱数据处理器、微型计算机。,2、检测原理检测原理是混合气体在载气（流动相）带动下，经色谱柱完成混合气体的分离，然后送给检测器；而检测器将分离的每种待测气体转化为电信号，由记录仪记录出色谱峰或计算机采样进行数据处理。根据色谱峰位置和峰面积（峰高）或计算机采集信息先后顺序和大小进行定性和定量分析。气
45、相色谱仪是一种通用型气体分析仪器，它可完成多种气体的定性和定量分析。色谱分析操作条件对仪器的工作性能影响较大，操作也较复杂，技术要求较高。因此，色谱仪多用在实验室。它的特点是分析精度高、定性准确、分析速度快、一次进样可以同时完成数种气体的分析即所谓“全分析”，也是目前矿山气体分析的理想设备。,三、定性、定量分析1、定性分析 利用色谱峰的形状和峰的位置对被测组分物质进行定性。即首先用已知组分物质注入色谱仪内，则经过色谱柱后在一定操作条件下，先后出峰的顺序是一定的，即位置一定，保留时间一定，然后注入未知组分样品，根据保留时间和位置就知道它是什么物质。,2、定量分析利用峰高或峰面积进行定量分析。用外
46、标法首先用一组已知浓度的样品注入，测量一组峰高或计算出一组峰面积，以峰高（或峰面积）为纵坐标，以浓度为横坐标，标出浓度与峰高的关系曲线图4-7-6。,A=h*b1/2,图5-7-6 定量分析校正曲线,作 业（红色部分）,4-1矿井气体检测仪器，按其检测原理不同，有哪些原理气体检测仪器？ 4-2对矿井气体检测仪器有哪些要求？ 4-3简述热导型气体检测仪器原理，为什么热导型瓦斯检测器测量高浓度气体，精度相对载体热催化型仪器高？ 4-4热导型气体检测仪器检测元件有哪些？各有何特点？ 4-5简述载体热催化型元件的组成和各部分的作用？ 4-6简述载体热催化型元件检测可燃气体的原理？ 4-7简述载体热催化
47、型传感器测量原理？ 4-8载体热催化型仪器有哪些特点？ 4-9为什么载体热催化型仪器只能测量低浓度可燃气体？ 4-10仪器反应速度受到哪些因素影响？ 4-11什么是载体热催化型元件中毒？怎么减小元件中毒？ 4-12什么是载体热催化型元件的工作点和工作区间？,4-13光学瓦斯机是利用什么原理检测瓦斯的？ 4-14简述光学瓦斯机测定甲烷和二氧化碳步骤。 4-15光学瓦斯机为什么能测量二氧化碳，要注意什么问题？ 4-16可燃气体遥测仪与断电仪的异同点是什么？ 4-17简述检知管结构和检测原理？ 4-18CO、CO2和H2S检知管载体分别是什么，颜色如何变化？ 4-19简述定电位电化学一氧化碳传感器检测原理？ 4-20简述红外气体分析法检测一氧化碳检测原理？ 4-21红外气体分析法检测一氧化碳仪器中，切光片作用是什么？ 4-22电化学燃料电池测氧仪原理与定电位电化学一氧化碳检测原理有什么 异同点？ 4-23简述顺磁法测氧仪原理？ 4-24简述气相色谱仪组成？ 4-25气相色谱仪有哪两个关键部件，各起什么作用？ 4-26为什么在分析微量CO、CO2时，将CO、CO2转化为甲烷？ 4-27煤矿常用气相色谱仪的检测器有哪些？气相色谱仪怎么进行定性和定量分析？,
