第3章有毒有害气体的检测仪表

第3章有毒有害气体的检测仪表•矿井有害气体:主要有一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、氧化氮(NOx)、二氧化硫(SO2)、氨气(NH3)、氢气(H2)等。•卫生标准：CO(24PPM)、NOx(2.5PPM)SO2(5PPM)、H2S(6.6PPM)接触燃烧式半导体陶瓷型薄膜及超微粒子膜厚模型固体电解质式(ZrO2-CaO)半导体式红外线吸收式导热率变化式(热线、热敏电阻)以固定电位电解式为代表(极谱式、原电池式)干式湿式气敏元件气体检测原理分类第3章有毒有害气体的检测仪表§3.1一氧化碳的检测一、CO的产生及危害•性质：CO是无色、无嗅、无味、无刺激性的气体，稍溶于水(0.03%)，比重较空气稍轻。•产生：CO是碳系物质不完全燃烧的生成物，井下爆破作业、内燃机车的排气、火灾、瓦斯煤尘爆炸均产生CO•危害：可燃易爆，剧毒。允许浓度，中国是24PPM，日本是50PPM；•检测方法：检知管法、电化学原理、红外吸收法、气相色谱分析二、检知管法测定CO1、基本原理：CO气体缓慢而稳定的流过检知管时，与管中试剂发生化学反应，呈现一定的颜色(比色式)或变色长度(比长式)，通过对比测知CO浓度。DQJ-50多种气体检定器2、比长式检知管的构造1—检测管外壳（中性玻璃管）2—堵塞物（棉栓、玻璃丝布、耐酸涤纶等）3—保护胶（硅胶吸附试剂以除去干扰气体）4—隔离层（有色玻璃粉等惰性有色颗粒物质）5—指示剂（活性硅胶吸附化学试剂）1—档位；2—采样器；3—检测管；4—指示剂3、比长式检知管的检测原理•检测剂：以活性硅胶为载体，吸附五氧化二碘和发烟硫酸加工而成。•检测剂与CO反应后由白色变成棕黄色圈，随着气流通过棕色环向前移动，其移动距离与CO浓度大小成正比。反应方程式：注意：检知管受气样流量、温度、反应时间及其它气体干扰的影响：A、检知超过保存期或变色后不能使用B、使用温度10~40℃C、50ml气体要在90S(国产)内等速吸入D、CO浓度低于5PPM时,可反复吸气测量E、含有烟雾及重烷气体的气样对检知管指示值有影响•采样与送气a、送气采样法b、抽气采样法要求：采样准确；流速均匀；时间规定•读数变色环界线有凹面、虚影、倾斜等情况时，取其中间值•低浓度气体的测定增加送气次数后的测定值＝检定管读数/送气次数•高浓度气体的测定a、稀释法b、缩小送气量和送气时间法4、比长式检知管的使用三、电化学原理测定CO1、电化学气体传感器原理•电化学气体传感器：据电化学原理制成的检测气体的装置•电化学是研究电解质溶液与电极相界间的电化学反应过程，即化学能和电能之间相互转换的科学。•电化学理论指出，在电极和它接触的电解质溶液之间存在着氧化还原反应，并有电子的得失。并且各种物质在电解质溶液中的氧化还原反应均在一定的电极电位下进行。•某物质的标准电极电位是指该物质在规定的浓度、温度条件下的电极电位，当电极电位高于该标准电极电位时产生氧化反应，反之，则产生还原反应。因此，该物质的标准电极电位也称为可逆电极电位。•如：CO2/CO氧化还原对的可逆电极电位为-0.12V;O2,H+/H2O氧化还原对的可逆电极电位为+1.23V•气体扩散电极（透气膜＋电极）防水透气膜:PTFE活性层：铂黑＋PTFE乳液含有催化剂的多孔膜电极，易于被测气体与电解液在气、固、液三相界面上进行氧化还原反应。•透气膜非均相微孔膜，透气但不透水和离子。空隙率大则灵敏度高，响应时间短，但易漏液•电解液：硫酸或硫酸水溶液2、定电位CO传感器的构造及原理•工作电极W•对面电极C•参比电极R2、定电位CO传感器的构造及原理被测量一氧化碳，通过聚四氟乙烯薄膜扩散到工作电极W，电极W受到恒电位的控制作用，具有一个恒定的电位，一氧化碳在W电极上在催化剂的作用下与电解液中的水发生氧化反应，生成二氧化碳和氢质子，同时释放出电子；在对电极C上,氧在催化剂作用下与氢质子发生还原反应生成水，并得到电子。W极：C极：2、定电位CO传感器的构造及原理1-电源2-恒位环节3-传感器4-放大器5-温度补偿6-指示电表/InDFACOH式中：D-膜扩散系数；F-法拉第常数；A-扩散面积；H-膜厚度；n－电子转移数•参比电极：使W和R间保持恒定电位。•W和C间的反应电流为I3、产品介绍CT1000X型CO检测报警仪测量范围：0～2000ppm误差：＜±10%真值报警范围：0～300ppm连续可调响应时间：≤60秒传感器寿命：3年（进口电化学）报警出厂设定：24±1ppm法国TX2000型CO检测仪测量：连续测量范围：0-500/0-2000两种可供选择传感器：电化学式显示：3位半液晶显示，带背景灯报警：5种声光报警/2个瞬时报警点/超量程报警供电电源：3节LR011.5V干电池工作时间：1000小时3、产品介绍四、红外线吸收式CO检测仪1、基本原理•两个以上不同原子结合成的气体分子，具有一种永久性的偶极矩，可以直接通过电磁光谱形成振动和旋转，并产生量子能量－即在振动和旋转光谱的谱线范围内，产生光谱的吸收。•多原子气体分子对特定波长的红外线有吸收能力，其吸收波长取决于构成分子的原子种类、原子核质量、结合强弱等。CO的典型吸收波长是4.66μm，吸收程度服从朗伯－比尔辐射衰减定律：0KclIIeI0－入射红外线强度I－透射红外线强度K－吸收系数C－气体浓度L－气室长度•可见，入射光强度和气室长度一定时，在一定气体浓度范围内，透射光强度与气体浓度成反比。2、红外线吸收式气体分析仪的结构•分光型：将入射光分成各种波长的单色光，然后取用所需波长的单色光。随着激光技术的发展，出现了激光红外气体分析仪。•不分光型：用气体滤波器或滤光片来选择所需波长的单色光•不分光型双光路分析器（1）检测器（电容微音器）：两侧接收室内封高浓度co气体，检测红外能量变化，致使膜片振动而导致电容量呈周期性变化，输出电信号。（2）气体滤波室：消除干扰气体的影响。（3）切光片：低频调制红外光线，提高分辨率。（4）工作气室：（5）参比气室：•红外线吸收式CO传感器测量精度高、稳定性和选择性好，但是结构复杂、体积大、成本高。四、气相色谱法（GasChromatography）1、色谱法基本原理•俄国植物学家MikhailS.sweett于1901年创立的一种分离技术，又称层析法。根据其分离原理，有吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱与排阻色谱等方法。•分配色谱是利用混合物中被分离物质在两相中分配系数不同，以使组分分离。其中一相为固体或液体涂布在固体载体上，称为固定相；另一相为气体或液体，称流动相。分配色谱按流动相的不同分为气相色谱和液相色谱(LC)。•GC是以气体作为流动相，利用试样各组分在气相和固定相间的分配系数不同，当试样被载气带入色谱柱中运行时，组分就在其中的两相间进行反复多次（103-106）的分配（吸附－脱附）从而致使各组份在色谱柱中的运行速度不同，经过一定的柱长后，便彼此分离，顺序离开色谱柱进入检测器，信号经放大后，在记录器上描绘出各组分的色谱峰。根据色谱上出现的物质成分的峰面积或峰高进行定量分析。2、气相色谱仪的基本配置和构成•气相色谱仪是气相色谱法为基础而设计的仪器，气相色谱是以气相色谱柱为分离基础，样品进入进样器后载气传送，到达色谱柱的分离，分离后样品由柱中流出后到达检测器并给出相应的电讯号，然后排空。故气相色谱仪整体系由以下方面组成：•1)气源•2)气源控制•3)进样器•4)色谱柱•5)检测器•6)信号放大电部件•7)二次仪表•其中进样器、色谱柱、检测器组成气相色谱仪，并需专门温度控制。1-载气钢瓶2-减压阀3-净化干燥管4-针形阀5-流量计6-压力表7-进样器8-色谱柱9-检测器10-放大器11-温控器12-记录仪载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统2、气相色谱仪的基本配置和构成•色谱柱：主要作用是起到样品分离作用，是整个色谱仪的心脏部分。（a）色谱柱可分成充填柱和毛细管柱两大类，充填柱较粗，一般1～6毫米，柱长0.5～10米；毛细管柱直径一般0.2～0.5毫米，柱长10～50米，甚至100米。（b）色谱柱的形状主要是U形和各种螺旋形，其材料很多，常用的有玻璃、不锈钢，塑料等。（c）色谱柱选择：一般根据样品的污染度，组份的多少，组份的极性，以及沸点来选择。•载气：其作用是在样品注入色谱仪后由载气把样品组份带进色谱柱，以及保护色谱柱等，因载气起传输样品和保护柱子的作用，故在色谱仪使用中必须达到99.99%以上，如使用低纯度的载气那将会因载气不纯而导致出现多余的色谱峰、污染柱子和检测器。常用的载气有氮气、氢气、氦气、氩气等。•气源控制：主要起到稳定和调节气压的作用，从而使样品能稳定的传输。•进样器：进入样品以后汽化并用载气直接传入色谱柱，故必须要在一定的稳定温度下工作。我们在选择进样器温度时，一般选择比某样品中组份沸点的最高的温度再高20---30℃左右，但不能高于样品的分解温度和仪器最高使用温度。2、气相色谱仪的基本配置和构成色谱柱(分离柱)色谱柱:色谱仪的核心部件。柱材质:不锈钢管或玻璃，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。柱填料:粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。•检测器：其作用是将色谱柱分离后的物质浓度或质量的变化转换为电信号，并由记录仪记录下来，作为色谱分析的数据。常用的检测有：FID、TCD、FPD、ECD、NPD等。•FID（氢火焰离子检测器）：氢气在电极间隙间燃烧生成火焰，当样品组分流经此电极间隙被火焰电离成离子，生成比基流高几个数量级的离子流，且离子流与样品组分的含量成正比。•TCD（热导检测器）：是根据组分和载气有不同的导热系数研制而成的。组分通过热导池且浓度有变化时，就会从热敏元件上带走不同热量，从而引起热敏元件阻值变化，此变化可用电桥来测量。•ECD（电子俘获检测器）：利用镍源发生α射线轰击物质组分，使物质离子逃逸再被检测，是分析痕量电负性化合物最有效的检测器，也是放射性离子化检测器中应用最广的一种，被广泛用于生物、医药、环保、金属鳌合物及气象追踪等领域。•FPD（火焰光度检测器）：是分析S、P化合物的高灵敏度、高选择性的气相色谱检测器，广泛用于环境、食品中S、P农药残留物的检测。当含S、P的化合物在富氢焰中燃烧时，伴有化学发光效应，分别发射出（350-480）nm和(480-600)nm的一系列特征波长光，其中394nm和526nm分别为含S和含P化合物的特征波长。光信号经滤波、放大，便可得到相应的谱峰。•NPD（氮磷检测器）：FPD一直是S和P化合物的专用检测器，由于NPD检测对P的灵敏度高于FPD，而且更可靠，因此FPD现今多只作为S化合物的专用检测器。2、气相色谱仪的基本配置和构成应用举例1、定量分析：•色谱峰的测量:以峰的起点和终点的联线作为峰底，从峰顶至峰底间的线段即为峰高。从峰高极大值对时间铀作垂线，对应的时间即为保留时间。•计算:由色谱峰量出各组分的峰高，然后在各自的校准曲线上查出相应的待测物浓度。2、定性结果：根据标准谱图各组分的保留时间确定被测试样中出现的组分数目和组分名称。苯系物气相色谱图§3.2氧气检测仪表•正常的氧气含量应当在20.9%左右。•富氧：氧气含量超过23.5%，即氧气过量，此时很容易发生爆炸的危险；•缺氧：氧气含量低于19.5%，即氧气不足，此时很容易发生窒息、昏迷以至死亡的危险。•检测氧气含量的普遍方法：伽伐尼电池法、顺磁测氧法一、顺磁测氧法1、顺磁测氧原理•顺磁性气体和反磁性气体：反磁性是指当施加磁场时，气体与磁场相斥而逃逸的性质；反之，为顺磁性。•大多数气体为反磁性，只有O2、NO1、NO2等少数气体呈顺磁性。•氧的磁化率比其它气体大得多，含氧混合气体的磁化率主要由氧的浓度决定。•氧的热磁效应：即氧的磁化率会随温度的升高而迅速降低。１－环型室２－永久磁铁３－电阻线圈r1４－电阻线圈r2r1、r2、R1、R2构成测量电桥•氧气温度升高，磁化率随之降低；而后面连续流过来的冷气体温度低而磁化率高，被不断吸入连通管，所以把原先已被加热的气体向通道右面推出，形成热磁