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六種GDS系統常用氣體檢測器檢測原理、優缺點介紹

2023/5/28 16:10:00 人評論 次瀏覽 分類:過程控制  文章地址:http://www.gsipv.com/tech/4913.html

氣體檢測報警系統(GDS)由可燃/有毒氣體檢測器、現場報警器、報警控制器等組成。昌暉儀表在本文分享GDS系統常用半導體式氣體檢測器、催化燃燒式氣體檢測器、定電位電解式氣體檢測器、迦伐尼電池式氧氣檢測器、紅外式氣體檢測器和光離子化氣體檢測器的檢測原理、優缺點。

在發生可燃/有毒氣體泄漏時,GDS系統在現場、控制室等操作人員可能涉足或駐守之處同時發出報警,提醒操作人員緊急疏散或采取相應的應急措施,也可聯鎖開啟/關閉所在區域的風機或其他設備,減輕由于氣體泄漏可能造成的危害,避免惡性事故的發生。GDS也可與消防控制系統聯動,避免火災的發生,或減輕火災損失。


GDS的報警控制器應獨立設置,不應與其他過程控制系統(如DCS等)合用,以保證過程控制系統出現故障或停用時,GDS仍保持正常工作狀態。


當GDS參與安全聯鎖時,相關的GDS設備的配置應滿足安全聯鎖回路的安全完整性等級的要求:

①可燃/有毒氣體檢測器信號直接送至安全儀表系統時,檢測器的配置應滿足相應安全完整性等級的要求。
②可燃/有毒氣體檢測器信號通過報警控制器送至安全儀表系統時,檢測器及報警控制器的配置均應滿足相應安全完整性等級的要求。

氣體檢測器

氣體傳感器的分類

可燃/有毒氣體檢測器的關鍵部件是氣體傳感器。氣體傳感器從原理上可以分為三大類:
①利用物理化學性質的氣體傳感器,如半導體式(表面控制型、體積控制型、表面電位型)、催化燃燒式、固體熱導式等。
②利用物理性質的氣體傳感器,如熱傳導式、光干涉式、紅外吸收式等。
③利用電化學性質的氣體傳感器,如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解質式等。

目前常用六種傳感器類型

1、半導體式氣體檢測器
①檢測原理
采用金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料做成的元件,利用其與氣體相互作用時產生表面吸附或反應,引起電導率或伏安特性或表面電位變化,通過對變化量的比較,激發報警電路,如下圖所示。

半導體式氣體檢測器檢測原理

②檢測氣體

可燃氣體、有毒氣體。
③優缺點
優點:成本低廉、靈敏度高、檢測范圍廣、反應靈敏、對濕度敏感低、壽命長。
缺點:需在高溫下工作,對氣體的選擇性差,穩定性較差,精確度不高,功率要求高,當探測氣體中混有硫化物時容易中毒。

2、催化燃燒式氣體檢測器

①檢測原理
由2只固定電阻構成惠斯登檢測橋路。當含有可燃性氣體的混合氣體擴散到檢測元件上時,迅速進行無焰燃燒,并產生反應熱,使熱絲電阻值增大,電橋輸出一個變化的電壓信號,這個電壓信號的大小與可燃氣體的濃度成正比,如下圖所示。

催化燃燒式氣體檢測器檢測原理

②檢測氣體

可燃氣體。
③優缺點
優點:選擇性好、反應準確、穩定性好、能夠定量檢測、不易產生誤報、與其他非可燃氣體的無交叉干擾、控制可靠。壽命3年左右。
缺點:無 氧或缺氧環境中不能工作(至少8%~10%的氧氣),不能檢測高閃點和長鏈的烷烴類等可燃氣體,不能檢測高濃度可燃氣體。
④傳感器中毒和抑制
◆高濃度含硅化合物會使傳感器立即損壞。
◆某些物質會被催化劑吸收或形成新的化合物從而抑制催化反應,如鹵代烴。
◆某些物質具有上述兩種影響,高濃度會使傳感器立即失效,較低濃度則對靈敏度有輕微影響。如硫化氫。
◆高濃度易燃氣體混合物會對催化燃燒傳感器的精確度造成影響,對于測量橋的過分加熱會加速催化劑的蒸發,這會使傳感器的靈敏度部分或全部降低。過熱還會燒毀測量電橋。暴露于氧氣不足時的更高濃度的易燃易爆氣體之中,則會導致炭黑在燒結表面的沉積,而炭黑的積聚會導致傳感器爆裂而損壞電路。
◆可能對傳感器中毒的物質有:含鉛化合物(尤其是四乙基鉛)、 含硫化合物、硅類、含磷化合物。
◆可能對傳感器抑制的物質有:硫化氫、鹵代烴。
◆為減少這些損壞的發生,有些儀器會在濃度接近100%LEL時關閉電路,并指示超標和警報。

3、定電位電解式氣體檢測器

① 檢測原理
定電位電解式氣體傳感器由膜電極和電解液灌封而成,氣體將電解液分解成陰陽帶電離子,通過電極將信號傳出。定電位電解式氣體傳感器檢測原理如下圖所示,在一個塑料制成的筒狀池體內,安裝工作電極、對電極和參比電極,在電極之間充滿電解液,由多孔四氟乙烯做成的隔膜,在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極的連接,在電極之間施加一定的電位,使傳感器處于工作狀態。氣體與電解質內的工作電極發生氧化或還原反應,在對電極發生還原或氧化反應,電極的平衡電位發生變化,變化值與氣體濃度成正比。

定電位電解式氣體檢測器檢測原理

②檢測氣體

除氧氣和VOC以外的絕大部分有毒有害氣體。
③優缺點
優點:反應速度快、精度高(ppm級),能夠定量檢測,穩定性好。
缺點:成本高,對濕度敏感高,壽命較短(小于等于兩年)。

4、迦伐尼電池式氧氣檢測器

①檢測原理
隔膜迦伐尼電池式氧氣傳感器的結構:在塑料容器的一面裝有對氧氣透過性良好的厚10~30μm的透氣膜,在其容器內側緊粘著貴金屬(鉑、黃金、銀等)陰電極,在容器的另一面內側或容器的空余部分形成陽極(用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬),如下圖所示。氧氣在通過電解質時在陰陽極發生氧化還原反應,使陽極金屬離子化,釋放出電子,電流的大小與氧氣的多少成正比。

迦伐尼電池式氧氣檢測器檢測原理

②檢測氣體

氧氣。
③優缺點
優點:反應速度快,能夠定量檢測 (0~30%),穩定性好。
缺點:成本高,由于整個反應中陽極金屬有消耗,所以傳感器需要定期更換,壽命較短(大于等于2年)。

5、紅外式氣體檢測器

①檢測原理
利用氣體對某個特定波長的吸收原理進行檢測。傳感器設雙通道雙射線,雙射線形成參考波與分析波兩種波長。當可燃氣體或CO2經過紅外射線時,吸收分析波的能量,卻不影響參考波長,將分析波長與參考波長進行比較,形成的差異與氣體的濃度成正比線性關系,從而準確測出氣體濃度,如下圖所示。
②檢測氣體
多數碳氫化合物可燃氣體、二氧化碳。
③優缺點
優點:反應靈敏,檢測精度高,抗中毒性好,可在缺氧和高濃度氣體環境中檢測,使用壽命長(5年以上);能夠代替直線視域內(不小于3300f
t=100m)的多個點式氣體檢測器;同時適用于對抗惡劣天氣。
缺點:結構復雜,成本高。

6、PID(Photo Ionization Detectors)光離子化氣體檢測器

①檢測原理
由紫外燈光源和離子室等主要部分構成,在離子室有正負電極,形成電場,有機揮發物分子在高能紫外線光源激發下,產生負電子并形成正離子,這些電離的微粒在電極間形成電流,經檢測器放大和處理后輸出信號,最終檢測到ppm級的濃度,如下圖所示。氣體在被檢測后,離子重新復合成為原來的氣體和蒸氣,光離子化氣體傳感器是一種非破壞性檢測器,它不會“燃燒”或永久性改變待測氣體。

光離子化氣體檢測器檢測原理

②離子化電位

所有的元素和化合物都可以被離子化,但所需能量不同,可將化合物離子化的能量稱為“電離電位”(IP),它以電子伏特(eV)為計量單位。
由UV燈發出的能量也以eV為單位。如待測氣體的IP低于燈的輸出能量,那么,這種氣體就可以被離子化。反之,如果待測氣體的IP高于燈的輸出能量,那么,這種氣體就不能被離子化。
③檢測氣體
低濃度的揮發性有機物,尤其是其他原理難以檢出的苯、CS2、酚類、酮類、醛類等。
④優缺點
優點:反應靈敏,檢測精度高,響應時間短,抗中毒性好,非破壞性檢測,可在缺氧環境中檢測。
缺點:成本高,高濕度和粉塵對其影響大。

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