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六种GDS系统常用气体检测器检测原理、优缺点介绍

2023/5/28 16:10:00 分类:过程控制 
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气体检测报警系统(GDS)由可燃/有毒气体检测器、现场报警器、报警控制器等组成。昌晖仪表在本文分享GDS系统常用半导体式气体检测器、催化燃烧式气体检测器、定电位电解式气体检测器、迦伐尼电池式氧气检测器、红外式气体检测器和光离子化气体检测器的检测原理、优缺点。

在发生可燃/有毒气体泄漏时,GDS系统在现场、控制室等操作人员可能涉足或驻守之处同时发出报警,提醒操作人员紧急疏散或采取相应的应急措施,也可联锁开启/关闭所在区域的风机或其他设备,减轻由于气体泄漏可能造成的危害,避免恶性事故的发生。GDS也可与消防控制系统联动,避免火灾的发生,或减轻火灾损失。


GDS的报警控制器应独立设置,不应与其他过程控制系统(如DCS等)合用,以保证过程控制系统出现故障或停用时,GDS仍保持正常工作状态。


当GDS参与安全联锁时,相关的GDS设备的配置应满足安全联锁回路的安全完整性等级的要求:

①可燃/有毒气体检测器信号直接送至安全仪表系统时,检测器的配置应满足相应安全完整性等级的要求。
②可燃/有毒气体检测器信号通过报警控制器送至安全仪表系统时,检测器及报警控制器的配置均应满足相应安全完整性等级的要求。

气体检测器

气体传感器的分类

可燃/有毒气体检测器的关键部件是气体传感器。气体传感器从原理上可以分为三大类:
①利用物理化学性质的气体传感器,如半导体式(表面控制型、体积控制型、表面电位型)、催化燃烧式、固体热导式等。
②利用物理性质的气体传感器,如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。
③利用电化学性质的气体传感器,如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。

目前常用六种传感器类型

1、半导体式气体检测器
①检测原理
采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件,利用其与气体相互作用时产生表面吸附或反应,引起电导率或伏安特性或表面电位变化,通过对变化量的比较,激发报警电路,如下图所示。

半导体式气体检测器检测原理

②检测气体

可燃气体、有毒气体。
③优缺点
优点:成本低廉、灵敏度高、检测范围广、反应灵敏、对湿度敏感低、寿命长。
缺点:需在高温下工作,对气体的选择性差,稳定性较差,精确度不高,功率要求高,当探测气体中混有硫化物时容易中毒。

2、催化燃烧式气体检测器

①检测原理
由2只固定电阻构成惠斯登检测桥路。当含有可燃性气体的混合气体扩散到检测元件上时,迅速进行无焰燃烧,并产生反应热,使热丝电阻值增大,电桥输出一个变化的电压信号,这个电压信号的大小与可燃气体的浓度成正比,如下图所示。

催化燃烧式气体检测器检测原理

②检测气体

可燃气体。
③优缺点
优点:选择性好、反应准确、稳定性好、能够定量检测、不易产生误报、与其他非可燃气体的无交叉干扰、控制可靠。寿命3年左右。
缺点:无 氧或缺氧环境中不能工作(至少8%~10%的氧气),不能检测高闪点和长链的烷烃类等可燃气体,不能检测高浓度可燃气体。
④传感器中毒和抑制
◆高浓度含硅化合物会使传感器立即损坏。
◆某些物质会被催化剂吸收或形成新的化合物从而抑制催化反应,如卤代烃。
◆某些物质具有上述两种影响,高浓度会使传感器立即失效,较低浓度则对灵敏度有轻微影响。如硫化氢。
◆高浓度易燃气体混合物会对催化燃烧传感器的精确度造成影响,对于测量桥的过分加热会加速催化剂的蒸发,这会使传感器的灵敏度部分或全部降低。过热还会烧毁测量电桥。暴露于氧气不足时的更高浓度的易燃易爆气体之中,则会导致炭黑在烧结表面的沉积,而炭黑的积聚会导致传感器爆裂而损坏电路。
◆可能对传感器中毒的物质有:含铅化合物(尤其是四乙基铅)、 含硫化合物、硅类、含磷化合物。
◆可能对传感器抑制的物质有:硫化氢、卤代烃。
◆为减少这些损坏的发生,有些仪器会在浓度接近100%LEL时关闭电路,并指示超标和警报。

3、定电位电解式气体检测器

① 检测原理
定电位电解式气体传感器由膜电极和电解液灌封而成,气体将电解液分解成阴阳带电离子,通过电极将信号传出。定电位电解式气体传感器检测原理如下图所示,在一个塑料制成的筒状池体内,安装工作电极、对电极和参比电极,在电极之间充满电解液,由多孔四氟乙烯做成的隔膜,在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接,在电极之间施加一定的电位,使传感器处于工作状态。气体与电解质内的工作电极发生氧化或还原反应,在对电极发生还原或氧化反应,电极的平衡电位发生变化,变化值与气体浓度成正比。

定电位电解式气体检测器检测原理

②检测气体

除氧气和VOC以外的绝大部分有毒有害气体。
③优缺点
优点:反应速度快、精度高(ppm级),能够定量检测,稳定性好。
缺点:成本高,对湿度敏感高,寿命较短(小于等于两年)。

4、迦伐尼电池式氧气检测器

①检测原理
隔膜迦伐尼电池式氧气传感器的结构:在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的厚10~30μm的透气膜,在其容器内侧紧粘着贵金属(铂、黄金、银等)阴电极,在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极(用铅、镉等离子化倾向大的金属),如下图所示。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应,使阳极金属离子化,释放出电子,电流的大小与氧气的多少成正比。

迦伐尼电池式氧气检测器检测原理

②检测气体

氧气。
③优缺点
优点:反应速度快,能够定量检测 (0~30%),稳定性好。
缺点:成本高,由于整个反应中阳极金属有消耗,所以传感器需要定期更换,寿命较短(大于等于2年)。

5、红外式气体检测器

①检测原理
利用气体对某个特定波长的吸收原理进行检测。传感器设双通道双射线,双射线形成参考波与分析波两种波长。当可燃气体或CO2经过红外射线时,吸收分析波的能量,却不影响参考波长,将分析波长与参考波长进行比较,形成的差异与气体的浓度成正比线性关系,从而准确测出气体浓度,如下图所示。
②检测气体
多数碳氢化合物可燃气体、二氧化碳。
③优缺点
优点:反应灵敏,检测精度高,抗中毒性好,可在缺氧和高浓度气体环境中检测,使用寿命长(5年以上);能够代替直线视域内(不小于3300f
t=100m)的多个点式气体检测器;同时适用于对抗恶劣天气。
缺点:结构复杂,成本高。

6、PID(Photo Ionization Detectors)光离子化气体检测器

①检测原理
由紫外灯光源和离子室等主要部分构成,在离子室有正负电极,形成电场,有机挥发物分子在高能紫外线光源激发下,产生负电子并形成正离子,这些电离的微粒在电极间形成电流,经检测器放大和处理后输出信号,最终检测到ppm级的浓度,如下图所示。气体在被检测后,离子重新复合成为原来的气体和蒸气,光离子化气体传感器是一种非破坏性检测器,它不会“燃烧”或永久性改变待测气体。

光离子化气体检测器检测原理

②离子化电位

所有的元素和化合物都可以被离子化,但所需能量不同,可将化合物离子化的能量称为“电离电位”(IP),它以电子伏特(eV)为计量单位。
由UV灯发出的能量也以eV为单位。如待测气体的IP低于灯的输出能量,那么,这种气体就可以被离子化。反之,如果待测气体的IP高于灯的输出能量,那么,这种气体就不能被离子化。
③检测气体
低浓度的挥发性有机物,尤其是其他原理难以检出的苯、CS2、酚类、酮类、醛类等。
④优缺点
优点:反应灵敏,检测精度高,响应时间短,抗中毒性好,非破坏性检测,可在缺氧环境中检测。
缺点:成本高,高湿度和粉尘对其影响大。

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