气体检测基础知识.docx
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气体检测基础知识
•
可燃气体
发生燃烧或爆炸必须符合三个条件:
1、气体中必须含有适量的氧气。
2、适量的燃气(超过爆炸下限或低于爆炸上限)
3、火源。
这三个条件一般被称为“爆炸三要素”。
缺一个条件燃烧或爆炸就不会发生,这也是为什么测量爆炸性气的时候一定要测量氧含量浓度的原因。
•火源可能来自:
产生热量的工作活动、打火工具、光源、电动工具、电子仪器甚至静电
⏹可燃气体可能来自:
和城市煤气管道)容器内部残存、泄露,细菌分解、工作产物等等。
⏹氧气:
空气中无处不在。
⏹燃烧:
是缓慢的氧化和自燃。
⏹爆炸:
是由于物质急剧氧化或分解反应,使温度、压力急剧增加或是两者同时急剧增加。
⏹可燃气体的爆炸下限和上限:
•每一种可燃气体的LEL和UEL都不一样
•有毒有害物质
⏹空气中有毒物质一般是根据他们对于暴露在现场的工人的生理学影响进行分类,有毒物质可以对人造成两种时间段的症状,既急性或慢性中毒。
⏹工人工作时间和有毒气体的存在浓度有一定的关系。
超过这些规定的暴露水平就会对工人的人身安全构成极大的威胁。
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目前常见的几种可燃气体检测器原理
⏹催化燃烧原理
⏹半导体原理
⏹光学原理(红外光)
⏹1、催化燃烧原理
催化燃烧传感器是特定气体在测量桥上燃烧产生的热量就反映他的燃烧热。
催化燃烧原理以其线形好、寿命长、灵敏度高等优点为最常见和普遍。
二)、氧气及其检测原理
⏹在正常情况下,空气中的含量为20.9%VOL
⏹标准状况下(20度海平面)大气的压力是1013毫巴,氧气的压力为:
⏹1013毫巴×20.9%=211.7毫巴
⏹但是在高原地区,如海拔3000米高度,氧气浓度仍为20.9%,但此时大气压力却只有700毫巴,这是氧气压力仅为:
⏹700×20.9%=146.3毫巴
氧气检测一般采用电化学原理
电化学传感器
它是由膜电极和电解液灌封而成。
气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子,通过电极将信号传出。
优点是:
体积小、耗电小、线性和重复性好、反映速度快、准确(可用于ppm级),能够定量检测,它主要适用于氧气和有毒气体的检测。
目前世界上大部分氧气和毒气检测采用该类型传感器。
氧气检测器显示值为体积比浓度%VOL
3)有毒有害物质及其检测原理
⏹空气中有毒物质一般是根据他们对于暴露在现场的工人的生理学影响进行分类,有毒物质可以对人造成两种时间段的症状,既急性或慢性中毒。
⏹工人工作时间和有毒气体的存在浓度有一定的关系。
超过这些规定的暴露水平就会对工人的人身安全构成极大的威胁。
有毒气体检测原理
⏹一般采用电化学原理(原理同氧气传感器)
⏹VOC(挥发性有机毒物)一般采用半导体原理
⏹半导体传感器原理
⏹半导体传感器的工作原理基于金属氧化表面在吸收气体后发生的导电性的变化。
传感器被加热至300—500度,在此温度的情况下,金属氧化表面对不同的气体有不同的灵敏度。
五、防爆
1、 三个危险区域的划分
国家对于爆炸场所有严格的定义,根据权威防爆认证机构最新定义GB3836.2-2000(等效于国际标准IEC60079-1),防爆场所分为三个区:
0区、1区、2区。
0区最危险,最容易产生爆炸的场所,是指正常情况下,爆炸性气体混合物经常或长时间出现;一般是指连续的存在危险性大于1000小时/每年区域。
1区是指正常情况下,爆炸性气体混合物有可能产生的场所;连续存在的危险性10—1000小时/每年的区域。
2区是指在不正常情况下才有爆炸性气体混合物产生的场所。
事故状态下存在的危险性0.1—10小时/每年的区域。
3、温度等级(仪表表面温度)
5、防护等级(IP)
根据可能引爆的最小火花能量,我国和欧洲及世界上大部分国家和地区将爆炸性气体分为四个危险等级,如下表:
工矿类别
气体分类
代表性气体
最小引爆火花能量
矿井下
Ⅰ
甲烷
0.280mJ
矿井外的工厂
ⅡA
丙烷
0.180mJ
ⅡB
乙烯
0.060mJ
ⅡC
氢气
0.019mJ
序号
防爆型式
代号
国家标准
防爆措施
适用区域
1
隔爆型
d
GB3836.2
隔离存在的点火源
Zone1,Zone2
2
增安型
e
GB3836.3
设法防止产生点火源
Zone1,Zone2
3
本安型
ia
GB3836.4
限制点火源的能量
Zone0-2
本安型
ib
GB3836.4
限制点火源的能量
Zone1,Zone2
危险场所危险性划分:
爆炸性物质
区域定义
中国标准
北美标准
气体(CLASSⅠ)
在正常情况下,爆炸性气体混合物连续或长时间存在的场所
0区
Div.1
在正常情况下爆炸性气体混合物有可能出现的场所
1区
在正常情况下爆炸性气体混合物不可能出现,仅仅在不正常情况下,偶尔或短时间出现的场所
2区
Div.2
气体温度组别划分:
温度组别
安全的物体表面温度
常见爆炸性气体
T1
≤450℃
氢气、丙烯腈等46种
T2
≤300℃
乙炔、乙烯等47种
T3
≤200℃
汽油、丁烯醛等36种
T4
≤135℃
乙醛、四氟乙烯等6种
T5
≤100℃
二硫化碳
T6
≤85℃
硝酸乙酯和亚硝酸乙酯
仪表的防爆标志
Ex(ia)ⅡCT6的含义:
标志内容
符号
含义
防爆声明
Ex
符合某种防爆标准,如我国的国家标准
防爆方式
ia
采用ia级本质安全防爆方法,可安装在0区
气体类别
ⅡC
被允许涉及ⅡC类爆炸性气体
温度组别
T6
仪表表面温度不超过85℃
Ex(ia)ⅡC的含义:
标志内容
符号
含义
防爆声明
Ex
符合欧洲防爆标准
防爆方式
ia
采用ia级本质安全防爆方法,可安装在0区
气体类别
ⅡC
被允许涉及ⅡC类爆炸性气体
注:
该标志中无温度组别项,说明该仪表不与爆炸性气体直接接触.
安全栅安全参数定义:
∙安全栅最高允许电压:
Um
保证安全栅本安端的本安性能,允许非本安端可能输入的最高电压
∙安全栅最高开路电压:
Uoc
在最高允许电压范围内本安端开路时电压最大值
∙安全栅最大短路电流:
Isc
在最高允许电压范围内本安端短路时的电流最大值
∙安全栅允许分布电容:
Ca
保证本质安全性能情况下本安端最大允许外接电容
∙安全栅允许分布电感:
La
保证本质安全性能情况下本安端最大允许外接电感
防爆标志格式说明:
将工厂或矿区的爆炸危险介质,按其引燃能量,最小点燃温度以及现场爆炸性危险气体存在的时间周期进行科学分类分级,以确定现场防爆设备的防爆标志和防爆形式。
防爆标志格式:
Ex (ia) ⅡC T4
防爆标记防爆等级气体组别温度组别
防爆等级说明:
ia等级:
在正常工作、一个故障和二个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。
正常工作时,安全系数为2.0;
一个故障时,安全系数为1.5;
二个故障时,安全系数为1.0。
注:
有火花的触点须加隔爆外壳、气密外壳或加倍提高安全系数。
ib等级:
在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。
正常工作时,安全系数为2.0; 一个故障时,安全系数为1.5。
正常工作时,有火花的触点须加隔爆外壳或气密外壳保护,并且有故障自显示的措施,一个故障时安全系数为1.0。
IP防护等级
IP(INTERNATIONALPROTECTION)防护等级系统是由IEC(INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION)所起草。
将灯具依其防尘防湿气之特性加以分级。
这里所指的外物含工具,人的手指等均不可接触到灯具内之带电部分,以免触电。
IP防护等级是由两个数字所组成,第1个数字表示灯具离尘、防止外物侵入的等级,第2个数字表示灯具防湿气、防水侵入的密闭程度,数字越大表示其防护等级越高,两个标示数字所表示的防护等级如下
第一个标示数字防护等级定义
0没有防护对外界的人或物无特殊防护
1防止大于50mm的固体物体侵入防止人体(如手掌)因意外而接触到灯具内部的零件。
防止较大尺寸(直径大于50mm)的外物侵入。
2防止大于12mm的固体物体侵入防止人的手指接触到灯具内部的零件防止中等尺寸(直径大12mm)的外物侵入。
3防止大于2.5mm的固体物体侵入防止直径或厚度大于2.5mm的工具、电线或类似的细节小外物侵入而接触到灯具内部的零件。
4防止大于1.0mm的固体物体侵入防止直径或厚度大于1.0mm的工具、电线或类似的细节小外物侵入而接触到灯具内部的零件。
5防尘完全防止外物侵入,虽不能完全防止灰尘进入,但侵入的灰尘量并不会影响灯具的正常工作。
6防尘完全防止外物侵入,且可完全防止灰尘进入。
第二个标示数字防护等级定义
0没有防护没有防护
1防止滴水侵入垂直滴下的水滴(如凝结水)对灯具不会造成有害影响。
2倾斜15度时仍可防止滴水侵入当灯具由垂直倾斜至15度时,滴水对灯具不会造成有害影响
3防止喷洒的水侵入防雨,或防止与垂直的夹角小于60度的方向所喷洒的水进入灯具造成损害。
4防止飞溅的水侵入防止各方向飞溅而来的水进入灯具造成损害。
5防止喷射的水侵入防止来自各方向由喷嘴射出的水进入灯具造成损害。
6防止大浪的侵入装设于甲板上的灯具,防止因大浪的侵袭而进入造成损坏。
7防止浸水时水的侵入灯具浸在水中一定时间或水压在一定的标准以下能确保不因进水而造成损坏。
8防止沉没时水的侵入灯具无限期的沉没在指定水压的状况下,能确保不因进水而造成损坏。
体名称
气体浓度(ppm)
对人体的影响
CO
50
允许的暴露浓度,可暴露8小时(OSHA)。
200
2至3小时内可能会导致轻微的前额头痛。
400
1至2小时后前额头痛并呕吐,2.2至3.5小时后眩晕。
800
45分钟内头痛、头晕、呕吐。
2小时内昏迷,可能死亡。
1,600
20分钟内头痛、头晕、呕吐。
1小时内昏迷并死亡。
3,200
5至10分钟内头痛、头晕。
30分钟无知觉,有死亡危险。
6,400
1至2分钟内头痛、头晕。
10至15分钟无知觉,有死亡危险。
12,800
马上无知觉。
1至3分钟内有死亡危险。
H2S
0.13
最小的可感觉到的臭气味浓度。
4.60
易察觉的有适度的臭味的浓度。
10
开始刺激眼球,可允许的暴露浓度,可暴露8小时(OSHA、ACGIH)。
27
强烈的不愉快的臭味,不能忍受。
100
咳嗽、刺激眼球,2分钟后可能失去嗅觉。
200~300
暴露1小时后,明显的结膜炎(眼睛发炎)呼吸道受刺激。
500~700
失去知觉,呼吸停止(中止或暂停),以至于死亡。
1,000~2,000
马上失去知觉,几分钟内呼吸停止并死亡,即使个别的马上搬到新鲜空气中,也可能死亡。
Cl2
0.5
允许的暴露浓度(OSHA、ACGIH)。
3
刺激黏膜、眼睛和呼吸道
3.5
产生一种易觉察的臭味。
15
马上刺激喉部。
30
30分钟内最大的暴露浓度
100~150
肺部疼痛、压感,暴露稍长一会将引起死亡。
NO
25
允许的暴露浓度(OSHA)
0~50
较低的水溶性,因此超过TWA浓度,对粘膜也有轻微刺激
60~150
揧更强烈,咳嗽、烧伤喉部,如果快速移到清新空气中,症状会消除
200~700
即使短时间暴露也会死亡
NO2
0.2~1
可察觉的有刺激的酸味。
1
允许的暴露浓度(OSHA、ACGIH)
5~10
对鼻子和喉部有刺激
20
对眼睛有刺激
50
30分钟内最大的暴露浓度
100~200
肺部有压迫感,急性支气管炎,暴露稍长一会将引起死亡
SO2
0.3~1
可察觉的最初的SO2
2
允许的暴露浓度(OSHA、ACGIH)
3
非常容易察觉的气味
6~12
对鼻子和喉部有刺激
20
对眼睛有刺激
50~100
30分钟内最大的暴露浓度
400~500
引起肺积水和声门刺激的危险浓度,延一段暴露时间会导致死亡
HCN
10
允许的暴露浓度(OSHA)
10~50
头痛、头晕、眩晕
50~100m
感到反胃、恶心
100~200
暴露在此环境里30-60分钟即引起死亡
NH3
0~25
对眼睛和呼吸道的最小刺激
25
允许的暴露浓度(OSHA、ACGIH)
50~100
眼脸肿起,结膜炎,呕吐、刺激喉部
100~500…
高浓度时危险,刺激变得更强烈,稍长时间会引起死亡
2006/01/07
如何处理LEL(可燃气)传感器的中毒
众所周知,某些化学物质会抑制乃至毒化催化燃烧式LEL(可燃气)传感器并导致其部分或完全丧失灵敏度。
中毒可以定义为永久性失效,而抑制则是可以在新鲜空气中可以恢复。
因而,为了充分发挥仪器的性能,使用者要避免在含有可能毒化或抑制LEL传感器的环境中使用仪器。
LEL传感器是如何工作的
RAE的LEL传感器是由植入催化检测头内的一个配对电路和一个由铂丝线圈补偿器构成的。
可燃性气体和蒸气的受热氧化燃烧释放热量,改变其中一个元件的电阻,同时相对于桥电路产生一个非平衡电压,以器以这个信号来检测可燃性气体LEL或蒸气的量。
RAE的LEL传感器是一个具有很强防毒化功能的传感器,但是从延长传感器使用寿命的角度,认真地避免使之暴露于可能毒化传感器的气氛之中还是必要的。
LEL传感器的中毒
对于LEL传感器最为有害的气体是含硅化合物,比如:
硅烷、硅树脂、和硅酸盐。
几个ppm的这类物质就可以明显地降低传感器的性能。
而这类化合物的使用范围又极广,包括润滑油、清洗剂、磨光剂、粘合剂、化妆品和药物霜剂、硅胶(密封条和密封剂),另外的有害物质包括含铅类化合物,比如含四乙基铅的汽油就会严重降低传感器的灵敏度,特别对高燃点的化合物的灵敏度,比如甲烷。
另外,高浓度的卤代烃会在催化头的高热情况下分解为HCl,可能会造成传感器的腐蚀降低测量信号。
硫化氢和其他还原性硫化合物,像二硫化碳、二甲基二硫醚、三甲基二硫醚,以及磷脂、硝基化合物(比如硝基烷烃)都可以被氧化成为矿物酸,也会对传感器造成腐蚀。
热的有机酸(比如乙酸)或直接暴露于酸性气体(比如HCl,硫酸蒸气)也可能腐蚀传感器。
卤代烃存在于各类脱脂剂和清洗剂的溶剂之中。
这类可怕的卤代烃同样可以通过聚合物的过热、PVC焊条中释放出来。
所有这些提及到物质都会对催化头产生不利的影响。
通常情况下,硅类化合物被看成是毒化物质而硫化氢被看成抑制物质。
然而,上面提到的物质都会对催化燃烧传感器有不同程度的灵敏度降低。
有些化合物可能在催化头不断增加的温度下发生反应,这些引起传感器中毒的机理就更加复杂。
操作预防
为了让传感器使用更长时间,一定要特别注意尽量减少传感器或仪器暴露于有毒气体之中:
∙严格遵循下面的安装和维修指南
∙一直使用仪器传感器前面的过滤器,并且美洲更换一次或者在暴露于毒气之后立即更换。
∙在暴露于强毒气体之后,清洗采样泵,更换气路和垫圈。
∙减少在环境毒气中的暴露时间,在不用时关闭仪器
∙在有毒环境中减少气体流量或者使用扩散式仪器
∙
安装和维修预防
为避免讲有毒物质引入仪器:
∙不要使用注模塑料件,因为其中可能会含有硅质释放剂
∙不要使用硅橡胶、硅密封圈作为仪器配件,这些材料都会释放一些有害气体。
并且不要在加工这些物质的地方使用仪器
∙不要再使用含有硅的打磨剂、清洗剂、润滑剂的地方安装、调试或存储仪器。
大部分家具打磨剂中含有硅成分。
∙安装、维修人员不要使用含有硅油成分的化妆品。
∙在气体稀释设备中的气阀或调节器中会大量使用硅油润滑剂,不要用这类设备检测LEL。
∙环氧树脂和粘合剂一定是无毒的。
在仪器和仪器内部,避免使用不干胶标记,很多粘合剂中含有硅成分。
∙一定要使用RAE的部件进行更换
遵照上面的预防措施,你的RAE易燃气体检测仪就会可靠地工作相当长的时间。
严格按照说明书的指导使用仪器。
在每次使用前一定要检测仪器的灵敏度是否有所改变。
2006/01/12
气体传感器在气体泄漏事故处置中的应用
随着石油化学工业的发展,易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。
这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏,将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故,严重危害人民的生命和财产安全。
由于气体本身存在的扩散性,发生泄漏之后,在外部风力和内部浓度梯度的作用下,气体会沿地表面扩散,在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区,扩大危害区域。
例如,1995年7月,四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏,当场造成3人死亡,6人受伤,仅约一小时左右,市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。
因此,这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。
一旦发生气体泄漏事故,必须尽快采取相应措施进行处置,才能将事故损失降低到最低水平。
及时可靠地探测空气中某些气体的含量,及时采取有效措施进行补救,采取正确的处置方法,减少泄漏引发的事故,是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。
这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。
作为一种重要的气体探测器,气体传感器近年来得到了很大的发展。
气体传感器的发展使得其应用越来越广泛。
本文介绍气体传感器的发展情况及其在气体泄漏事故处置中的应用。
2.气体传感器概述
国外从30年代开始研究开发气体传感器。
过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警,目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H2,C4H10,CH4)等扩展到毒性气体(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。
气体传感器种类繁多。
按所用气敏材料及气敏特性不同,可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。
2.1半导体气体传感器
这种传感器主要使用半导体气敏材料。
自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来,由于具有灵敏度高、响应快等优点,得到了广泛的应用,目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。
按照检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种。
电阻式半导体气体传感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的。
主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。
随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发,大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。
例如:
WO3气体传感器可检测NH3的浓度范围为5ppm~50ppm,ZnO-CuO气体传感器对200ppm的CO非常敏感。
非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流或电压随气体含量而变化的原理工作的。
主要有MOS二极管式和结型二极管式,以及场效应管式气体传感器。
检测气体大多为氢气、硅烷等可燃气体。
2.2固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。
其原理是气敏材料在通过气体时产生离子,从而形成电动势,测量电动势从而测量气体浓度。
由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,得到了广泛的应用,几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域,仅次于金属氧化物半导体气体传感器。
如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH4+CaCO3等。
2.3接触燃烧式气体传感器
可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。
其工作原理是:
气敏材料在通电状态下,可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧,产生的热量使电热丝升温,从而使其电阻值发生变化,测量电阻变化从而测量气体浓度。
这种传感器只能测量可燃气体,对不燃性气体不敏感。
例如,在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器,具有广谱特性,即可以检测各种可燃气体。
接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定,并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测,普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。
2.4高分子气体传感器
利用高分子气敏材料的气体传感器近年来得到了很大的发展。
高分子气敏材料在遇到特定气体时,其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚异丁烯、氨基十一烷基硅烷等。
高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合,在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。
根据所用材料的气敏特性,这类传感器可分为:
通过测量气敏材料的电阻来测量气体浓度的高分子电阻式气体传感器;根据气敏材料吸收气体时形成浓差电池,测量电动势来确定气体浓度的浓差电池式气体传感器;根据高分子气敏材料吸收气体后声波在材料表面传播速度或频率发生变化的原理制成的声表面波气体传感器;以及根据高分子气敏材料吸收气体后重量变化而制成的石英振子式气体传感器等。
高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高,选择性好,且结构简单,能在常温下使用,可以补充其它气体传感器的不足。
.Ex标志:
不是防爆标志是英文Explosion的简写,是一个“警示标志”
它包含①质量②安装③使用④维修保养⑤检修
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