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催化燃烧式传感器工作原理
专业解释·催化燃烧式

  可燃物在催化剂作用下燃烧。与直接燃烧相比,催化燃烧温度较低,燃烧比较完全。催化燃烧所用的催化剂为具有大比表面的贵金属和金属氧化物多组分物质。例如家用负载Pd或稀土化合物的催化燃气灶,可减少尾气中CO含量,提高热效率。负载0.2%pt的氧化铝催化剂,在500℃下,可将大多数有机化合物燃烧,脱臭净化到化学位移σ=1以下。催化燃烧为无焰燃烧,因此适用于安全性要求高的场合,如以H2和O2为原料的燃料电池、用汽油或酒精为原料的怀炉(催化剂为浸Pt石棉)等。如消除化工厂NOx的烟雾,可加燃料到烟雾中,通过负载型铂和钯催化剂,催化燃烧使NOx转化为N2气。 采用适当的催化剂,使用有害气体中的可燃物质在较低的温度下分解、氧化的燃烧方法。

  气体报警器的传感器采用催化燃烧的方式检测气体,称为催化燃烧式传感器。

  检测可燃气体的仪器一般使用催化燃烧式传感器,它可以看成是一个小型化的热量计,它的检测原理在几十年内没有大的变化。这是一个惠斯通电桥的结构。在它的测量桥上涂有催化物质,它在整个的测量过程中是不被消耗的。即使在空气中气体和蒸气浓度远远低于LEL时,它们也会在这个桥上发生催化燃烧反应,测量时,要在参比和测量电桥上施加电压使之加热从而发生催化反应,这个温度大约是500℃或者更高。正常情况下,电桥是平衡的,V1 = V2,输出为零。 如果有可燃气体存在,它的氧化过程会使测量桥被加热,温度增加,而此时参比桥温度不变。电路会测出它们之间的电阻变化, V2 > V1 ,输出的电压同待测气体的浓度成正比。

  测量易燃易爆气体时氧气浓度是一个必须注意的问题。催化式传感器要求至少8-10%的氧气才能进行准确测量。而在100%可燃气浓度下,这种仪器的读数将是0%LEL!因此在测量规程中,要求在测量易燃易爆气体的%LEL之前必须首先测量氧气浓度。这也是为什么要求在密闭空间测量中必须同时测量氧气和LEL的原因。如果在完全无氧的情况下测量LEL值很容易得到错误的结果。

  催化燃烧传感器可以对大部分的可燃气体产生响应。特定气体在测量桥上燃烧产生的热量就反映了它的燃烧热,而后者会随各类物质性质改变。所以,不同物质即使在相同浓度下也会产生不同的仪器读数。 要记住,仪器测量的是电阻的变化而不是浓度的变化!不同的气体在测量桥上的行为会有很大的不同。通常,较大的分子会产生更多的燃烧热。另一方面,较小的分子更容易进入测量头的烧结结构进行反应。催化燃烧式传感器,尤其是测量%LEL的传感器不适合于检测“较重的”或者长链的烷烃,特别是高闪点的物质。正如前面所提到的那样,此时使用光离子化检测器可能是一个好的办法。

  催化燃烧式传感器的校正也是一个重要的问题。如果可能,用户应当使用待测气体来校正仪器。这种校正一般是两点校正,即“新鲜空气校正”和“标准气体校正”。

    大部分的控制标准,比如OSHA 1910.146和 ANSI Z117.1-1995,都使用10%LEL作为危险存在的阈值。很多仪器也采用10%作为仪器的缺省值进行警报设置。但实际上,10%LEL设置可能高于某些规程。在密闭空间进入的标准中,一般要求是不超过5%LEL,在此浓度以上就不能进行工作(OSHA 1995)。

     一旦超过预置警报,必须停止工作并撤出。如果可以进行实时检测,10%LEL可以作为安全限度。但必须注意的是,任何可以检测出浓度的可燃气体的存在都是十分危险的。

标准的催化燃烧传感器不适合于LEL/LFL水平之上进行测量。

相对校正

  只有用待测气体对仪器进行校正才能得到准确的测量结果,如果这一点做不到,或者待测气体是未知的,那么,一定要选择10%LEL或更低作为警报限值。

    另一个选择是使用一种气体校正但检测另一种气体的相对校正方法,即使用校正系数的方法。但是,由于不同传感器间的校正系数也会有所不同,同时,这个系数也会在同一个传感器的使用期间发生变化,因此使用这一方法有很大的限制。这种方法更不适合于混合物。

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