氣體檢測的原理與方法

催化燃燒檢測器

對于常見的可燃氣LEL的檢測，通常采用催化燃燒檢測器。催化燃燒式傳感器的核心為一惠通斯電橋，其中一橋臂上有催化劑，當與可燃氣體接觸時，可燃氣體在有催化劑的電橋上燃燒，該橋臂的電阻發生變化，其余橋臂的電阻不變化，從而引起整個電路的輸出發生變化，而該變化與可燃氣體的濃度成比例，從而實現對可燃氣體的檢測。

從以上原理可知，通過該方法檢測可燃氣，它以催化燃燒為基礎，所以它的分辨率較低。該方法的分辨率一般為1%LEL，大約為100PPm左右。所以對于有機氣體毒性的檢測不能采用該檢測方法。

LEL傳感器的靈敏度是以甲烷為代表的，由于不同氣體燃燒產生的熱量不同，一些分子量較大的碳氫化合物蒸汽（例如汽油、煤油）等很難擴散到傳感器電極表面進行充分燃燒，因而輸出靈敏度就較低。

常見氣體在LEL傳感器上的靈敏度與甲烷的比較見下表：

雙量程可燃氣傳感器(TC)

TC傳感器是一種可檢測氣體的爆炸下限和體積百分比濃度的傳感器，在檢測甲烷時可在LEL和VOL之間自動轉換。

TC傳感器的工作原理是：當氣體通過加熱的線圈時引起冷卻，氣體熱導部分的電阻降低，達到檢測的目的。由于每種氣體的熱導值是*的，只要檢測的氣體與對照物相比，幾乎任一種氣體都可以用TC傳感器進行檢測。

TC傳感器也需要標定，可以直接用目標氣體進行標定，也可以使用某一種參考氣體（例如甲烷）進行標定，再利用校正系數（CF）轉換到目標氣體濃度。

電化學檢測器

對于常見有毒氣體的檢測，特別是無機毒氣，一般采用的傳感器進行檢測。既定性又定量進行檢測。該類傳感器大多為電化學傳感器（也稱燃料池傳感器）。電化學傳感器分為二電極和三電極兩種類型，由擴散柵、由金或鉑等貴金屬制成的傳感電極(陰極) 、由鉛鋅等金屬制成的參比電極 (陽極) 、電解液（比如氫氧化鉀溶液或醋酸鉀溶液）等組成，三電極傳感器還增加有計數電極，另外還有外部濕度柵或過濾膜等，目標氣體在傳感電極上發生反應，產生的電流通過對電極構成回路，參比電極為傳感電極提供合適的偏值。傳感器通過參比電極與傳感電極的催化劑實現選擇性反應，即定性反應。回路產生的電流與氣體的濃度成正比，實現定量反應，并且有很寬的線性測量范圍。

對于某些電活性較弱的氣體，比如氫氣和一氧化氮等，需要在計數電極上使用一個偏置電壓，這有助于傳感器對特定化合物的檢測。

電化學傳感器性能比較穩定、線性度好、壽命較長、耗電很小、分辨率一般可以達到0.1ppm（隨傳感器不同有所不同）。它的溫度適應性也比較寬（有時可以在-40到50°C 間工作）。然而，它的讀數溫度變化的影響也比較大。所以很多這種儀器都有軟硬件的溫度補償處理。

電解液池中的參比電極是不斷被消耗的，當電極的所有表面被氧化，電化學反應就將停止，電流輸出為零。此時，就要更換傳感器。燃料池傳感器的壽命大致可以維持一到兩年。

電化學傳感器的另一個缺點是干擾。例如CL2傳感器會對10ppm的硫化氫有大約0.3ppm的讀數，或者說，如果測量時存在10ppm的硫化氫，那么CL2的讀數應當減去0.3ppm。在某些情況下，干擾是正的，傳感器的讀數比實際值要大；有些則相反。還原性氣體，比如硫化氫和一氧化碳會在電極上氧化，而氧化性氣體，比如CL2、二氧化氮和臭氧，則在電極上還原。

氧氣傳感器：一般的氧氣傳感器為兩電極傳感器，由鉛作陽極，它的檢測原理與三電極大致相似，只是不如三電極的傳感器的輸出穩定，壽命較短，大約為一年。

在大多數的儀器中，即使是在關機狀態，傳感器也在產生電流和消耗。有些儀器通過切斷電路避免電流流動來增加傳感器的使用壽命。但這種方式的弊端在于儀器開啟時重新平衡的時間加長（可能需要幾分鐘）。在重新平衡過程中，電流將重新流過電路。重新平衡需要較長時間的原因是擴散到傳感器上的氧氣已經積聚到了電極之上，而去除氧氣的辦法就是通過電化學反應將其轉化為氧化鉛。只有將積聚的氧氣消耗殆盡才能得到準確的測量結果。一般儀器的做法是采取儀器開啟后“”的辦法，讀數開始會很高然后慢慢下降達到穩定數值。如果儀器具有此項功能，則在儀器達到重新平衡之前不要進行調零或者校正操作。

金屬氧化物半導體傳感器

金屬氧化物半導體傳感器（MOS）是一個寬帶檢測裝置，既可以用于檢測ppm級的有毒氣體也可以用于檢測百分比濃度的易燃易爆氣體。

MOS傳感器由一個金屬半導體（比如SnO2）成。在清潔空氣中，它的電導很低，而遇到還原性氣體，比如一氧化碳或可燃性氣體，傳感元件的電導會增加。如果控制傳感元件的溫度，可以對不同的物質有一定的選擇性。

MOS傳感器的主要缺點是非線性響應、很難解釋讀數、靈敏度較差、濕度影響較大。當濕度增加時，傳感器的輸出也增加。而當濕度降低時，它的讀數即使在存在污染物時也可能很低，甚至為零。有時由于選擇曲線錯誤，可能會有誤報警。另外一個問題是MOS傳感器對常見污染物的檢測線性范圍相對較窄。在線性范圍之內，檢測結果很準確，而一旦濃度落在線性范圍之外，也就無法提供準確的定量測定。

光離子化檢測器 (PID)

光離子化檢測器通過一個高能量的紫外燈提供離子化的能量，揮發性有機化合物被紫外光電離后的組份被離子腔收集產生電流，而電流與氣體濃度成正比。

紫外燈發出的能量決定了它所能檢測的化合物的種類。現在可以選擇的能量有8.4、9.5、9.8、10.0、10.2、10.6、11.7和11.8 eV（隨制造商不同）。大多數的產品允許在同一臺儀器上使用不同能量的紫外燈。