催化燃燒式氣體傳感器的工作原理

可燃物在催化劑的作用下燃燒。與直接燃燒相比，催化燃燒溫度更低，燃燒更*。催化燃燒所用的催化劑是具有大比表面積的貴金屬和金屬氧化物的多組分物質(zhì)。例如，負(fù)載 Pd 或稀土化合物的催化燃?xì)庠羁梢越档蛷U氣中的 CO 含量，提高熱效率。負(fù)載0.2%pt的氧化鋁催化劑可在500℃下燃燒大部分有機(jī)物，除臭凈化至化學(xué)位移σ=1以下。催化燃燒為無(wú)焰燃燒，適用于安全要求較高的場(chǎng)合，如以H2、O2為原料的燃料電池，以汽油或酒精為原料的窯爐（催化劑浸漬Pt石棉）。例如，為了消除化工廠的 NOx 煙霧，可以在煙霧中添加燃料，催化燃燒可以通過(guò)負(fù)載的鉑和鈀催化劑將 NOx 轉(zhuǎn)化為 N2 氣。使用適當(dāng)?shù)拇呋瘎环N燃燒方法，其中有害氣體中的可燃物質(zhì)在較低溫度下分解和氧化。

　　氣體報(bào)警器的傳感器通過(guò)催化燃燒檢測(cè)氣體，稱為催化燃燒傳感器。

　　檢測(cè)可燃?xì)怏w的儀器一般采用催化燃燒傳感器，可以看作是小型化的熱量計(jì)，其檢測(cè)原理幾十年來(lái)沒(méi)有太大變化。這是惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)。它的測(cè)量橋涂有催化物質(zhì)，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中不會(huì)消耗。即使空氣中的氣體和蒸汽濃度遠(yuǎn)低于LEL，它們也會(huì)在這座橋上發(fā)生催化燃燒反應(yīng)。在測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)在參考和測(cè)量電橋上施加電壓以加熱它們以引起催化反應(yīng)。此溫度約為 500°C 或更高。正常情況下，電橋是平衡的，V1=V2，輸出為零。如果有可燃?xì)怏w，它的氧化過(guò)程會(huì)加熱測(cè)量電橋并提高溫度，而參考電橋溫度保持不變。該電路將測(cè)量它們之間的電阻變化，V2 > V1，輸出電壓與待測(cè)氣體的濃度成正比。

　　氧氣濃度是測(cè)量易燃易爆氣體時(shí)必須注意的問(wèn)題。催化傳感器需要至少 8-10% 的氧氣才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。在可燃?xì)怏w濃度為 100% 時(shí)，本儀器的讀數(shù)將為 0% LEL！因此，在測(cè)量過(guò)程中，需要在測(cè)量易燃易爆氣體的%LEL之前先測(cè)量氧氣濃度。這就是為什么要求在密閉空間測(cè)量中必須同時(shí)測(cè)量氧氣和 LEL。如果在沒(méi)有氧氣的情況下測(cè)量LEL值，很容易得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

　　催化燃燒傳感器可以響應(yīng)大多數(shù)可燃?xì)怏w。測(cè)量電橋上特定氣體的燃燒熱反映了它的燃燒熱，燃燒熱隨各種物質(zhì)的性質(zhì)而變化。因此，不同的物質(zhì)即使在相同濃度下也會(huì)產(chǎn)生不同的儀器讀數(shù)。請(qǐng)記住，儀器測(cè)量的是電阻變化而不是濃度變化！不同的氣體在測(cè)量橋上的表現(xiàn)會(huì)非常不同。通常，較大的分子會(huì)產(chǎn)生更多的燃燒熱。另一方面，較小的分子更容易進(jìn)入測(cè)量頭的燒結(jié)結(jié)構(gòu)中發(fā)生反應(yīng)。催化燃燒傳感器，尤其是那些測(cè)量 %LEL 的傳感器，不適用于檢測(cè)“較重"或長(zhǎng)鏈烷烴，尤其是那些具有高閃點(diǎn)的烷烴。

　　催化燃燒傳感器的校準(zhǔn)也是一個(gè)重要問(wèn)題。如有可能，用戶應(yīng)使用待測(cè)氣體校準(zhǔn)儀器。這種校準(zhǔn)一般是兩點(diǎn)校準(zhǔn)，即“新鮮空氣校準(zhǔn)"和“標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)"。

    大多數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，例如 OSHA 1910.146 和 ANSI Z117.1-1995，使用 10% LEL 作為危險(xiǎn)存在的閾值。許多儀器還使用 10% 作為儀器報(bào)警設(shè)置的默認(rèn)值。然而，在實(shí)踐中，10% LEL 設(shè)置可能高于某些協(xié)議。在進(jìn)入密閉空間的標(biāo)準(zhǔn)中，一般要求不過(guò) 5% LEL，過(guò)該值不能進(jìn)行工作 (OSHA 1995).

     一旦過(guò)預(yù)設(shè)的警報(bào)，必須停止和撤回工作。如果可以實(shí)時(shí)檢測(cè)，10%LEL可以作為安全邊際。但必須注意，任何可檢測(cè)濃度的可燃?xì)怏w的存在都是非常危險(xiǎn)的。

標(biāo)準(zhǔn)催化燃燒傳感器不適用于高于 LEL/LFL 水平的測(cè)量。

相對(duì)校正

　　只有用被測(cè)氣體校準(zhǔn)儀器，才能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。如果無(wú)法做到這一點(diǎn)，或者要測(cè)量的氣體未知，請(qǐng)務(wù)必選擇 10% LEL 或更低作為警報(bào)限值。

    另一種選擇是使用校正一種氣體但檢測(cè)另一種氣體的相對(duì)校準(zhǔn)方法，即使用校正因子的方法。但是，由于傳感器之間的校正因子不同，同時(shí)在使用同一傳感器的過(guò)程中，該因子也會(huì)發(fā)生變化，因此使用這種方法存在很大的局限性。這種方法更不適用于混合物。