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1、第一节 可燃性气体检测原理与方法半导体式气敏传感器半导体气敏元件工作原理半导体气敏元件的特性参数湿式电化学气体传感器恒电位电解式气体传感器燃料电池电解式气体传感器隔膜电池式气体传感器第1页/共166页1 可燃性气体和有毒气体的检测原理1.1 可燃性气体和有毒气体的监测标准为了保护环境，保障人的身体健康，保证安全生产和预防火灾爆炸事故发生，必须首先确知生产和生活环境中可燃性气体的爆炸下限和有毒气体的最高允许浓度的阈限值，以及氧气的最低浓度阈限值，以便通过应用各种类型的测量仪器、仪表对这些气体进行检测。通过检测了解生产环境的火灾危险程度和有毒气体的恶劣程度，以便采取措施或通过自动监测系统实现对生产
2、、生活环境的监控。第2页/共166页可燃性气体的监测标准取决于可燃物质的危险特性，且主要是由可燃性气体的爆炸下限决定的。从监测和控制两方面的要求来看，监测首先应做到可燃性气体与空气混合物中可燃气体的浓度达到阈限值时，给出报警或预警指示，以便采取相应的措施，而其中规定的浓度阈值和可燃性气体与空气混合物的爆炸下限直接相关。一般取爆炸下限的10左右作为报警阈值，当可燃性气体的浓度继续上升，一般达到其爆炸下限的2025时，监控功能中的联动控制装置将产生动作，以免形成火灾及爆炸事故。第3页/共166页表6-1 可燃性气体爆炸限值第4页/共166页有害气体即有毒气体，其监测标准由多种气体的环境卫生标准来确
3、定，这里的多种气体是指氧气及各种有害气体。我国制定的环境空气质量标准(GB3095-1996)中规定了空气污染物三级标准浓度限值。工业企业设计卫生标准(GBZ 1-2002)中列出了居住区大气有害气体的最高允许浓度值，以及工矿车间环境有害气体的最高允许浓度值。工作场所有害因素职业接触限值(GBZ2-2002)中列出了330种有毒物质容许浓度，47种粉尘容许浓度。此外，我国对煤矿井下环境也做了必要的规定。第5页/共166页表6-2 各种污染物的限值第6页/共166页表6-2 各种污染物的限值工业企业设计卫生标准(GBZ 1-2002)第7页/共166页1.2 各类气体测量仪表的工作原理为了实现对
4、可燃性气体和多种有害气体的测量和预防，采用各种气体传感器构成的测量仪表品种繁多，其结构原理、测定范围、性能、操作使用等互不相同，无法一一分析。但是，从所用气体传感器的基本工作方式和原理来划分，目前用于测量可燃气体和多种气体的仪器、仪表可归纳划分成如下几种主要类型。第8页/共166页此类仪器是利用可燃性气体在有足够氧气和一定高温条件下发生催化燃烧(无焰燃烧)，放出热量，从而引起电阻变化的特性，达到对可燃性气体浓度进行测量的目的。这类可燃气体测量仪器采用有代表性的气体传感材料：Pt丝催化剂(Pd、Pt、Al2O3、CuO)，其具有体积小、质量轻的特点。第9页/共166页可燃性气体(H2、CO和CH
5、4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，具有正的温度系数的金属铂的电阻值相应增加，并且在温度不太高时，电阻率与温度的关系具有良好的线性关系。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10)，可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度成正比。这样，铂电阻值的增大量就与可燃性气体浓度成正比。因此，只要测定铂丝的电阻变化值(R)，就可以检测到空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其使用寿命较短。所以实际应用的检测元件，都是在铂丝线圈外面涂覆一层氧化物触媒，以延长其寿命，提高其响应特性。第10页/共166页气敏元件
6、的结构一般用直径5060m的高纯(99.999)铂丝，绕制成直径约为0.5mm的线圈。为了使线圈具有适当的阻值(12)，一般应绕10圈以上，在线圈外面涂以氧化铝(或者由氧化铝和氧化硅组成)的膏状涂覆层，干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。烧结后，放在贵金属铂、钯等的盐溶液中，充分浸渍后取出烘干，然后经过高温热处理，使在氧化铝载体上形成贵金属接触媒层，最后组装成气体敏感元件。除此之外，也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝等载体充分混合后配成膏状，涂覆在铂丝绕成的线圈上，直接烧成后使用。接触燃烧式气敏元件结构如图6-1。第11页/共166页图6-1 接触燃烧式气敏元件结构示意图第12页/共166页催化燃
7、烧式气体检测原理及其电路如图6-2所示。所用检测元件有铂丝催化型和载体催化型两种。其中，铂丝催化型元件没有专门的催化外壳，是由铂丝承担三种工作的：铂丝表面完成可燃气体氧化催化功能，同时铂丝又兼作加热丝和测温元件。而载体催化型元件由加热芯丝和载体催化外壳组成，催化外壳对可燃气体的氧化过程起催化作用，加热电流通过芯丝将催化外壳加热到正常工作温度，而芯丝又兼作电阻测温元件来检测催化外壳的温度变化。第13页/共166页图6-2 催化燃烧式气体检测原理及其电路 第14页/共166页 图中R1是检测元件；R2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，
8、要求在R1和R2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件R1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件R1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。(6-1)第15页/共166页因为R很小，且R1R3=R2R4(6-2)如果令则有第16页/共166页 这样，在检测元件R1和补偿元件R2的电阻比R2/R1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与R成比例。在此，R是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成
9、比例的。即R可用下式表示：式中：检测元件的电阻温度系数；T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；(6-3)第17页/共166页 H可燃性气体接触燃烧的发热量；C检测元件的热容量；Q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。，C和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则：E=kmb(6-4)式中：第18页/共166页图6-2 接触燃烧式气敏元件的感应特性 即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得A
10、、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。第19页/共166页它是利用被测气体的热传导率与铂丝(发热体)的热传导率之差所引起的温度变化的特性测定气体的浓度的。这类气体传感器主要用于测定氢气(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、氧气(O2)等气体的浓度，多制成携带式仪器。第20页/共166页它是利用被测气体的不同浓度在金属氧化物表面燃烧引起的电阻变化特性，来达到测定被测气体浓度的目的的。这类仪器多制成携带式仪器，用于测定氢气(H2)、一氧化碳(CO)、氨气(NH3)
11、等气体的浓度，也可用于测定其他可燃性气体的浓度。热传导式气体传感器的测量仪器仪表的检测电路原理与催化燃烧式的检测电路原理相同，只是其中R1用热传导式元件。热导式气体浓度检测方法的优点是在测量范围内具有线性输出，不存在催化元件中毒问题，工作温度低，使用寿命长，防爆性能好。其缺点是背景气要干扰测量结果(如二氧化碳、水蒸气等)，在环境温度骤变时输出也要受影响，在低浓度检测时有效信号较弱。第21页/共166页半导体式气敏传感器的品种也是很多的，其中金属氧化物半导体材料制成的数量最多(占气敏传感器的首位)，其特性和用途也各不相同。金属氧化物半导体材料主要有SnO2系列、ZnO系列及Fe2O3系列，由于它
12、们的添加物质各不相同，因此能检测的气体也不同。半导体气敏传感器适用于检测低浓度的可燃性气体及毒性气体如CO、H2S、NOx及C2H5OH、CH4等碳氢气体。其测量范围为百万分之几到百万分之几千。第22页/共166页半导体式气敏传感器的基本工作电路如图6-3所示。负载电阻RL串联在传感器中，其两端加工作电压，加热丝f两端加上加热电压Uf。在洁净空气中，传感器的电阻较大，在负载电阻上的输出电压较小；当遇到待测气体时，传感器的电阻变得较小(N型半导体型气敏传感器检测还原性气体)，则RL上的输出电压较大。气敏传感器主要用于报警器，超过规定浓度时，发出声光报警。第23页/共166页图6-3 半导体气敏传
13、感器的基本工作电路 第24页/共166页众所周知，对于某些危害健康，引起窒息、中毒或容易燃烧爆炸的气体，应注意其含量为何值时达到危险程度，有的时候并不一定要求测出其含量的具体数值。在这种情况下，就需要一种气敏元件，它可以及时提供报警，以便及早采取措施，保证生命和财产的安全。一般来说，半导体气敏元件对气体的选择性比较差，并不适合精确地测定气体成分，这种元件一般只能够检查某种气体的存在与否，却不一定能够精确地分辨出是哪一种气体。尽管如此，这类元件在环境保护和安全监督中仍然有极其重要的作用。为了说明其用途，以下代表性地列举若干半导体气敏元件。第25页/共166页 (1)气敏元件的电阻值 将电阻型气敏
14、元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为。一般其固有电阻值在(103105)范围。测定固有电阻值时,要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。第26页/共166页 (2)气敏元件的灵敏度 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量(如电阻型气敏元件的电阻值)与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种：a)电阻比灵敏度K Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg
15、气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值。(6-5)第27页/共166页 b)气体分离度 RC1气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值：RC2气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1C2。(6-6)第28页/共166页 c)输出电压比灵敏度KV Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出。(6-7)第29页/共166页 (3)气敏元件的分辨率 表示气敏元件对被测气体的识别(选择)以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为：Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作
16、时，负载电阻上的电压；Vgi气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压。(6-8)第30页/共166页 (4)气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。第31页/共166页 (6)气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在200以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大
17、于20。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用表示。一般在(0.52.0)W范围。(6)气敏元件的恢复时间 表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63时所需时间。第32页/共166页 (7)初期稳定时间 长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由
18、开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。第33页/共166页恒电位电解式气体传感器利用的是定电位电解法原理，其构造是在电解池内安置了三个电极，即工作电极、对电极和参比电极，并施加一定的极化电压，以薄膜同外部隔开，被测气体透过此膜到达工作电极，发生氧化还原反应，从而使传感器有一输出电流，该电流与被测气体浓度呈正比关系。由于该传感器具有三个电极，因此也称为三端电化学传感器。应用恒电位电解式气体传感器的结构和测量电路如图6-4所示。传
19、感器电极薄膜由三块催化膜组成，在催化膜的外面覆盖多孔透气膜。第34页/共166页测定不同的气体，选择不同的催化剂，并将电解电位控制为一定数值。其中，传感器电极一般是采用外加电源的燃烧电池(也称极谱电池)，电解液用硫酸，一面使电极与电解质溶液的界面保持一定电位，一面进行电解，通过改变其设定电位，有选择地使用气体进行氧化还原反应，从而在工作极间形成电流，以此电流可定量检测气体的浓度。第35页/共166页图6-4 恒电位电解式气体传感器的结构和测量电路第36页/共166页这类仪器的传感器是利用被测气体可引起电流变化的特性来测定被测气体的浓度的。这类仪器主要用于测定H2S、HCN、CO、CH2Cl2(
20、二氯甲烷)、NO2、Cl2、SO2等气体的浓度。目前，这类产品主要产自国外。第37页/共166页隔膜电池式气体传感器又称伽伐尼电池式气体传感器或原电池式气体传感器。这类测量仪器是利用伽伐尼电池与氧气(O2)或被测气体接触产生电流的特性来测定气体的浓度的，其构造和基本测量电路如图6-5所示。它由两个电极、隔膜及电解液构成。阳极是铅(Pb)，阴极是铂(Pt)或银(Ag)等贵金属，电解池中充满电解质溶液(氢氧化钾，KOH)，在阴极上覆盖有一层有机氟材料薄膜(聚四氟乙烯薄膜)。被测气体溶于电解液中，在电极上产生电化学反应，从而在两极间形成电位差，产生与被测气体浓度成正比的电流。第38页/共166页图6
21、-5 隔膜电池式气体传感器的构造及基本测量电路 第39页/共166页第二节 通风参数检测原理与方法1 风速测定方法 1.1 风表测定风速风表测定范围及计算风表测定风速有关问题 1.2 热电式风速测量恒流型热线风速仪恒温型热线风速仪 1.3 皮托管压差计测定风速皮托管风速测定布置皮托管风速测定计算 1.4 超声波风速测定涡流式风速传感器工作原理涡流式风速传感器特点2 通风阻力和通风压力测定方法 2.1 压差计法 2.2 气压计法第40页/共166页 矿山通风参数主要包括风速、通风阻力和通风压力。前者是衡量矿井环境气象条件好坏和评价通风能力的主要指标；后者是衡量矿井通风难易程度的基本指标。第41页
22、/共166页1 风速测定方法 矿井通风风速测量主要有如下方法：(1)用风表测定风速。常用风表有杯式和翼式两种。(2)用热电式风速仪和皮托管压差计测定风速。热电式风速仪分热线式和热球式两种。热电式风速仪操作比较方便，但现有的热电式风速仪易于损坏，灰尘和湿度对它都有一定的影响，有待进一步改进以便在矿山广泛使用。(3)对很低的风速或者鉴别通风构筑物漏风时，可以采用烟雾法或嗅味法近似测定空气移动速度。(4)利用风速传感器测定。常用风速传感器有：超声波涡街式风速传感器、超声波时差法风速传感器、热效式风速传感器。第42页/共166页图6-6 风速测量范围 第43页/共166页1.1 风表测定风速 风表的测
23、量原理是基于旋转到电信号的转换。感应接近开关对叶轮的转数“计数”，并提供在仪器中转换的脉冲序列，然后作为风速值指示。风表有杯式和翼式两种，其测量原理一致，只是其转动部件有别。大直径探头(60 mm100 mm)适合于较小或中等风速下的湍流的测量(例如出口管道)。小直径更适合于管道中的测量，在这种情况下，管道横截面必须比探头横截面大100倍。16mm 的探头被证明非常通用。它大到足以平衡湍流，小到足以方便地插入管道。第44页/共166页图6-9 叶轮风速表测量示意图 第45页/共166页 风表按风速的测量范围不同分为高、中和低三种风速表。(1)高速风表：0.825m/s；(2)中速风表：0.51
24、0m/s；(3)低速风表：0.35m/s。式中：v真真风速，m/s；a表明风表启动初速的常数，决定于风表转动部件的惯性和摩擦力；b校正常数，决定于风表的构造尺寸；v表风表的指示风速，m/s。(6-9)第46页/共166页图6-10 风表校正曲线 第47页/共166页 (1)风表的测量范围要与所测风速相适应，避免风速过高、过低造成风表损坏或测量不准；(2)风表不能距离人体和巷道壁太近，否则会引起较大误差；(3)风表叶轮平面要与风流方向垂直，偏角不得超过10，在倾斜巷道中测风时尤其要注意；(4)按线路法测风时，路线分布要合理，风表的移动速度要均匀，防止忽快忽慢，造成读数偏差；(5)秒表和风表的开关
25、要同步，确保在1min内测完全线路(或测点)；(6)有车辆或行人时，要等其通过后风流稳定时再测；(7)同一断面测定三次，三次测得的计数器读数之差不应超过5%，然后取其平均值。第48页/共166页图6-11 风速测量直线段长度 第49页/共166页1.2 热电式风速测量 热电式风速仪分热线式和热球式两种。测风原理是，一个被加热的物体置于风流中，其温度随风速大小和散热多少而变化，通过测量物体在风流中的温度便可测量风速。多用于微风测量。电流冷却风风速素子(白金卷)图6-12 热电式风速仪测风原理 风速 m/s电流量第50页/共166页 如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，由于流体对热
26、线对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。(6-10)第51页/共166页图6-13 恒流型热线风速仪等效电路 ER2R1RWe1第52页/共166页 如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。(6-11)第53页/共166页R2R1R3RwI1I2IBe0图6-13 恒温型热线风速仪等效电路 第54页/共166页1.3 皮托管压差计测定风速 皮托管压差测定风速主要应用于矿井抽风机房的通风参数测定，测定原理如图6-14所示。用皮托管测测量矿井风速(风压)时，为准确测得平均速压，应在通风风
27、道环形扩散器的测风位置预先焊接若干根钢筋，并在钢筋上对称固定一定数量的皮托管。皮托管的固定位置，可按下式计算：第55页/共166页图6-14 皮托管压差计测定风速原理 第56页/共166页 皮托管的固定位置，可按下式计算：式中：Ri每根钢筋上第i个测点距圆筒中心的距离，i测点序号；d心筒直径，m；D外筒直径，m；n划分等面积环的个数，个。对于No.1218，n34；No.2428，n56。(6-12)图6-15 皮托管测风位置第57页/共166页皮托管风速测定计算速压值的测定 利用微压计读取每支皮托管的示值。环形空间内测风断面的平均风速用下式计算：式中：hv1、hv2、hvn分别为各支皮托管的
28、速压值，Pa。(6-13)第58页/共166页1.4 超声波风速测定 超声波测速原理很多，包括涡流原理、时差法测量原理、多普勒法测量原理等。根据矿山通风的特点和要求，以及超声波测速原理的使用性，目前矿山通风风速测量基本都采用的涡流式风速传感器原理。涡流式风速传感器是根据卡尔曼涡流理论,利用超声波或光电信号,通过检测旋涡频率来测量风速的一种传感器。第59页/共166页涡流式风速传感器工作原理 众所周知,当野外架空的电线被风吹时,就会发出“嗡、嗡”响声,且风速越高声音频率越高,这是气流流过电线后形成旋涡(即涡流)所致。液体、气体等流体均会发生这种现象。如图6-16所示,在流体中放置一个柱状物体(即
29、涡流发生器)后,当雷诺数 Red 40 时,在其下游流体中就会形成 2 列平行状旋涡,并且左右交替出现,因此根据旋涡出现的频率,就可测量出流体的流速。由于旋涡与街道两旁的路灯类似,故称其为“涡街”因为这种现象首先被卡尔曼发现,所以又称为卡尔曼涡街或卡尔曼涡流。第60页/共166页图6-16 卡尔曼涡流示意图第61页/共166页 设 2 列平行涡流之间的距离为 H,同一列涡流中先后产生的 2 个旋涡之间的距离为 L,当比值 H/L为 0.1281 时,涡流将是稳定的,并且周期性地产生。根据卡尔曼涡流理论,单侧涡流产生的频率f与流体的流速 v 之间具有如下关系。(6-14)式中：v 涡流发生器两侧
30、处流体的流速,m/s；d 涡流发生器迎流面的最大宽度,m；S 斯特罗巴尔系数。圆柱形柱体 S=0.121；三角形柱体 S=0.116;长方形柱体 S=0.112；矩形柱体 S=0.117。第62页/共166页涡流式风速传感器特点 卡尔曼涡流是一种物理现象,涡流的测量精度由空气通道面积与涡流发生器的尺寸决定,与检测方法无关。涡流式风速传感器的输出信号是与旋涡频率对应的脉冲数字信号,其响应速度是测速传感器中最快的,几乎能同步反映空气流速的变化,因此特别适用于数字式计算机处理。除此之外,涡流式风速传感器还具有测量精度高、进气阻力小、无磨损、长期使用后性能不会发生变化等优点。第63页/共166页2 通
31、风阻力和通风压力测定方法 1)检测设备图6-17 测压计显示原理(a)U形管压力计；(b)倾斜式微压计第64页/共166页z1z2 2)布置方式及连接方法图6-18 压差计法测量通风阻力示意图第65页/共166页2.1 压差计法 用压差计法测定通风阻力的实质是测量风流两点间的势能差和动压差，计算出两测点间的通风阻力。其中：右侧的第二项为动压差，通过测定图1-18中1、2两断面的风速、大气压、干湿球温度，即可计算出它们的值。第一项和第三项之和称为势能差，需通过实际测定。(6-15)第66页/共166页 压差计“”感受的压力：压差计“”感受的压力：故压差计所示测值：设 且1、2断面间巷道中空气平均
32、密度相等，则：式中：Z12为1、2断面高差，h 值即为1、2两断面压能与位能和的差值。根据能量方程，则1、2巷道段的通风阻力hR12为：(6-16)第67页/共166页2.2 气压计法 由能量方程：hR12=(P1-P2)+(1v12/2-2v22/2)+m12gZ12 用精密气压计分别测得1，2断面的静压P1，P2 用干湿球温度计测得t1,t2,t1,t2,和1,2，进而计算1，2 用风表测定1，2断面的风速v1,v2。m121，2断面的平均密度，若高差不大，就用算术平均值，若高差大，则有加权平均值；Z121，2断面高差，从采掘工程平面图查得。可用逐点测定法，一台仪器在井底车场监视大气压变化
33、，然后对上式进行修正。(6-17)hR12=(P1-P2)+P12+(1v12/2-2v22/2)+m12gZ12第68页/共166页第三节 粉尘浓度检测原理与方法1 光学显微镜法2 电集尘法3 滤纸取样法4 扫描显微镜检测法5 射线测尘原理6 光电测尘原理第69页/共166页1 光学显微镜法通过光学显微镜法可以测定微粒的尺寸、形状以及数量。必要时可用电子显微镜测定更小的微粒尺寸。在取样沉积后，将微粒刷在碳质透明塑料片或类似胶片上，通过光学显微镜进行观察。在观测时，微粒的尺寸通常都按水平面的尺寸来考虑，如图6-19所示。必要时可采用分别过筛的方法，对微粒进行尺寸分类。微粒个数可以以单位面积内的
34、数量进行估算。第70页/共166页图6-19 微粒的测量(a)最大尺寸；(b)纤维测量的最大尺寸 第71页/共166页2 电集尘法电集尘法属于重量浓度法，其结构如图6-20所示。这是一种使气体中的微粒子带电后进行捕捉的方法。含尘气体通过具有高电位差的两个电极间形成的强电场，利用电晕放电现象使气体带电的同时，也使粉尘带电，从而粉尘可以附着在电极上。然后根据捕捉到的粉尘的质量和流过集尘器的气体体积，便可计算出被污染气体中粉尘的浓度(g/m3或mg/m3)。第72页/共166页图6-20 集尘电极的结构 第73页/共166页3 滤纸取样法滤纸取样法的结构如图6-21所示。它利用带状滤纸对气体进行过滤
35、的原理进行工作。图中，吸引泵以10L/min的吸引流量从吸引口吸引气体，经过匀速移动的滤纸后，粉尘沉积在滤纸上。在光源的照射下，用光电管在下面检测滤纸的透光量。透光量与沉积的粉尘量成反比。由此可算出粉尘是根据流量计的流量，便可得到被污染气体的浓度，它属于相对浓度。第74页/共166页图6-21 滤纸带空气取样法的结构图 第75页/共166页4 扫描显微镜检测法对于燃烧产生的微粒，特别是煤的微粒、油的飞沫或煤烟粉尘，可以利用定量电子显微镜分析仪按形状和大小进行分析。也可通过视像管摄像机进行观察。其具体分析过程是将被检查的微粒样品放在普通的显微镜载物玻璃片上，此时显微镜便可进行正常的观察。同时，利
36、用电子显微镜分析仪检测有关微粒数量、大小、形状等参数，通过计算机对这些数据进行处理，便可以很快地得到有关微粒的数量、各种形状、载距、面积以及在设定的尺寸上、下限范围内的统计分布。第76页/共166页5 射线测尘原理射线测尘仪表是利用核辐射原理工作的。它利用粉尘对射线的吸收作用，当放射源产生的射线穿过含有粉尘的空气时，一部分射线被粉尘吸收掉，一部分射线穿过被测物质(含尘空气)。空气中的粉尘含量越大，被吸收掉的射线量越大。射线的减少量与粉尘的浓度成正比关系。第77页/共166页射线测尘仪的结构如图6-22所示。一般射线测尘仪由放射源、探测器、电信号转换放大电路和显示电路四个部分组成。放射源是仪表的
37、特殊部分，由放射性同位素制成，如射线放射源可用14。探测器的作用是检测射线，将穿过被测物质的射线接收并转换成电信号输出，即将射线强弱的变化以电信号的大小变化反映出来。常用的射线检测管是盖格计数管。由探测器输出的信号再经放大和一些特殊电路处理，由显示部分指示出检测值。第78页/共166页图6-22 射线测尘仪结构 第79页/共166页6 光电测尘原理图6-23所示为ACG-1型光电测尘仪的工作原理。ACG1型测尘仪由测量、采样和延时电路等组成，其测量过程是：当微动开关S1闭合时，光源1发光，经过凸镜2变为近平行光，通过滤纸3照射到硅光电池4上，硅光电池输出电流，由微安表6读出光电流大小。若含有粉
38、尘的气体通过滤纸3，滤纸上集聚了粉尘。经过滤纸照射则硅光电池上的照度减弱，微安表的指示就减少，从而可根据测尘前后光电流的变化来反映粉尘浓度。显然，只要配置合适的采样器，由滤纸所集聚的即是呼吸性粉尘，就可得出呼吸性粉尘的浓度大小。第80页/共166页图6-23 光电测尘仪原理 第81页/共166页在实际应用条件下，可以获得硅光电池的输出电流和光通量成线性关系，即：I=(6-18)式中：为比例因子。(6-19)式中：0、为光通过含尘气体前、后的光通量；L为含尘气体的厚度；K为含尘气体的减光系数；C1为单位厚度含尘气体中的尘重。第82页/共166页若以CLC1表示整个被测区内的尘重，则：(6-20)
39、由此得：(6-21)显然，只要知道粉尘的减光系数K和通过滤纸吸尘前、后的0与，就能求出一定体积(其大小由Qt确定，其中：Q为采样流量；t为取样时间)的含粉尘气体内粉尘的质量；/就是单位体积含尘气体内的粉尘浓度，记为mg/3。第83页/共166页第四节 温湿度检测原理与方法1 第84页/共166页第四节 温湿度检测原理与方法1 温度检测基础 温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。测量方法：接触式测温和非接触式测温。第85页/共166页1.1 温度检测
40、方法应用热膨胀测温应用工作物质的压力随温度变化的原理测温应用热电效应测温应用热电阻原理测温应用热辐射原理测温第86页/共166页接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。接触式测温的特点是：直观、可靠，测量仪表简单。(1)膨胀式温度计 (2)热电阻温度计 (3)热电偶温度计 (4)其他原理的温度计第87页/共166页非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。非接触测温的特点是：不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。(1)辐射式温度计 (2)光纤式温度计第88页/共166页1.2 温标摄氏温标 是
41、把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为100度的一种温标。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为。华氏温标 规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为。热力学温标 又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。国际实用温标 是一种符合热力学温标又使用简单的温标。第89页/共166页 国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。国际计量委员会在 18 届国际计量大会第七号决议授权予 1989 年会议通过了 1990 年国际温标 ITS-90。我国自 1994 年 1 月
42、1 日起全面实施 ITS-90 国际温标。第90页/共166页2 温度检测2.1 应用热膨胀原理测温 测量原理：物体受热时产生膨胀。检测手段：液体膨胀式温度检测和固体膨胀式温度检测。图6-24 玻璃管温度计 图6-25 双金属温度计第91页/共166页2.2 应用热电效应测温 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。第92页/共166
43、页 图6-26 热电效应测温原理第93页/共166页图6-27 热电效应测温电势第94页/共166页(6-22)热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。第95页/共166页2.2 热敏电阻温度传感器 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻(如铂、铜电阻温度计等)和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下(-40350)热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。第96页/共166页 (1)电阻温度系数
44、的范围甚宽 有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。(2)材料加工容易、性能好 可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm。(3)阻值在110M之间可供自由选择 使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。第97页/共166页 (4)稳定性好 商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于其它各种温度传感
45、器。(5)原料资源丰富，价格低廉 烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。第98页/共166页热敏电阻器主要特性图6-28 热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4 PTC第99页/共166页RTT)负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性 NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：(6-23)(6-24)第100页/共166页 式中：RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BNNTC热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在
46、不太宽的温度范围(小于450)，都能利用该式，它仅是一个经验公式。如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。第101页/共166页图6-29 NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线第102页/共166页 在实际使用中，为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻温度关系式：(6-25)图6-30 RT/R25-T特性曲线第103页/共166页RTR25BN系数表RTR
47、25BNR50R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.03
48、40.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0R25R75R25R-20R25R150R25R100R25第104页/共166页正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻温度特性 其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图。图6-31 PTC热敏电阻器的电阻温度曲线第105页/共166页 PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到
49、Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数tp。第106页/共166页 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值；BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。(6-26)(6-27)第107页/共166页图6-32 lnRTT 表示的PTC热敏电阻器电阻温度曲线第108页/共166页 可见：正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp，正好等于它的材料常数BP的值。若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻
50、温度系数tp为：(6-28)第109页/共166页UI)热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡(即加在元件上的电功率和耗散功率相等)时的互相关系。第110页/共166页负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性 该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态UI曲线。热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：式中：T0环境温度；T热敏电阻的温升。(6-29)第111页/共166页图6-32 NTC热敏电阻的静态伏安特性第112页/共166页正温度系数(PTC)热敏电阻器的伏安特性 曲线见下图，它与NTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与