本篇是此系列專題的尾篇了,也是比較難解釋和理解的一篇。歡迎共同探討。
????? 前期給大家介紹了影響氣體傳感器讀數的因素:氣體濃度、平衡氣(背景氣)、環境溫度、環境濕度、氣體壓強、氣體流量和傳感器壽命,今天為大家介紹一個因素——交叉靈敏度,詳情如下:
????? 交叉靈敏度:氣體傳感器和其它物理傳感器不同,它除了能夠測量被測氣體,還會對其它類別的氣體產生反應,簡稱“交叉干擾”,其交叉反應的程度的量化參數叫做“交叉靈敏度”。不同種類傳感器的交叉干擾的原理是不同的,但是,交叉干擾的現象是不可避免的,只是大小程度不同而已。
一、不同傳感器的交叉干擾的原理如何?
???? 催化燃燒傳感器(LEL):
LEL傳感器的交叉響應來自于催化劑。LEL傳感器的催化劑是金屬鈀,或是其它貴金屬。LEL傳感器的被測氣體基本上為甲烷CH4,也有專為乙炔C2H2而設計的LEL傳感器。但是只要是可燃氣體,LEL傳感器都有響應,其交叉靈敏度的數據請見下表。
電化學傳感器(EC):
EC傳感器的交叉響應來自于催化劑。EC傳感器的催化劑多為鉑、金、銥等貴重金屬。當這些貴金屬的粒度達到μm以下級別時,它就能在常溫時催化氧化一些氣態物質,并且其本身質量并不會發生改變。但不足的是,每種金屬所能催化的氣體不是單一的,例如鉑能催化CO,也能催化H2S、C2H4、乙醇等。這就給氣體分析造成了不便,使得我們不知道被測氣體是哪一種,只知道傳感器有電流輸出。以下是CO傳感器4CM的交叉干擾系數表。
非色散紅外傳感器(NDIR):
NDIR傳感器的交叉干擾相對其它氣體傳感器較小。那是因為不同的氣體在紅外波段的吸收波長不同,例如CH4是3.3μm,CO2是4.25μm,CO是4.6μm……。大家可能比較容易忽視的是水H2O的紅外吸收波段,它和CH4有重疊的部分,導致空氣中濕度比較大的時候,NDIR? CH4傳感器的讀數會偏高。
光離子化傳感器(PID):
PID和NDIR傳感器恰恰相反,只要是能夠被紫外燈發出的UV光電離的氣體,PID都能檢測,PID幾乎不能區分氣種。HC氣體分子越大,電離能越低,分子中不飽和CC鍵越多,電離能越低,越容易電離和檢測。因此,在PID的應用中,需要知道被測氣體的名稱,才能從PID的交叉靈敏度表格中去查詢,否則讀數也是不準確的。和NDIR不同,被測氣體濕度高(即水蒸氣濃度高),用PID測得的讀數會偏低。
金屬氧化物半導體傳感器(MOS):MOS傳感器的交叉干擾來自兩個方面:PN結和催化劑。很早人們就發現硅片上的PN結的電阻對溫度、濕度和環境空氣是敏感的。后來人們為了放大該敏感度,就在PN結上涂上了對可燃氣敏感的催化劑,并加熱之,這樣就構成了MOS傳感器。MOS也不具有氣體選擇性,從市面上的傳感器技術資料看來,凡是可燃氣,MOS都是有響應的,如下圖。
二、如何消除交叉干擾?
?????? 催化燃燒傳感器(LEL):很難消除。一般說來,LEL傳感器對可燃氣都有響應,這種響應是疊加的。只有一種可以實現,那就是去除分子比較大的HC類氣體,用分子篩的過濾器來去除,其副作用是造成傳感器響應時間的延長。
????? 電化學傳感器(EC):首先要知道被測氣體的種類,然后在傳感器的交叉靈敏度表格中查到交叉干擾的系數。如果查不到,就需要找傳感器的供應商技術支持工程師咨詢。比較好的消除交叉干擾的辦法是過濾其他氣體,例如,CO傳感器內部會加入能夠過濾掉H2S,NO和NO2的過濾器。當然,這種過濾器也是化學物質,是消耗型的,有壽命的。而且,化學過濾器也不能過濾掉所有干擾氣體。如果幾種被測氣體是混在一起的,都要測出濃度,而且,EC傳感器對它們的交叉靈敏度又都不為零,那就需要用聯立多元一次方程組的辦法來解決了。此辦法在煙氣分析的儀器中是標準算法。
???? 非色散紅外傳感器(NDIR):幾乎不需要消除交叉干擾,因為不同氣體的紅外吸收波長是不一樣的。比較特別的是,水蒸氣對HC類氣體檢測的干擾。根據個人經驗,在40℃,90%RH的條件下,NDIRCH4傳感器的讀數會比真值高1500PPM以上。在這種情況下,如果需要提高測量精讀,就需要用制冷除水法或用Nafion管除水法將大量的水蒸氣去除。紅外CH4傳感器對HC類的氣體都是有交叉響應的,因為CH4傳感器實際上測量的是H-C鍵的濃度,所以只要有H-C鍵的氣體,紅外CH4傳感器實際上都能測量。
?????? 光離子化傳感器(PID):基本上無法消除。因為PID是用來測量可揮發有機物(VOC)的,而通常VOC的分子都比較大,例如碳鏈長度≥4。如果用分子篩或者活性炭過濾,VOC就都被吸附了,無法到達傳感器,也就測不出VOC濃度。但是,用活性炭過濾氣體,對PID來說有另外一個好處,就是可以用活性炭過濾過的空氣來標定零點。
?????? 金屬氧化物半導體傳感器(MOS):基本上無法消除。MOS是用來測量PPM級別的CH4、CO、H2、HC類有機氣體的,即使沒有催化劑的存在,PN結的電阻也會隨著以上氣體的濃度而發生改變,因此無法區分。如果一定要消除交叉干擾,也這只能采用過濾的方法來操作,利用分子篩過濾器。