气体检测仪的交叉灵敏度

作者杨陈保。转载。

假设你某一天在装置区现场闻到一股熟悉的乙烯的气味,你怀疑某个地方发生泄漏了,于是你找来了一个多合一的便携式气体检测仪,这个检测仪装有4个传感器,分别是检测可燃气、氧气、硫化氢和一氧化碳的。当你靠近可能的泄漏点,闻到的味道越来越浓的时候,气体检测仪上显示可燃气浓度的LEL%还没有任何显示值的时候,突然间显示一氧化碳浓度很快突破了20ppm的高报值以及30ppm的高高报,快速上升到超出了100ppm的浓度。你赶忙从现场撤出,但是你非常不理解,这个区域不可能会有一氧化碳的,工艺系统中就没有一氧化碳。那么气体检测仪检测到的一氧化碳是从哪里来的呢?

图片

我们日常使用的便携式气体检测仪按检测气体的类型分,可分为有毒气体检测仪和可燃气体检测仪。有毒气体检测仪一般采用电化学式传感器,可以检测氧气、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氯气、氨气等有毒有害气体。可燃气体检测仪一般采用催化燃烧式或红外式传感器,可以检测甲烷、丙烷、乙炔、乙烯等可燃性气体。有毒气体的检测仪传感器的灵敏度和报警值一般是ppm(百万分之一)级的,而可燃气检测仪的传感器的灵敏度和报警值一般是 (百分之一)级的。

图片

事实是现场并没有一氧化碳,气体检测仪检测到的一氧化碳是由于一氧化碳传感器对现场泄漏出来的乙烯也发生了响应,产生了一个检测电流,从而在检测仪上产生一个读数,而且由于一氧化碳传感器是ppm级的,而可燃气传感器%级的,两者级数的差别导致一氧化碳传感器已经超标报警了,可燃气传感器还没响应。
这种气体检测仪的传感器对目标气体以外的气体也有响应的现象被称为气体检测仪的交叉灵敏度。交叉灵敏度可能会导致气体检测仪的读数出现误差,有时也被称为干扰气体。交叉灵敏度可能是正的,也就是传感器显示的气体浓度高于实际值,也可能是负的,也就是传感器显示的气体浓度低于实际值,或者甚至是抑制的,也就是传感器无法检测到目标气体。

图片

以乙烯和一氧化碳为例。假设我们有一个电化学传感器,它的目标气体是一氧化碳(CO),但是它对乙烯(C2H4)也有响应。如果我们知道传感器对CO的响应率是100%,对C2H4的响应率是10%,那么我们就可以计算出传感器的交叉灵敏度。例如,如果传感器检测到100ppmC2H4,它会显示100ppm10%,也就是10ppmCO。这就是一个正响应误差,因为传感器显示的CO浓度高于实际值。同样,如果传感器同时检测到50ppmCO50ppmC2H4,它会显示50ppm+50ppm*10%=55ppmCO。这也是一个正响应误差,因为传感器显示的CO浓度高于实际值。这些误差可能会影响气体检测仪的准确性和安全性,所以我们需要了解传感器的交叉灵敏度,并根据实际情况进行修正或选择更合适的传感器。
在本文开头的这个例子中,现场并没有一氧化碳,只有乙烯,因此当检测器中显示100ppm的一氧化碳的时候,现场实际乙烯浓度约为1000ppm,乙烯在空气中浓度是0.1%,乙烯爆炸下限是3.1%,可燃气高报报警值的爆炸下限的10%10% LEL),乙烯的10% LEL0.31%,而1000ppm才是0.1%,因此可燃气报警还不会发生。

图片

交叉灵敏度影响传感器的例子还有很多,例如:

      • 一氧化碳传感器对氢气的正响应率为60%。因此,当检测CO的传感器看到200ppmH2时,它会显示200ppm60%(约120ppm)。

      • SO2传感器对NO2的响应为–120%。因此,如果它同时看到5ppmNO25ppmSO2,读数会减少6ppm,所以(取决于所涉及的传感器类型)会给出0ppm的读数或负值。

      • SO2传感器可能受到NH3的抑制,需要很多小时才能恢复并对SO2作出反应。

      • 对于催化燃烧传感器,如果用甲烷标定,那么对乙烷的交叉系数为0.5,对丙烷的交叉系数为0.42


交叉灵敏度不只存在于电化学传感器,还存在于其他类型的传感器,比如催化燃烧传感器、红外传感器和PID传感器。不同类型的传感器对不同气体的交叉灵敏度也不同,有些可能很高,有些可能很低。交叉灵敏度的大小取决于传感器的原理、结构、材料、过滤器等因素 。交叉灵敏度会影响气体检测仪的准确性和可靠性,可能会给使用者带来安全隐患。因此,在选择和使用传感器时,我们需要了解它们的交叉灵敏度特性,并根据实际情况进行调整或选择更合适的传感器 。同时需要了解传感器的交叉灵敏度数据,并与制造商保持联系,以获取最新的信息和建议。
为了避免或减少交叉灵敏度的影响,我们可以采取以下这些方法:

      • 选择适合检测目标气体的传感器,尽量避免使用对干扰气体有高交叉灵敏度的传感器。

      • 了解传感器的交叉灵敏度数据和图表,以及可能存在的干扰气体种类和浓度,根据实际情况进行校准和修正。

      • 使用化学过滤器或其他技术来去除或减少干扰气体的影响,但要注意过滤器的寿命和效果。

      • 定期检查和更换传感器,避免传感器中毒或老化导致交叉灵敏度增加。

      • 在可能的情况下,使用其他类型的传感器或检测方法,如比色管、红外传感器、光离子传感器等,来验证或补充电化学传感器的读数。

比色管是一种利用气体与特定的化学物质或某一类化学物质发生反应而改变颜色的检测方法,通过比较颜色的深浅来判断气体的浓度。比色管是一次性的,每次检测需要使用一根新的比色管,而且有保质期限制。比色管的优点是简单、快速、灵敏、准确、专一,但缺点是费用高、操作繁琐、易受环境影响、不能连续监测。比色管同样受交叉干扰的影响,也就是说,一些非目标气体也会导致比色管内的化学物质发生反应而改变颜色,这种反应可能会影响比色管的准确性和可靠性,只是比色管经过这么长时间的发展,专一性已经非常不错,能发生交叉干扰的非目标气体非常有限,不像气体检测仪的传感器那样从原理上就很难避免交叉灵敏度的影响。但是,在使用比色管的时候还是需要查看说明书,注意可能存在的干扰气体,避免用在有干扰气体存在的场景。

图片

下面这个场景是一个应用比色管的典型例子,高密度聚乙烯的流化床反应器在紧急停车的时候需要注入一氧化碳终止聚合反应,停车后如果反应床层内有块料就需要人员进到反应器内的受限空间进行清理块料作业。在通风置换之后需要进行气体检测以确保床层内不含残留的一氧化碳。这时如果采用带一氧化碳传感器的气体检测仪进行检测一定时测不准的,一定会报警的,因为反应床层内的聚乙烯粉料还是会包含微量的乙烯并不断缓慢释放出来,虽然达不到可燃气爆炸下限的报警值,但是会在交叉灵敏度作用下导致ppm级的一氧化碳传感器产生报警。在这种情况下,要准确检测反应器床层里面的一氧化碳含量就只能通过采样送到化验室做色谱分析或采用比色管的检测方法了。而比色管是价格相对比较低廉并且时效性更好的解决方案,当然在用比色管之前要查看说明书,确认里面的化学物质不会同时与乙烯反应。