目前氣體儀器儀表測(cè)量原理應(yīng)用比較多的有電化學(xué)、催化燃燒、紅外、PID光離子化、熱裂解、熱導(dǎo)等，下面對(duì)測(cè)量原理進(jìn)行介紹。

催化燃燒

催化燃燒式傳感器是一種傳統(tǒng)的氣體濃度檢測(cè)傳感器，也稱催化可燃?xì)怏w傳感器。該傳感器由jonson于1923年研制，至今一直占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。它可以便宜地制造，并可用于檢測(cè)大多數(shù)可燃?xì)怏w。因此，在石化等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。

該傳感器的檢測(cè)原理如下：當(dāng)可燃?xì)怏w與傳感器表面的氣敏材料接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生熱量變化。在電場(chǎng)作用下，這種熱量變化就被轉(zhuǎn)化為電阻變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)氣體濃度的快速檢測(cè)。催化燃燒式傳感器通?；趩伪垭姌颍ㄓ址Q惠斯通電橋）進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。貴金屬鉑金線圈嵌入陶瓷顆粒中，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，熱能被釋放出來(lái)，使得陶瓷顆粒及其內(nèi)部的線圈溫度升高。因而改變電阻信號(hào)并可通過(guò)測(cè)定電阻值的變化，來(lái)獲得可燃?xì)怏w的濃度信息。像固定式氣體檢測(cè)報(bào)警器測(cè)量氫、可燃?xì)怏w就是利用催化燃燒原理。

圖1 催化燃燒式傳感器中惠斯通電橋及核心陶瓷顆粒結(jié)構(gòu)

電化學(xué)法

在20世紀(jì)80年代發(fā)明的電化學(xué)傳感器通常用于檢測(cè)密閉空間內(nèi)氣體的含量。舉例如下：測(cè)定氮?dú)庵圃燔囬g、地下倉(cāng)庫(kù)等地點(diǎn)的氧氣含量，以確保工作環(huán)境的氧氣充足；另外，也可用于檢測(cè)化工車間、礦井中有害氣體的含量（如一氧化碳、二氧化氮），以保證工人的安全。

通過(guò)測(cè)量氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)引起的電流強(qiáng)度，可以表征氣體濃度。按照電極數(shù)量，電化學(xué)傳感器分為兩電極和三電極型。在兩電極型傳感器中，感應(yīng)電極的一端位于電解質(zhì)中，另一端暴露于空氣中，氧氣是電子受體。當(dāng)目標(biāo)氣體分子擴(kuò)散到電極時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并在外部電路中產(chǎn)生電流。感應(yīng)電極上發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)，對(duì)電極則發(fā)生還原反應(yīng)，反之亦然。相比于兩電極型，三電極化學(xué)傳感器還附帶一個(gè)參比電極，如圖2所示。通過(guò)恒電位儀將電流信號(hào)放大后，可用微安表定量地顯示感應(yīng)電極發(fā)生的氧化或還原反應(yīng)的氣體量。傳感器中的穩(wěn)壓電路能保證氣體穩(wěn)定擴(kuò)散，從而使輸出電流強(qiáng)度和測(cè)得的氣體濃度之間呈現(xiàn)較佳的線性關(guān)系。

圖2　三電極型電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

電化學(xué)傳感器適用于檢測(cè)具有電化學(xué)活性的氣體。與催化燃燒式傳感器相比，待測(cè)氣體經(jīng)過(guò)電化學(xué)傳感器時(shí)具有相對(duì)穩(wěn)定的擴(kuò)散勢(shì)壘，所需的檢測(cè)功率也較低。需要注意的是，一些無(wú)電化學(xué)活性的氣體也有可能會(huì)與傳感器中的某些成分發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生交叉反應(yīng)，導(dǎo)致檢測(cè)滯后，影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，電化學(xué)傳感器對(duì)溫度和濕度的變化非常敏感，同時(shí)易受堿金屬、酸性/堿性氣體的腐蝕，因此在使用電化學(xué)傳感器時(shí)，需要對(duì)檢測(cè)環(huán)境進(jìn)行預(yù)估評(píng)判。

比如氧分析儀、便攜二合一氣體報(bào)警器、便攜四合一氣體報(bào)警器的傳感器都涉及到電化學(xué)。

紅外光譜

紅外傳感器基于氣體分子的近紅外光譜選擇性吸收特性，用于檢測(cè)大多數(shù)碳?xì)漕悮怏w。常規(guī)的紅外傳感器由紅外光源、樣品池和熱釋電探測(cè)器三部分組成（如圖3所示）。紅外光源能產(chǎn)生穩(wěn)定且強(qiáng)度相等的光束，通過(guò)反射鏡反射至安裝有參比濾光片和檢測(cè)濾光片的檢測(cè)器中。當(dāng)氣體分子進(jìn)入樣品池后，會(huì)吸收特征波長(zhǎng)的紅外光，導(dǎo)致該波長(zhǎng)紅外光強(qiáng)度減弱，據(jù)此按朗伯-比爾定律計(jì)算待測(cè)氣體濃度。同時(shí)，引入?yún)⒈刃盘?hào)可以有效地減少光源不穩(wěn)定帶來(lái)的檢測(cè)誤差。

圖3 紅外傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

紅外傳感器可在低氧條件下進(jìn)行檢測(cè)，且由于待測(cè)氣體與傳感器無(wú)直接接觸，因此特別適用于檢測(cè)腐蝕性和反應(yīng)性氣體。紅外傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)是克服了催化燃燒式傳感器過(guò)熱易損耗的缺陷。需要注意的是，紅外傳感器無(wú)法檢測(cè)由同一種原子構(gòu)成的氣體分子，如氧氣、氫氣、氮?dú)獾取＿@是因?yàn)橥瑯?gòu)分子中電子的分布是均衡的，其與紅外線相互作用不會(huì)引起能量轉(zhuǎn)移，因此紅外傳感器無(wú)法檢測(cè)這些氣體分子。紅外傳感器針對(duì)二氧化碳和一些揮發(fā)性有機(jī)氣體的檢測(cè)具有極大的優(yōu)勢(shì), 并且只需要每年進(jìn)行一次零點(diǎn)檢查。

PID光離子化

作為一種高靈敏度的氣體檢測(cè)設(shè)備，光離子化檢測(cè)器使用紫外燈電離，并且對(duì)被測(cè)氣體無(wú)破壞。光離子化檢測(cè)器具有體積小、響應(yīng)時(shí)間短和精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合被設(shè)計(jì)為VOCs檢測(cè)設(shè)備。

當(dāng)被測(cè)氣體(VOCs)進(jìn)入電離室時(shí)，在光離子化檢測(cè)器中紫外燈會(huì)照射其內(nèi)部，如圖4所示。不同物質(zhì)具有不同的電離勢(shì)能，在紫外燈的電離勢(shì)能超過(guò)被測(cè)氣體的電離勢(shì)能時(shí)，被測(cè)氣體中的物質(zhì)即會(huì)發(fā)生電離。在極板電壓的作用下，電離后的被測(cè)氣體定向移動(dòng)并最終被收集到收集板上。由于被測(cè)氣體濃度與電流信號(hào)成正比，在后續(xù)處理過(guò)程中，經(jīng)過(guò)放大濾波等電路的處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體的檢測(cè)。揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測(cè)儀就是利用的PID傳感器進(jìn)行氣體檢測(cè)。

圖4 光離子化工作原理

熱導(dǎo)

熱導(dǎo)式傳感器使用可燃?xì)怏w與空氣的熱導(dǎo)率差異來(lái)測(cè)定氣體濃度，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)催化燃燒式傳感器類似，但不同之處在于熱導(dǎo)式傳感器中惠斯通電橋增加了補(bǔ)償微珠。當(dāng)待測(cè)氣體的熱導(dǎo)率高于作為參考的空氣時(shí)，測(cè)量微珠將損失更多熱量，導(dǎo)致電阻變化，進(jìn)而輸出電壓以實(shí)現(xiàn)氣體濃度的測(cè)定。由于該檢測(cè)原理是基于熱導(dǎo)率的，因此當(dāng)以空氣為參考?xì)怏w時(shí)，熱導(dǎo)式檢測(cè)器適用于檢測(cè)熱導(dǎo)率比空氣高的低相對(duì)分子質(zhì)量氣體，例如氫氣、甲烷和氦氣等。對(duì)于熱導(dǎo)率與空氣相近的氣體如二氧化碳、氧氣、氮?dú)獾?，則需要使用氫氣或氦氣作為參考?xì)怏w。

熱導(dǎo)式傳感器的優(yōu)勢(shì)在于使用過(guò)程中不涉及催化過(guò)程，無(wú)需氧氣供應(yīng)，特別適用于石化煉油廠、工業(yè)氣體排放/泄漏等含有高濃度可燃?xì)怏w的檢測(cè)。值得注意的是該類傳感器受空氣濕度的影響較大，因此測(cè)定環(huán)境需要維持較穩(wěn)定的溫度和濕度，并且需要定期對(duì)傳感器進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)。氫分析儀就是利用熱導(dǎo)原理進(jìn)行氣體檢測(cè)。

熱裂解

以三氟化氮為例，通過(guò)超高溫裂解+電化學(xué)原理進(jìn)行檢測(cè)，采用精確的加熱控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證裂解效率（裂解溫度600度），大大減少了生成產(chǎn)物的種類，減小了交叉干擾，裂解反應(yīng)化學(xué)方程式為：NF₃+H₂O->NO+NO₂+... 。然后采用MO₂等作為轉(zhuǎn)化劑將NO轉(zhuǎn)化為NO₂，然后根據(jù)電化學(xué)傳感器檢測(cè)生成產(chǎn)物NO₂的濃度就可以反向推算出三氟化氮?dú)怏w的濃度。

圖5 三氟化氮?dú)怏w傳感器探頭組成原理圖