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氣體檢測儀的交叉靈敏度

作者楊陳保。轉(zhuǎn)載。

假設(shè)你某一天在裝置區(qū)現(xiàn)場聞到一股熟悉的乙烯的氣味，你懷疑某個地方發(fā)生泄漏了，于是你找來了一個多合一的便攜式氣體檢測儀，這個檢測儀裝有4個傳感器，分別是檢測可燃?xì)狻⒀鯕?、硫化氫和一氧化碳的。?dāng)你靠近可能的泄漏點，聞到的味道越來越濃的時候，氣體檢測儀上顯示可燃?xì)鉂舛鹊?/span>LEL%還沒有任何顯示值的時候，突然間顯示一氧化碳濃度很快突破了20ppm的高報值以及30ppm的高高報，快速上升到超出了100ppm的濃度。你趕忙從現(xiàn)場撤出，但是你非常不理解，這個區(qū)域不可能會有一氧化碳的，工藝系統(tǒng)中就沒有一氧化碳。那么氣體檢測儀檢測到的一氧化碳是從哪里來的呢？

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我們?nèi)粘Ｊ褂玫谋銛y式氣體檢測儀按檢測氣體的類型分，可分為有毒氣體檢測儀和可燃?xì)怏w檢測儀。有毒氣體檢測儀一般采用電化學(xué)式傳感器，可以檢測氧氣、一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氯氣、氨氣等有毒有害氣體?？扇?xì)怏w檢測儀一般采用催化燃燒式或紅外式傳感器，可以檢測甲烷、丙烷、乙炔、乙烯等可燃性氣體。有毒氣體的檢測儀傳感器的靈敏度和報警值一般是ppm（百萬分之一）級的，而可燃?xì)鈾z測儀的傳感器的靈敏度和報警值一般是 % （百分之一）級的。

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事實是現(xiàn)場并沒有一氧化碳，氣體檢測儀檢測到的一氧化碳是由于一氧化碳傳感器對現(xiàn)場泄漏出來的乙烯也發(fā)生了響應(yīng)，產(chǎn)生了一個檢測電流，從而在檢測儀上產(chǎn)生一個讀數(shù)，而且由于一氧化碳傳感器是ppm級的，而可燃?xì)鈧鞲衅?/span>%級的，兩者級數(shù)的差別導(dǎo)致一氧化碳傳感器已經(jīng)超標(biāo)報警了，可燃?xì)鈧鞲衅鬟€沒響應(yīng)。
這種氣體檢測儀的傳感器對目標(biāo)氣體以外的氣體也有響應(yīng)的現(xiàn)象被稱為氣體檢測儀的交叉靈敏度。交叉靈敏度可能會導(dǎo)致氣體檢測儀的讀數(shù)出現(xiàn)誤差，有時也被稱為“干擾氣體”。交叉靈敏度可能是正的，也就是傳感器顯示的氣體濃度高于實際值，也可能是負(fù)的，也就是傳感器顯示的氣體濃度低于實際值，或者甚至是抑制的，也就是傳感器無法檢測到目標(biāo)氣體。

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以乙烯和一氧化碳為例。假設(shè)我們有一個電化學(xué)傳感器，它的目標(biāo)氣體是一氧化碳（CO），但是它對乙烯（C2H4）也有響應(yīng)。如果我們知道傳感器對CO的響應(yīng)率是100%，對C2H4的響應(yīng)率是10%，那么我們就可以計算出傳感器的交叉靈敏度。例如，如果傳感器檢測到100ppm的C2H4，它會顯示100ppm的10%，也就是10ppm的CO。這就是一個正響應(yīng)誤差，因為傳感器顯示的CO濃度高于實際值。同樣，如果傳感器同時檢測到50ppm的CO和50ppm的C2H4，它會顯示50ppm+50ppm*10%=55ppm的CO。這也是一個正響應(yīng)誤差，因為傳感器顯示的CO濃度高于實際值。這些誤差可能會影響氣體檢測儀的準(zhǔn)確性和安全性，所以我們需要了解傳感器的交叉靈敏度，并根據(jù)實際情況進(jìn)行修正或選擇更合適的傳感器。
在本文開頭的這個例子中，現(xiàn)場并沒有一氧化碳，只有乙烯，因此當(dāng)檢測器中顯示100ppm的一氧化碳的時候，現(xiàn)場實際乙烯濃度約為1000ppm，乙烯在空氣中濃度是0.1%，乙烯爆炸下限是3.1%，可燃?xì)飧邎髨缶档谋ㄏ孪薜?/span>10%（10% LEL），乙烯的10% LEL是0.31%，而1000ppm才是0.1%，因此可燃?xì)鈭缶€不會發(fā)生。

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交叉靈敏度影響傳感器的例子還有很多，例如：

      • 一氧化碳傳感器對氫氣的正響應(yīng)率為60%。因此，當(dāng)檢測CO的傳感器看到200ppm的H2時，它會顯示200ppm的60%（約120ppm）。

      • SO2傳感器對NO2的響應(yīng)為–120%。因此，如果它同時看到5ppm的NO2和5ppm的SO2，讀數(shù)會減少6ppm，所以（取決于所涉及的傳感器類型）會給出0ppm的讀數(shù)或負(fù)值。

      • SO2傳感器可能受到NH3的抑制，需要很多小時才能恢復(fù)并對SO2作出反應(yīng)。

      • 對于催化燃燒傳感器，如果用甲烷標(biāo)定，那么對乙烷的交叉系數(shù)為0.5，對丙烷的交叉系數(shù)為0.42。


交叉靈敏度不只存在于電化學(xué)傳感器，還存在于其他類型的傳感器，比如催化燃燒傳感器、紅外傳感器和PID傳感器。不同類型的傳感器對不同氣體的交叉靈敏度也不同，有些可能很高，有些可能很低。交叉靈敏度的大小取決于傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、材料、過濾器等因素 。交叉靈敏度會影響氣體檢測儀的準(zhǔn)確性和可靠性，可能會給使用者帶來安全隱患。因此，在選擇和使用傳感器時，我們需要了解它們的交叉靈敏度特性，并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整或選擇更合適的傳感器 。同時需要了解傳感器的交叉靈敏度數(shù)據(jù)，并與制造商保持聯(lián)系，以獲取最新的信息和建議。
為了避免或減少交叉靈敏度的影響，我們可以采取以下這些方法：

      • 選擇適合檢測目標(biāo)氣體的傳感器，盡量避免使用對干擾氣體有高交叉靈敏度的傳感器。

      • 了解傳感器的交叉靈敏度數(shù)據(jù)和圖表，以及可能存在的干擾氣體種類和濃度，根據(jù)實際情況進(jìn)行校準(zhǔn)和修正。

      • 使用化學(xué)過濾器或其他技術(shù)來去除或減少干擾氣體的影響，但要注意過濾器的壽命和效果。

      • 定期檢查和更換傳感器，避免傳感器中毒或老化導(dǎo)致交叉靈敏度增加。

      • 在可能的情況下，使用其他類型的傳感器或檢測方法，如比色管、紅外傳感器、光離子傳感器等，來驗證或補(bǔ)充電化學(xué)傳感器的讀數(shù)。

比色管是一種利用氣體與特定的化學(xué)物質(zhì)或某一類化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而改變顏色的檢測方法，通過比較顏色的深淺來判斷氣體的濃度。比色管是一次性的，每次檢測需要使用一根新的比色管，而且有保質(zhì)期限制。比色管的優(yōu)點是簡單、快速、靈敏、準(zhǔn)確、專一，但缺點是費用高、操作繁瑣、易受環(huán)境影響、不能連續(xù)監(jiān)測。比色管同樣受交叉干擾的影響，也就是說，一些非目標(biāo)氣體也會導(dǎo)致比色管內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而改變顏色，這種反應(yīng)可能會影響比色管的準(zhǔn)確性和可靠性，只是比色管經(jīng)過這么長時間的發(fā)展，專一性已經(jīng)非常不錯，能發(fā)生交叉干擾的非目標(biāo)氣體非常有限，不像氣體檢測儀的傳感器那樣從原理上就很難避免交叉靈敏度的影響。但是，在使用比色管的時候還是需要查看說明書，注意可能存在的干擾氣體，避免用在有干擾氣體存在的場景。

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下面這個場景是一個應(yīng)用比色管的典型例子，高密度聚乙烯的流化床反應(yīng)器在緊急停車的時候需要注入一氧化碳終止聚合反應(yīng)，停車后如果反應(yīng)床層內(nèi)有塊料就需要人員進(jìn)到反應(yīng)器內(nèi)的受限空間進(jìn)行清理塊料作業(yè)。在通風(fēng)置換之后需要進(jìn)行氣體檢測以確保床層內(nèi)不含殘留的一氧化碳。這時如果采用帶一氧化碳傳感器的氣體檢測儀進(jìn)行檢測一定時測不準(zhǔn)的，一定會報警的，因為反應(yīng)床層內(nèi)的聚乙烯粉料還是會包含微量的乙烯并不斷緩慢釋放出來，雖然達(dá)不到可燃?xì)獗ㄏ孪薜膱缶?，但是會在交叉靈敏度作用下導(dǎo)致ppm級的一氧化碳傳感器產(chǎn)生報警。在這種情況下，要準(zhǔn)確檢測反應(yīng)器床層里面的一氧化碳含量就只能通過采樣送到化驗室做色譜分析或采用比色管的檢測方法了。而比色管是價格相對比較低廉并且時效性更好的解決方案，當(dāng)然在用比色管之前要查看說明書，確認(rèn)里面的化學(xué)物質(zhì)不會同時與乙烯反應(yīng)。