一氧化碳报警器的测量原理与应用

作者：王樉吴晶
来源：《品牌与标准化》2014年第12期

        1概述

        一氧化碳是由于含碳的物质不完全燃烧而产生的。在工业生产中接触一氧化碳的作业种类繁多，如冶金工业中炼焦、炼铁、锻冶、铸造和热处理的生产；化学工业中合成氨、丙酮、光 气、甲醇的生产；矿井放炮、煤矿瓦斯爆炸事故；碳素石墨电极制造；内燃机试车等。在居民生活中，如炉灶等用煤加热的设备，由于不完全燃烧也会产生一氧化碳；城市使用的管道煤气中一氧化碳含量更高（可达26%～33%）；在香烟中约含一氧化碳0.5%～6%。

        2一氧化碳气体的性质及对人体的危害

        在通常状况下,一氧化碳是无色、无臭、无味、难溶于水的气体，熔点-199℃，沸点-191.5℃。标准状况下气体密度为l.25g/L，和空气密度(标准状况下1.293g/L)相差很小，这也是容易发生煤气中毒的因素之一。

        所谓一氧化碳中毒是指人体内的血红蛋白（Hb）通过肺与一氧化碳结合生成碳氧血红蛋白（CO-Hb），妨碍了Hb向体内运送氧的功能，因而使体内缺氧。一氧化碳与Hb的结合力强210～300倍，如果呼吸的空气中含有700×10-6CO，则血液中和Hb有50%与一氧化碳结合而生成CO-Hb，体内氧的供应量减少到一半以下。

        一氧化碳使人体中毒的情况不仅与气体浓度在关，还与在该气体中暴露时间有关。通常取一氧化碳的浓度（×10-6）与暴露时间（以小时计）的乘积定义为中毒指数，不同的中毒指数与人体的中毒情况列于下表。

        一氧化碳中毒指数与人体的中毒情况表

        3一氧化碳气体检测仪工作原理

        一氧化碳的测量是通过传感器将空气中的一氧化碳气体转化为电信号，经电路转换处理后，由LED显示一氧化碳气体浓度，还可以将此信号转变成电流或者频率信号，送到二次仪表，实现远程监测。

        一氧化碳气体传感器主要采用半导体原理、红外线选择性吸收原理和电化学原理。由于电化学一氧化碳气体传感器与其它原理的一氧化碳气体传感器相比，具有灵敏度高、结构简单、功耗低及其本质安全性能等特点，目前已经得到了广泛的应用。本文主要介绍电化学一氧化碳气体传感器的工作原理。

        3.1基本原理

        其中传感器是一氧化碳气体检测仪的核心部件。目前最广泛应用的是电化学原理的传感器，其原理如下图所示。两个电极浸没在一个导电溶液（电解液）中，一氧化碳分子与水分子在其中一个电极上发生反应，转变成二氧化碳并产生氢离子和电子，这个电极就是工作电极（W）。而变化的产物转移到另一个电极，与此电极上的氧气发生反应重新生成水分子，这个电极就是对电极（C）。因此由此产生的反应就是在氧气的存在下将一氧化碳转变成二氧化碳。

        工作电极：CO＋H２O→CO2+2H++2e-

        对电极：2H++O2+2e-→H2O

        总反应：CO+O2→CO2

        这两个电极通过含有电阻的外电路导通，我们可以测量出其电阻两端电压的变化。通过欧姆定律（V=IR），电阻两端的电压降与流过的电流成正比，这就是这个一氧化碳气体传感器工作的基本原理。

        3.2电极

        电化学传感器通常含有两个以上电极，它们通常都是将活性的金属物质固定在聚四氟乙烯(PTFE)膜的表面上，使其具有较大的表面积。这些金属是作为电化学反应的催化剂，就是说它加速了化学反应，但自身并不发生变化。在理论上它们的寿命是无限的，然而实际上，数量很小的污染性气体和一些其它因素逐渐的毒化电极，降低它们的活性，从而导致灵敏度降低。

        3.3电解质

        所有的电化学传感器都含有一个导电介质，通过它反应物质能够在两个电极间移动。

        3.4参比电极

        早期的一氧化碳传感器只包括上面提到的两个电极，即工作电极（W）和对面电极（C）。然而当一氧化碳浓度较大时，一氧化碳发生氧化反应的工作电极开始极化，偏离了正常的工作电位。一旦电极较大的偏离了正常的工作电位，它对反应的催化能力大地降低，影响传感器的输出信号。

        为了克服上述的限制，引入了一个附加电极，即参比电极（R）。这个电极与工作电极和对电极一样浸在导电介质中，但它不作为催化剂参与任何电化学反应。它的作用仅仅是提供一个恒定电位。

        3.5毛细孔控制

        所有的传感器都采用一些方法来控制进入传感器的气体的量。最通用的方法是在传感器的上端开一个小孔，称为毛细孔。这个毛细孔用来限制CO气体到达工作电极的速率，还可以确保传感器的线性和重复性。

        4一氧化碳气体检测仪的性能指标

        依据最新颁布的JJG915-2008《一氧化碳检测报警器检定规程》，一氧化碳气体检测仪应达到如下主要性能指标：

        （1）测量范围：

        （0～2000）μmol/mol

        （2）示值误差：

        绝对误差：±5μmol/mol，相对误差：±10％，以上满足其中之一即可。

        （3）重复性：≤2%

        （4）响应时间：扩散式≤60s，吸入式≤30s。

        （5）漂移

        零点漂移：±3μmol/mol；量程漂移：±5%。