一氧化碳報警器的測量原理與應用

1 概述

一氧化碳是由于含碳的物質不完全燃燒而產生的。在工業生產中接觸一氧化碳的作業種類繁多，如冶金工業中煉焦、煉鐵、鍛冶、鑄造和熱處理的生產；化學工業中合成氨、丙酮、光氣、甲醇的生產；礦井放炮、煤礦瓦斯爆炸事故；碳素石墨電極制造；內燃機試車等。在居民生活中，如爐灶等用煤加熱的設備，由于不完全燃燒也會產生一氧化碳；城市使用的管道煤氣中一氧化碳含量更高（可達26%～33%）；在香煙中約含一氧化碳0.5%～6%。

2 一氧化碳氣體的性質及對人體的危害

在通常狀況下，一氧化碳是無色、無臭、無味、難溶于水的氣體，熔點-199℃，沸點-191.5℃。標準狀況下氣體密度為l.25g/L，和空氣密度(標準狀況下1.293g/L)相差很小，這也是容易發生煤氣中毒的因素之一。

所謂一氧化碳中毒是指人體內的血紅蛋白（Hb）通過肺與一氧化碳結合生成碳氧血紅蛋白（CO-Hb），妨礙了Hb向體內運送氧的功能，因而使體內缺氧。一氧化碳與Hb的結合力強210～300倍，如果呼吸的空氣中含有700×10-6CO，則血液中和Hb有50%與一氧化碳結合而生成CO-Hb，體內氧的供應量減少到一半以下。

一氧化碳使人體中毒的情況不僅與氣體濃度在關，還與在該氣體中暴露時間有關。通常取一氧化碳的濃度（×10-6）與暴露時間（以小時計）的乘積定義為中毒指數，不同的中毒指數與人體的中毒情況列于下表。

一氧化碳中毒指數與人體的中毒情況表

3 一氧化碳氣體檢測儀工作原理

一氧化碳的測量是通過傳感器將空氣中的一氧化碳氣體轉化為電信號，經電路轉換處理后，由LED顯示一氧化碳氣體濃度，還可以將此信號轉變成電流或者頻率信號，送到二次儀表，實現遠程監測。

一氧化碳氣體傳感器主要采用半導體原理、紅外線選擇性吸收原理和電化學原理。由于電化學一氧化碳氣體傳感器與其它原理的一氧化碳氣體傳感器相比，具有靈敏度高、結構簡單、功耗低及其本質安全性能等特點，目前已經得到了廣泛的應用。本文主要介紹電化學一氧化碳氣體傳感器的工作原理。

3.1基本原理

其中傳感器是一氧化碳氣體檢測儀的核心部件。目前最廣泛應用的是電化學原理的傳感器，其原理如下圖所示。兩個電極浸沒在一個導電溶液（電解液）中，一氧化碳分子與水分子在其中一個電極上發生反應，轉變成二氧化碳并產生氫離子和電子，這個電極就是工作電極（W）。而變化的產物轉移到另一個電極，與此電極上的氧氣發生反應重新生成水分子，這個電極就是對電極（C）。因此由此產生的反應就是在氧氣的存在下將一氧化碳轉變成二氧化碳。

工作電極：CO＋H２O→CO2+2H++2e-

對電極：2H++O2+2e-→H2O

總反應：CO+O2→CO2

這兩個電極通過含有電阻的外電路導通，我們可以測量出其電阻兩端電壓的變化。通過歐姆定律（V=IR），電阻兩端的電壓降與流過的電流成正比，這就是這個一氧化碳氣體傳感器工作的基本原理。

3.2電極

電化學傳感器通常含有兩個以上電極，它們通常都是將活性的金屬物質固定在聚四氟乙烯(PTFE)膜的表面上，使其具有較大的表面積。這些金屬是作為電化學反應的催化劑，就是說它加速了化學反應，但自身并不發生變化。在理論上它們的壽命是無限的，然而實際上，數量很小的污染性氣體和一些其它因素逐漸的毒化電極，降低它們的活性，從而導致靈敏度降低。

3.3電解質

所有的電化學傳感器都含有一個導電介質，通過它反應物質能夠在兩個電極間移動。

3.4參比電極

早期的一氧化碳傳感器只包括上面提到的兩個電極，即工作電極（W）和對面電極（C）。然而當一氧化碳濃度較大時，一氧化碳發生氧化反應的工作電極開始極化，偏離了正常的工作電位。一旦電極較大的偏離了正常的工作電位，它對反應的催化能力大地降低，影響傳感器的輸出信號。

為了克服上述的限制，引入了一個附加電極，即參比電極（R）。這個電極與工作電極和對電極一樣浸在導電介質中，但它不作為催化劑參與任何電化學反應。它的作用僅僅是提供一個恒定電位。

3.5毛細孔控制

所有的傳感器都采用一些方法來控制進入傳感器的氣體的量。最通用的方法是在傳感器的上端開一個小孔，稱為毛細孔。這個毛細孔用來限制CO氣體到達工作電極的速率，還可以確保傳感器的線性和重復性。

4 一氧化碳氣體檢測儀的性能指標

依據最新頒布的JJG915-2008《一氧化碳檢測報警器檢定規程》，一氧化碳氣體檢測儀應達到如下主要性能指標：

（1）測量范圍：

（0～2000）μmol/mol

（2）示值誤差：

絕對誤差：±5μmol/mol，相對誤差：±10％，以上滿足其中之一即可。

（3）重復性：≤2%

（4）響應時間：擴散式≤60s，吸入式≤30s。

（5）漂移

零點漂移：±3μmol/mol；量程漂移：±5%。