报警器检定、校准中的气体浓度%LEL、%VOL、PPM 和 mg/m³ 换算

气体浓度%LEL、%VOL、PPM 和 mg/m³ 换算

在工业安全、环境监测和在线分析仪表中，%LEL、%VOL、PPM 和 mg/m³ 是常见的气体浓度单位。理解它们的含义并掌握相互间的换算方法，对正确解读仪表读数、评估风险至关重要。

一、常用单位详解

1.1 %LEL（爆炸下限百分比）

• 含义
  ：指可燃气体在空气中能够发生爆炸的最低体积浓度的百分比。
• 用途
  ：专门用于可燃气体（如氢气、甲烷、丙烷等）的监测。
• 关键概念
  ：每种可燃气体的爆炸下限（LEL）是一个固定值。当空气中该气体浓度达到其爆炸下限时，即为 100%LEL。
• 安全阈值
  ：通常警报设定在 20%LEL（一级警报）和 50%LEL（二级警报）。

• 1.2 %VOL（体积百分比）

• 含义
  ：气体在混合气体中所占的体积百分比。
• 用途
  ：用于描述浓度较高的气体，如 O₂（氧气）、CO₂（二氧化碳）、N₂（氮气）等。
• 换算基准
  ：1%VOL = 10,000 ppm。

• 1.3 PPM（百万分之一）

• 含义
  ：按体积计，一百万份混合气体中某种气体的份数。
• 用途
  ：常用于测量低浓度有毒有害气体，如 H₂S（硫化氢）、CO（一氧化碳）、NH₃（氨气）等。
• 特点
  ：无量纲单位。

• 1.4 mg/m³（毫克每立方米）

• 含义
  ：单位体积空气中某种气体的质量。
• 用途
  ：环保、职业卫生领域常用，用于表示大气污染物或工作场所中有害物质的浓度。
• 特点
  ：受温度和压力影响，因为气体的体积会随温压变化。

• 二、气体参数扩展表

• 2.1 常见可燃气体爆炸下限（LEL）表

• 气体名称	化学式	分子量 (g/mol)	爆炸下限 (LEL, %VOL)	爆炸上限 (UEL, %VOL)
  氢气	H2	2.016	4.0%	75.6%
  一氧化碳	CO	28.01	12.5%	74.2%
  甲烷	CH4	16.04	5.0%	15.0%
  乙烷	C2H6	30.07	3.0%	12.4%
  丙烷	C3H8	44.10	2.1%	9.5%
  正丁烷	C4H10	58.12	1.8%	8.4%
  乙烯	C2H4	28.05	2.7%	36.0%
  丙烯	C3H6	42.08	2.0%	11.1%
  乙炔	C2H2	26.04	2.5%	82.0%
  苯	C6H6	78.11	1.2%	8.0%
  甲苯	C7H8	92.14	1.1%	7.1%
  甲醇	CH3OH	32.04	6.0%	36.5%
  乙醇	C2H5OH	46.07	3.3%	19.0%
  丙酮	C3H6O	58.08	2.5%	12.8%
  氨气	NH3	17.03	15.0%	28.0%
  硫化氢	H2S	34.08	4.3%	46.0%

• 2.2 常见有毒气体职业接触限值

  

• 气体名称	化学式	分子量 (g/mol)	PC-TWA (mg/m³)	IDLH (ppm)
  一氧化碳	CO	28.01	20	1500
  硫化氢	H2S	34.08	10	100
  氨气	NH3	17.03	20	300
  氯气	Cl2	70.91	1	10
  氯化氢	HCl	36.46	7.5	50
  氟化氢	HF	20.01	2	30
  二氧化硫	SO2	64.06	5	100
  二氧化氮	NO2	46.01	5	20
  苯	C6H6	78.11	3	500
  甲醛	CH2O	30.03	0.5	20

• 三、单位换算详解与计算举例

• 3.1 %LEL 与 %VOL 的换算

• 核心公式：

• %VOL = (%LEL ÷ 100) × LEL值(%VOL)

• 举例：计算甲烷的浓度

• 已知甲烷的爆炸下限（LEL）为 5.0%VOL。
• 这意味着：100%LEL = 5.0%VOL。
• 那么，1%LEL = 5.0%VOL ÷ 100 = 0.05%VOL。
• 计算
  ：若仪表显示甲烷浓度为 20%LEL，其对应的%VOL浓度为：
  20%LEL = 20 × 0.05%VOL = 1.0%VOL

• 快速换算表（常见气体）：

• 气体	爆炸下限 (LEL, %VOL)	1%LEL 对应的 %VOL
  甲烷 (CH4)	5.0%	0.05%VOL
  氢气 (H2)	4.0%	0.04%VOL
  丙烷 (C3H8)	2.1%	0.021%VOL
  一氧化碳 (CO)	12.5%	0.125%VOL

• 3.2 %VOL 与 PPM 的换算

• 核心公式：

• 1%VOL = 10,000 ppm
  1 ppm = 0.0001%VOL

• 举例：

• 2.5%VOL 的 CO₂ 是多少 ppm？
  2.5%VOL = 2.5 × 10,000 = 25,000 ppm
• 50 ppm 的 H₂S 是多少 %VOL？
  50 ppm = 50 × 0.0001 = 0.005%VOL

• 3.3 PPM 与 %LEL 的换算

• 换算路径：PPM → %VOL → %LEL

• 核心公式：

• %LEL = (PPM ÷ 10,000) ÷ LEL值(%VOL) × 100

• 举例：已知氢气浓度为 800 ppm，求其%LEL

• 氢气的 LEL = 4.0%VOL。
• 先将 800 ppm 转为 %VOL：
  800 ppm = 800 ÷ 10,000 = 0.08%VOL
• 再计算 %LEL：
  %LEL = (0.08%VOL ÷ 4.0%VOL) × 100 = 2.0%LEL

• 3.4 mg/m³ 与 PPM 的换算（重点与难点）

• 核心公式：

• mg/m³ = (PPM × M) ÷ 22.4 × (273.15 ÷ (273.15 + T)) × (P ÷ 101325)

• 公式解析：

• M
  ：气体分子量（g/mol）
• T
  ：环境温度（℃）
• P
  ：环境压力（Pa）
• 22.4 L/mol
  ：理想气体在标准状态（0℃， 101.325 kPa）下的摩尔体积。

• 简化计算（标准状态）：

• 在标准状态（0℃， 101.325 kPa）下，公式简化为：

• mg/m³ = PPM × (M ÷ 22.4)

• 举例1：标准状态下换算

• 已知一氧化碳（CO，分子量28）浓度为 50 ppm，求其 mg/m³。
  mg/m³ = 50 × (28 ÷ 22.4) = 50 × 1.25 = 62.5 mg/m³

• 举例2：非标准状态下换算

• 已知在 25℃、一个标准大气压（101325 Pa） 下，二氧化硫（SO₂，分子量64）浓度为 10 ppm，求其 mg/m³。

• 使用完整公式：
  mg/m³ = (10 × 64) ÷ 22.4 × (273.15 ÷ (273.15 + 25)) × (101325 ÷ 101325)
• 计算步骤：
• (10 × 64) ÷ 22.4 = 640 ÷ 22.4 ≈ 28.57
• 273.15 ÷ 298.15 ≈ 0.916
• 28.57 × 0.916 × 1 ≈ 26.17 mg/m³

• 重要提醒：从 mg/m³ 反推 PPM 时，使用公式的逆运算即可。现场监测时，如果温压与标准状态差异大，必须进行温压补偿，否则数据会产生偏差。

• 四、综合应用与常见术语

• 4.1 实际场景应用

• 假设某化工厂监测点显示：

• 甲烷：15%LEL
• 氧气：20.5%VOL
• 一氧化碳：35 ppm
• 硫化氢：5.5 mg/m³（温度30℃）

• 问题：判断各数值含义及风险。

• 甲烷 15%LEL
  ：远低于一级报警值（通常20%LEL），目前安全。
• 氧气 20.5%VOL
  ：在正常空气含氧量（约20.9%）附近，安全。
• 一氧化碳 35 ppm
  ：需对照国家标准（如8小时加权平均容许浓度PC-TWA为20 mg/m³），换算为 mg/m³ 后评估。
• 硫化氢 5.5 mg/m³
  ：需换算为 ppm 并与职业接触限值（如10 ppm）比较。

• 4.2 关键术语解释

• 灵敏度
  ：仪表对气体浓度微小变化的反应能力。
• 检测精度
  ：仪表读数值与气体真实浓度的接近程度。
• 报警精度
  ：实际报警触发浓度与设定报警值之间的偏差。
• 重复性
  ：在相同条件下多次测量同一浓度气体，结果的一致性。
• 响应时间（T90）
  ：从气体接触传感器到显示值达到真实浓度90%所需的时间，是衡量仪表反应速度的关键指标。

• 总结与要点

• 明确单位用途
  ：%LEL用于可燃气体，%VOL用于高浓度气体，PPM用于有毒气体，mg/m³用于环保质量浓度。
• 牢记关键换算
  ：
• 1%VOL = 10,000 ppm
• %VOL = (%LEL / 100) × LEL值
• mg/m³与PPM的换算需考虑分子量、温度和压力。
• 查阅物性参数
  ：进行换算前，务必查清气体的爆炸下限（LEL）和分子量（M）。
• 注意环境条件
  ：特别是进行mg/m³与PPM换算时，非标准状态必须进行温压补偿。

• 掌握这些单位的含义和换算，能够帮助您更准确地进行安全评估、环境监测和仪表数据解读，为安全生产和环境保护提供可靠的数据支持。

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