氣體傳感器在氣體泄漏事故處置中的應用

1. 引 言

隨著石油化學工業的發展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應用范圍都得到了增加。這些氣體在生產、運輸、使用過程中一旦發生泄漏，將會引發中毒、火災甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產安全。由于氣體本身存在的擴散性，發生泄漏之后，在外部風力和內部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表面擴散，在事故現場形成燃燒爆炸或毒害危險區，擴大危害區域。例如，1995年7月，四川省成都市化工總廠液氯車間發生氯氣泄漏，當場造成3人死亡，6人受傷，僅約一小時左右，市區范圍數十平方公里范圍內都能聞到刺激性的氯氣味。因此，這類事故具有突發性強、擴散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點。一旦發生氣體泄漏事故，必須盡快采取相應措施進行處置，才能將事故損失降低到最低水平。及時可靠地探測空氣中某些氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發的事故，是避免造成重大財產和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監測設備提出了較高的要求。作為一種重要的氣體探測器，氣體傳感器近年來得到了很大的發展。氣體傳感器的發展使得其應用越來越廣泛。本文介紹氣體傳感器的發展情況及其在氣體泄漏事故處置中的應用。

2. 氣體傳感器概述

國外從30年代開始研究開發氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體(H2,C4H10,CH4)等擴展到毒性氣體(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。

氣體傳感器種類繁多。按所用氣敏材料及氣敏特性不同，可分為半導體式、固體電解質式、電化學式、接觸燃燒式、高分子式等。

2.1 半導體氣體傳感器

這種傳感器主要使用半導體氣敏材料。自從1962年半導體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快等優點，得到了廣泛的應用，目前已成為世界上產量最大、使用最廣的傳感器之一。按照檢測氣敏特征量方式不同分為電阻式和非電阻式兩種。

電阻式半導體氣體傳感器是通過檢測氣敏元件隨氣體含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來復合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應用范圍。例如：WO3氣體傳感器可檢測NH3的濃度范圍為5 ppm～50 ppm,ZnO-CuO氣體傳感器對200 ppm的CO非常敏感。

非電阻式半導體氣體傳感器是利用氣敏元件的電流或電壓隨氣體含量而變化的原理工作的。主要有MOS二極管式和結型二極管式，以及場效應管式氣體傳感器。檢測氣體大多為氫氣、硅烷等可燃氣體。

2.2 固體電解質氣體傳感器

固體電解質氣體傳感器使用固體電解質氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環保、礦業等各個領域，僅次于金屬氧化物半導體氣體傳感器。如測量H2S的YST-Au-WO3、測量NH3的NH4+CaCO3等。

2.3 接觸燃燒式氣體傳感器

可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發生變化，測量電阻變化從而測量氣體濃度。這種傳感器只能測量可燃氣體，對不燃性氣體不敏感。例如，在Pt絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即可以檢測各種可燃氣體。接觸燃燒式氣體傳感器在環境溫度下非常穩定，并能對爆炸下限的絕大多數可燃性氣體進行檢測，普遍應用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監測和報警。

2.4 高分子氣體傳感器

利用高分子氣敏材料的氣體傳感器近年來得到了很大的發展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時，其電阻、介電常數、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發生變化。主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚異丁烯、氨基十一烷基硅烷等。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。根據所用材料的氣敏特性，這類傳感器可分為：通過測量氣敏材料的電阻來測量氣體濃度的高分子電阻式氣體傳感器；根據氣敏材料吸收氣體時形成濃差電池，測量電動勢來確定氣體濃度的濃差電池式氣體傳感器；根據高分子氣敏材料吸收氣體后聲波在材料表面傳播速度或頻率發生變化的原理制成的聲表面波氣體傳感器；以及根據高分子氣敏材料吸收氣體后重量變化而制成的石英振子式氣體傳感器等。高分子氣體傳感器具有對特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結構簡單，能在常溫下使用，可以補充其它氣體傳感器的不足。

3. 氣體傳感器的發展方向

目前，國內外對新的氣敏材料和氣體傳感器的研究非常活躍，其主要研究和發展方向主要集中在以下幾點：

首先，開發新的氣敏材料。主要措施是在傳統的半導體氣敏材料SnO,SnO2,Fe2O3中摻雜一些元素，目前有很多這方面的研究報道；其次是研制和開發復合型和混合型半導體氣敏材料和高分子氣敏材料，使這些材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。