氣體傳感器在氣體泄漏事故處置中的應(yīng)用

1. 引 言

隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都得到了增加。這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故，嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會(huì)沿地表面擴(kuò)散，在事故現(xiàn)場(chǎng)形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)，擴(kuò)大危害區(qū)域。例如，1995年7月，四川省成都市化工總廠液氯車間發(fā)生氯氣泄漏，當(dāng)場(chǎng)造成3人死亡，6人受傷，僅約一小時(shí)左右，市區(qū)范圍數(shù)十平方公里范圍內(nèi)都能聞到刺激性的氯氣味。因此，這類事故具有突發(fā)性強(qiáng)、擴(kuò)散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點(diǎn)。一旦發(fā)生氣體泄漏事故，必須盡快采取相應(yīng)措施進(jìn)行處置，才能將事故損失降低到最低水平。及時(shí)可靠地探測(cè)空氣中某些氣體的含量，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對(duì)氣體的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備提出了較高的要求。作為一種重要的氣體探測(cè)器，氣體傳感器近年來(lái)得到了很大的發(fā)展。氣體傳感器的發(fā)展使得其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文介紹氣體傳感器的發(fā)展情況及其在氣體泄漏事故處置中的應(yīng)用。

2. 氣體傳感器概述

國(guó)外從30年代開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)氣體傳感器。過(guò)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(cè)與報(bào)警，目前需要檢測(cè)的氣體種類由原來(lái)的還原性氣體(H2,C4H10,CH4)等擴(kuò)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(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式、高分子式等。

2.1 半導(dǎo)體氣體傳感器

這種傳感器主要使用半導(dǎo)體氣敏材料。自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問(wèn)世以來(lái)，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。按照檢測(cè)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(dǎo)體氣體傳感器是通過(guò)檢測(cè)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(lái)復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開(kāi)發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。例如：WO3氣體傳感器可檢測(cè)NH3的濃度范圍為5 ppm～50 ppm,ZnO-CuO氣體傳感器對(duì)200 ppm的CO非常敏感。

非電阻式半導(dǎo)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(jié)型二極管式，以及場(chǎng)效應(yīng)管式氣體傳感器。檢測(cè)氣體大多為氫氣、硅烷等可燃?xì)怏w。

2.2 固體電解質(zhì)氣體傳感器

固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過(guò)氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。如測(cè)量H2S的YST-Au-WO3、測(cè)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(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測(cè)量電阻變化從而測(cè)量氣體濃度。這種傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w，對(duì)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(cè)各種可燃?xì)怏w。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，普遍應(yīng)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(jiān)測(cè)和報(bào)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(lái)得到了很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)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(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用。根據(jù)所用材料的氣敏特性，這類傳感器可分為：通過(guò)測(cè)量氣敏材料的電阻來(lái)測(cè)量氣體濃度的高分子電阻式氣體傳感器；根據(jù)氣敏材料吸收氣體時(shí)形成濃差電池，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定氣體濃度的濃差電池式氣體傳感器；根據(jù)高分子氣敏材料吸收氣體后聲波在材料表面?zhèn)鞑ニ俣然蝾l率發(fā)生變化的原理制成的聲表面波氣體傳感器；以及根據(jù)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(duì)特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以補(bǔ)充其它氣體傳感器的不足。

3. 氣體傳感器的發(fā)展方向

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(fā)展方向主要集中在以下幾點(diǎn)：

首先，開(kāi)發(fā)新的氣敏材料。主要措施是在傳統(tǒng)的半導(dǎo)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(bào)道；其次是研制和開(kāi)發(fā)復(fù)合型和混合型半導(dǎo)體氣敏材料和高分子氣敏材料，使這些材料對(duì)不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。