处理气体泄漏事故中的各类传感器

寂静天花板

随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。

+ X: F( S1 |3 I: P  `  R3 N5 i! q这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。　
　
气体传感器概述
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国外从30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体（H2,C4H10,CH4）等扩展到毒性气体（CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3）等。
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气体传感器种类繁多。按所用气敏材料及气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。
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半导体气体传感器

& E2 G( h9 K0 ^& c这种传感器主要使用半导体气敏材料。自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快等优点，得到了广泛的应用，目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。按照检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种。
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# l& m% C7 D- T' T$ ~6 P电阻式半导体气体传感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的。主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发，大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。例如：WO3气体传感器可检测NH3的浓度范围为5ppm～50ppm,ZnO-CuO气体传感器对200 ppm的CO非常敏感。

* V- |# N: r) r+ F+ y+ \  M% C非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流或电压随气体含量而变化的原理工作的。主要有MOS二极管式和结型二极管式，以及场效应管式气体传感器。检测气体大多为氢气、硅烷等可燃气体。
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固体电解质气体传感器

+ Z9 a, C) ^& D. Y固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。
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8 o, b" ]4 x2 R* N接触燃烧式气体传感器

可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻变化从而测量气体浓度。这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。

" F" l8 C3 I% L+ t- S$ f气体传感器的发展方向

目前，国内外对新的气敏材料和气体传感器的研究非常活跃，其主要研究和发展方向主要集中在以下几点：

+ ^* H* D! |( o% V3 x# e$ ~$ G首先，开发新的气敏材料。主要措施是在传统的半导体气敏材料SnO,SnO2,Fe2O3中掺杂一些元素，目前有很多这方面的研究报道；其次是研制和开发复合型和混合型半导体气敏材料和高分子气敏材料，使这些材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。
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! o3 c% Q7 k  S% G另外，开发新的气体传感器，应用新材料、新工艺和新技术，对气体传感器的机理做进一步研究，使传感器更加微型化和多功能化，并具有性能稳定、使用方便、价格低廉等特点。

同时，进一步采用计算机技术实现气体传感器的智能化。气体传感器和计算机技术相结合，出现了智能气体传感器——电子鼻。国内外已成功开发了鉴别和检测食品、香料等的电子鼻。研制开发新型仿生气体传感器——仿生电子鼻是未来气体传感器发展的主要方向。

6 Y5 i5 z5 [  o+ H6 f* ]用于可燃气体监测报警

目前，气敏材料的发展使得气体传感器的灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格便宜，并提高了传感器的选择性和敏感性。现有的燃气报警器，多采用氧化锡加贵金属催化剂气敏元件，但选择性差，并且因催化剂中毒而影响报警的准确性。半导体气敏材料对气体的敏感性与温度有关。常温下敏感度较低，随着温度的升高，敏感度增加，在一定温度下达到峰值。由于这些气敏材料在需要在较高温度下（一般大于100℃）达到敏感度最好，这不仅要消耗额外的加热功率，还会引发火灾。

气体传感器的发展解决了这一问题。例如，氧化铁系气敏陶瓷所制的气体传感器，不需要添加贵金属催化剂就可造成灵敏度高、稳定性好、具有一定选择性的气体传感器。降低半导体气敏材料的工作温度，大大提高它们在常温下的灵敏度，使其能在常温下工作。目前，除了常用的单一金属氧化物陶瓷外，又开发了一些复合金属氧化物半导体气敏陶瓷和混合金属氧化物气敏陶瓷。
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2 K' U6 a/ ?/ m4 y& r6 ]- P5 i, v6 i将气体传感器安装在易燃、易爆、有毒有害气体的生产、储运、使用等场所中，及时检测气体含量，及早发现泄漏事故。并将气体传感器与保护系统联动，使保护系统在气体到达爆炸极限前动作，将事故损失控制在最低。同时，气体传感器的小型化和价格的降低，使之进入家庭成为可能。