淺析氣體傳感器在氣體泄露事故處置的應(yīng)用

近些年來(lái)，傳感器的使用已經(jīng)越來(lái)越普遍了，在工業(yè)自動(dòng)化，工廠等行業(yè)中都可以看到它的身影，本文主要介紹了氣體傳感器的在其實(shí)泄露事故中的應(yīng)用情況。

1、引言

近年來(lái)我國(guó)煤礦瓦斯爆炸事故頻繁;西氣東輸后的天然氣大量應(yīng)用;以及高爐煤氣，焦?fàn)t煤氣的回收利用等等;給生產(chǎn)生活帶來(lái)高效的同時(shí)也帶來(lái)了不安全的隱患，這些易燃，易爆，有毒氣體在生產(chǎn)，運(yùn)輸，使用過(guò)程中一旦發(fā)生泄露將引發(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)生泄露之后在外部風(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)形成易燃燒，易爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)擴(kuò)大危害區(qū)域。例如：1992年，某公司在一臺(tái)高爐煤氣發(fā)電機(jī)組調(diào)試過(guò)程中，因?yàn)槊簹庑孤?，造?人死亡，30多人受傷，在很短的時(shí)間內(nèi)工作區(qū)域全部沖滿高爐煤氣。因此這類(lèi)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)生泄露事故，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)可靠的分析某些氣體在空氣中的含量，正確的處置方法是減少因泄露引發(fā)的事故和人民的生命和財(cái)產(chǎn)損失的必要條件，這就對(duì)氣體檢測(cè)，監(jiān)視設(shè)備提出了較高的要求，本文從傳感器的種類(lèi)入手，分析了其在氣體泄露事故的早期予警和事故處置中的應(yīng)用，起到拋磚引玉的做用，達(dá)到有關(guān)部門(mén)重視的目的。

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，我國(guó)近年對(duì)氣體傳感器的研究也有很大的發(fā)展，技術(shù)日見(jiàn)成熟。目前需要檢測(cè)的氣體種類(lèi)也由原來(lái)的還原性氣體(H2，C4H，CH4)等擴(kuò)展到毒性氣體(CO，NO2，H2S，NO，NH3，PH3)等。

氣體傳感器種類(lèi)繁多，按所用氣敏材料及氣敏特性不同，可分為半導(dǎo)體式，電化學(xué)式，固體電解質(zhì)式，接觸燃燒式高分子式等等。

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)快等特點(diǎn)，得到廣泛的應(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子式和非電子式兩種。

電阻式半導(dǎo)體傳感器是通過(guò)檢測(cè)氣敏元件伴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材料。這種傳感器的特性和應(yīng)用比較寬。例如WO3氣體傳感器可檢測(cè)NH3的濃度范圍為5PPM—50PPM，ZNO-CUO氣體傳感器對(duì)200PPM的CO非常敏感。

非電子式半導(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，烷類(lèi)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。由于這種氣體傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，得到廣泛的應(yīng)用，僅次于金屬氧化物氣體傳感器。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)不可燃?xì)怏w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，既可以檢測(cè)各種可燃性氣體。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并且對(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，煤礦，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，聚異丁烯等。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(lèi)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、氣體傳感器應(yīng)用

將氣體傳感器安裝在易燃，易爆，有毒有害氣體的生產(chǎn)，儲(chǔ)存，使用等場(chǎng)所中，及時(shí)檢測(cè)氣體含量，及早發(fā)現(xiàn)泄露事故，在輕微泄露時(shí)達(dá)到早期預(yù)警，使人員能及時(shí)處置，并將氣體傳感器與保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，使保護(hù)系統(tǒng)在氣體達(dá)到爆炸極限前動(dòng)作，將事故損失控制在最低。也可以與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，組成智能系統(tǒng)。在氣體濃度很低的時(shí)候就可以檢測(cè)，而不必深入現(xiàn)場(chǎng)，以避免不了解情況而造成不必要的傷害。在氣體泄露事故發(fā)生以后快速分析氣體的性質(zhì)，迅速準(zhǔn)確地提供事先存儲(chǔ)的常見(jiàn)氣體的性質(zhì)及處置預(yù)案等信息，確定警戒區(qū)域，組織危險(xiǎn)區(qū)域群眾撤離等。

4、結(jié)束語(yǔ)

安鋼集團(tuán)信鋼公司電廠，早在1995年委托鄭州工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造了一套一氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)設(shè)計(jì)了40個(gè)測(cè)點(diǎn)，分布在高爐煤氣輸送管道，疏放水，鍋爐防爆膜，廠房值班室等處，雖然后來(lái)因?yàn)殡娀瘜W(xué)傳感器的損壞率太高和檢測(cè)主機(jī)(無(wú)盤(pán)286機(jī))的損壞而退出運(yùn)行。但是在運(yùn)行期間，多次對(duì)輕微泄露成功的進(jìn)行了早期報(bào)警，從而避免了泄露繼續(xù)擴(kuò)大造成事故的危險(xiǎn)。

隨著新的氣敏材料不斷出現(xiàn)，氣體傳感器的智能化也得到了快速發(fā)展，相信在不久得將來(lái)，將會(huì)有更加成熟的智能氣體傳感器系統(tǒng)問(wèn)世。到時(shí)氣體泄露事故的處置現(xiàn)狀將會(huì)大為改觀。