气体传感器在气体泄漏事故处置中的应用

1、Word文档 气体传感器在气体泄漏事故处置中的应用 随着石油化学工业的进展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。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，严峻危害人民的生命和财产平安。由于气体本身存在的集中性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面集中，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危急区，扩大危害区域。例如，1995年7月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成3人死亡，6人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。因此，这类事故具有突发性强、集中快速、救援难度大、危害范围广等特

2、点。一旦发生气体泄漏事故，必需尽快实行相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。准时牢靠地探测空气中某些气体的含量，准时实行有效措施进行补救，实行正确的处置方法，削减泄漏引发的事故，是避开造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的进展。气体传感器的进展使得其应用越来越广泛。本文介绍气体传感器的进展状况及其在气体泄漏事故处置中的应用。 国外从30年月开头讨论开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、自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,C4

3、H10,CH4)等扩展到毒性气体(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。 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。 2.1 半导体气体传感器 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。根据检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种。 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状况而工作的。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

4、化物等新型材料的讨论和开发，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5 ppm50 ppm,ZnO-CuO气体传感器对200 ppm的CO特别敏感。 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。 2.2 固体电解质气体传感器 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

5、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NH4+CaCO3等。 2.3 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特别稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体

6、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。 2.4 高分子气体传感器 利用高分子气敏材料的气体传感器近年来得到了很大的进展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚异丁烯、氨基十一烷基硅烷等。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简洁、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。依据所用材料的气敏特性，这类传感器可分为：通过测量气敏材料的电阻来测量气体浓度的高分子

7、电阻式气体传感器；依据气敏材料汲取气体时形成浓差电池，测量电动势来确定气体浓度的浓差电池式气体传感器；依据高分子气敏材料汲取气体后声波在材料表面传播速度或频率发生变化的原理制成的声表面波气体传感器；以及依据高分子气敏材料汲取气体后重量变化而制成的石英振子式气体传感器等。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简洁，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。 目前，国内外对新的气敏材料和气体传感器的讨论特别活跃，其主要讨论和进展方向主要集中在以下几点： 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，目前有许多这方面的讨

8、论报道；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。 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讨论，使传感器更加微型化和多功能化，并具有性能稳定、使用便利、价格低廉等特点。 同时，进一步采纳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，消失了智能气体传感器电子鼻。国内外已胜利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将来气体传感器进展的主要方向。 4.1 用于可燃气体监测报警 目前，气敏材料的进展使得气体传感器的灵敏度高、性能稳定、

9、结构简洁、体积小、价格廉价，并提高了传感器的选择性和敏感性。现有的燃气报警器，多采纳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精确性。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，随着温度的上升，敏感度增加，在肯定温度下达到峰值。由于这些气敏材料在需要在较高温度下(一般大于 气体传感器的进展解决了这一问题。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、具有肯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

10、金属氧化物半导体气敏陶瓷和混合金属氧化物气敏陶瓷。 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，准时检测气体含量，及早发觉泄漏事故。并将气体传感器与爱护系统联动，使爱护系统在气体到达爆炸极限前动作，将事故损失掌握在最低。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。 4.2 在气体检测及事故处置中的应用 在气体泄漏事故发生后，事故处置将围绕采样检测、确定警戒区域、组织危急区域内群众撤离、抢救中毒人员、堵漏、洗消等方面绽开。进行处置的第一个方面应当是尽量削减泄漏对人员的损害，这就要求了解泄漏气体的毒性。气体的毒性指泄漏使物质能够扰乱人们机体的正常反应，因而

11、降低人在事故中制订对策和减轻损害的力量。美国消防协会将物质的毒性分为以下几类： NH=0 火灾时除一般可燃物危急外，短期接触没有其它危急的物质； NH=1 短期接触可引起刺激，致人稍微损害的物质； NH=2 高浓度或短期接触可致人临时失去力量或残留损害； NH=3 短期接触可致人严峻的临时或残留损害； NH=4 短暂接触也能致人死亡或严峻损害。 注：以上毒性系数NH值只是用来表示人体受害的程度，不能用于工业卫生和环境的评价。 由于有毒气体可通过人的呼吸系统进入人体造成损害，在处置有毒气体泄漏事故时的平安防护必需快速完成。这就要求事故处置人员在到达事故现场后，在最短的时间内能够了解气体的种类、毒

12、性等特性。 将气体传感器阵列与计算机技术相结合，组成智能气体探测系统，能够做到快速精确识别气体种类，从而测出气体的毒性。智能气体传感系统由气敏阵列、信号处理系统和输出系统组成。采纳多个具有不同敏感特性的气敏元件组成阵列，利用神经网络模式识别技术对混合气体进行气体识别和浓度监测。同时，将常见有毒、有害、易燃气体的种类、性质、毒性输入计算机，并依据气体的性质编制事故处置预案输入计算机。当泄漏事故发生后，智能气体探测系统将按下面程序工作： 进入现场吸附气体样品气敏元件产生信号计算机识别信号计算机输出气体种类、性质、毒性及处置方案。 由于气体传感器的灵敏度较高，在气体浓度很低的时候就可以进行检测，而不

13、必深化事故现场，以避开不了解状况而造成不必要的损害。使用计算机处理，以上过程可以快速完成。这样，可以快速精确地实行有效的防护措施，实施正确的处置方案，将事故损失降低到最低程度。另外，由于系统中存储常见气体的性质及处置预案等信息，假如知道泄漏事故中气体的种类，可直接在这套系统中查询气体性质和处置方案。 当泄漏事故发生后，快速查找泄漏点，实行适当的堵漏措施是防止事故进一步扩大的必要条件。在有些状况下，由于管线较长、容器较多、泄漏点较隐藏等缘由，特殊是泄漏较轻时，泄漏点的查找比较困难。由于气体的集中性，气体从容器或管线中泄漏出以后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，开头向四周集中，即离泄漏点越近，气体的浓度越高。依据这一特点，使用智能气体传感器可解决这一问题。与检测气体种类的智能传感系统不同的是，这种系统的气敏阵列选用若干敏感性部分重叠的气敏元件组成，使传感系统对某一种气体的敏感性增加，利用计算机处理气敏元件的信号变化，可以很快检测出气体的浓度变化，然后依据气体浓度变化找到泄漏点。 目前，气敏元件集成化使传感器系统的微型化成为可能。例如，日