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技術文章
Technical Articles| 氣體傳感(gǎn)器在(zài)石油化學(xué)工業氣體中(zhōng)的應用 |
| 隨著石油化學(xué)工業的發展(zhǎn)
,易爆、有毒氣體的種類和(hé)應用範圍都得到了(le)增加
。這些氣體在(zài)生產
、運輸
、使用 過程中(zhōng)一旦發生洩漏，將會引發中(zhōng)毒
、火(huǒ)災甚至爆炸事故
，嚴重(zhòng)危害人民的生命和(hé)財(cái)產安全(chéng)。由於(yú)氣體本(běn)身存在(zài)的 擴散性，發生洩漏之後
，在(zài)外部風力(lì)和(hé)內(nèi)部濃(nóng)度(dù)梯度(dù)的作用下
，氣體會沿地表面(miàn)擴散
，在(zài)事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或(huò) 毒害危險區(qū)，擴大危害區(qū)域
。例如，1995年7月
，四(sì)川(chuān)省成都市(shì)化工總廠液(yè)氯車間發生氯氣洩漏
，當場造成3人死 亡，6人受傷，僅約一小時(shí)左右
，市(shì)區(qū)範圍數十平方公里範圍內(nèi)都能聞到刺激性的氯氣味
。因(yīn)此
，這類事故具(jù)有突 發性強
、擴散迅速、救援難度(dù)大、危害範圍廣等特點
。一旦發生氣體洩漏事故，必須盡快採取相應措施進(jìn)行(xíng)處置， 才(cái)能將事故損失降低到zui低水平
。及(jí)時(shí)可靠地探測空氣中(zhōng)某些氣體的含量，及(jí)時(shí)採取有效措施進(jìn)行(xíng)補(bǔ)救
，採取正確的處置方法，減少洩漏引發的事故
，是避(bì)免(miǎn)造成重(zhòng)大財(cái)產和(hé)人員傷亡的必要(yào)條件(jiàn)。這就對氣體的檢測和(hé)監測設備(bèi)提出(chū)了(le)較高的要(yào)求
。作為一種重(zhòng)要(yào)的氣體探測器
，氣體傳感(gǎn)器近年來得到了(le)很大的發展(zhǎn)。氣體傳感(gǎn)器的發展(zhǎn)使得其應用越來越廣泛。本(běn)文介(jiè)紹了(le)氣體傳感(gǎn)器的發展(zhǎn)情況及(jí)在(zài)氣體洩漏事故處置中(zhōng)的應用前景。 1氣體傳感(gǎn)器 國外從30年代開始研(yán)究開發氣體傳感(gǎn)器。過去(qù)氣體傳感(gǎn)器主要(yào)用於(yú)煤氣、液(yè)化石油氣 、天(tiān)然(rán)氣及(jí)礦井中(zhōng)的瓦(wǎ)斯(sī)氣體的檢測與報警(jǐng) ，目前需要(yào)檢測的氣體種類由原(yuán)來的還原(yuán)性氣體（H2,C4H10 ,CH4）等擴展(zhǎn)到毒性氣體（CO,NO2,H2S ,NO ,NH3,PH3）等 。 氣體傳感(gǎn)器種類繁多 。按所(suǒ)用氣敏材料及(jí)氣敏特性不同 ，可分為半導體式、固體電解質式 、電化學(xué)式、接(jiē)觸燃燒式 、高分子式等 。 1.1半導體氣體傳感(gǎn)器 這種傳感(gǎn)器主要(yào)使用半導體氣敏材料 。自(zì)從1962年半導體金屬(shǔ)氧化物氣體傳感(gǎn)器問世以(yǐ)來，由於(yú)具(jù)有靈敏度(dù)高、響應快等優(yōu)點 ，得到了(le)廣泛的應用 ，目前已成為世界上產量zui大 、使用zui廣的傳感(gǎn)器之一 。按照檢測氣敏特徵(zhēng)量方式不同分為電阻式和(hé)非電阻式兩(liǎng)種。 電阻式半導體氣體傳感(gǎn)器是通過檢測氣敏元(yuán)件(jiàn)隨氣體含量的變(biàn)化情況而工作的。主要(yào)使用金屬(shǔ)氧化物陶瓷氣敏材料 。隨著近年來復合金屬(shǔ)氧化物、混合金屬(shǔ)氧化物等新型材料的研(yán)究和(hé)開發 ，大大提高了(le)這種氣體傳感(gǎn)器的特性和(hé)應用範圍 。例如 ：WO3氣體傳感(gǎn)器可檢測NH3的濃(nóng)度(dù)範圍為5ppm～50ppm ,ZnO-CuO氣體傳感(gǎn)器對200ppm的CO非常敏感(gǎn) 。 非電阻式半導體氣體傳感(gǎn)器是利用氣敏元(yuán)件(jiàn)的電流或(huò)電壓隨氣體含量而變(biàn)化的原(yuán)理工作的。主要(yào)有MOS二極管式和(hé)結(jié)型二極管式，以(yǐ)及(jí)場效應管式氣體傳感(gǎn)器 。檢測氣體大多為氫氣、硅烷等可燃氣體。 1.2固體電解質氣體傳感(gǎn)器 固體電解質氣體傳感(gǎn)器使用固體電解質氣敏材料做氣敏元(yuán)件(jiàn) 。其原(yuán)理是氣敏材料在(zài)通過氣體時(shí)產生離子 ，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃(nóng)度(dù) 。由於(yú)這種傳感(gǎn)器電導率高，靈敏度(dù)和(hé)選擇性好，得到了(le)廣泛的應用 ，幾乎打入了(le)石化 、環(huán)保(bǎo)、礦業等各個(gè)領域 ，僅次於(yú)金屬(shǔ)氧化物半導體氣體傳感(gǎn)器 。如測量H2S的YST-Au-WO3、測量NH3的NH+4CaCO3等。 1.3接(jiē)觸燃燒式氣體傳感(gǎn)器 可分為直接(jiē)接(jiē)觸燃燒式和(hé)催化接(jiē)觸燃燒式兩(liǎng)種 。其工作原(yuán)理是：氣敏材料在(zài)通電狀態下 ，可燃性氣體氧化燃燒或(huò)在(zài)催化劑(jì)作用下氧化燃燒，產生的熱量使電熱絲(sī)升溫，從而使其電阻值發生變(biàn)化 ，測量電阻變(biàn)化從而測量氣體濃(nóng)度(dù) 。這種傳感(gǎn)器只能測量可燃氣體 ，對不燃性氣體不敏感(gǎn) 。例如 ，在(zài)Pt絲(sī)上塗敷活性催化劑(jì)Rh和(hé)Pd等製成的傳感(gǎn)器，具(jù)有廣譜特性 ，即可以(yǐ)檢測各種可燃氣體 。接(jiē)觸燃燒式氣體傳感(gǎn)器在(zài)環(huán)境溫度(dù)下非常穩定，並能對爆炸下限的絕大多數可燃性氣體進(jìn)行(xíng)檢測，普(pǔ)遍應用於(yú)石油化工廠、造船廠 、礦井隧道 、浴室、廚房(fáng)等處的可燃性氣體的監測和(hé)報警(jǐng)。 1.4高分子氣體傳感(gǎn)器 利用高分子氣敏材料的氣體傳感(gǎn)器近年來得到了(le)很大的發展(zhǎn) 。高分子氣敏材料在(zài)遇到特定氣體時(shí) ，其電阻、介(jiè)電常數 、材料表面(miàn)聲(shēng)波傳播速度(dù)和(hé)頻率、材料重(zhòng)量等物理性能發生變(biàn)化。主要(yào)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。高分子氣敏材料由於(yú)具(jù)有易操作性 、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構傳感(gǎn)器和(hé)聲(shēng)表面(miàn)波器件(jiàn)相結(jié)合，在(zài)毒性氣體和(hé)食品鮮度(dù)等方面(miàn)的檢測中(zhōng)具(jù)有重(zhòng)要(yào)作用。根據所(suǒ)用材料的氣敏特性，這類傳感(gǎn)器可分為：通過測量氣敏材料的電阻來測量氣體濃(nóng)度(dù)的高分子電阻式氣體傳感(gǎn)器；根據氣敏材料吸收(shōu)氣體時(shí)形成濃(nóng)差電池 ，測量電動勢來確定氣體濃(nóng)度(dù)的濃(nóng)差電池式氣體傳感(gǎn)器 ；根據高分子氣 敏材料吸收(shōu)氣體後聲(shēng)波在(zài)材料表面(miàn)傳播速度(dù)或(huò)頻率發生變(biàn)化的原(yuán)理製成的聲(shēng)表面(miàn)波氣體傳感(gǎn)器 ；以(yǐ)及(jí)根據高分子氣敏材料吸收(shōu)氣體後重(zhòng)量變(biàn)化而製成的石英振子式氣體傳感(gǎn)器等 。高分子氣體傳感(gǎn)器具(jù)有對特定氣體分子靈敏度(dù)高 ，選擇性好，且(qiě)結(jié)構簡單 ，能在(zài)常溫下使用 ，可以(yǐ)補(bǔ)充其它氣體傳感(gǎn)器的不足(zú)。 2 、氣體傳感(gǎn)器的發展(zhǎn)方向(xiàng) 目前，國內(nèi)外對新的氣敏材料和(hé)氣體傳感(gǎn)器的研(yán)究非常活躍 ，其主要(yào)研(yán)究和(hé)發展(zhǎn)方向(xiàng)主要(yào)集中(zhōng)在(zài)以(yǐ)下幾點： 首先 ，開發新的氣敏材料。主要(yào)措施是在(zài)傳統的半導體氣敏材料SnO ,SnO2 ,Fe2O3中(zhōng)摻雜一些元(yuán)素 ，目前有很多這方面(miàn)的研(yán)究報道 ；其次是研(yán)制和(hé)開發復合型和(hé)混合型半導體氣敏材料和(hé)高分子氣敏材料，使這些材料對不同氣體具(jù)有高靈敏度(dù) 、高選擇性、高穩定性。 另外 ，開發新的氣體傳感(gǎn)器 ，應用新材料 、新工藝和(hé)新技術，對氣體傳感(gǎn)器的機理做進(jìn)一步研(yán)究 ，使傳感(gǎn)器更加微型化和(hé)多功能化，並具(jù)有性能穩定 、使用方便、價格低廉等特點 。 同時(shí)，進(jìn)一步採用計(jì)算機技術實(shí)現(xiàn)氣體傳感(gǎn)器的智能化 。氣體傳感(gǎn)器和(hé)計(jì)算機技術相結(jié)合，出(chū)現(xiàn)了(le)智能氣體傳感(gǎn)器——電子鼻。國內(nèi)外已成功開發了(le)鑒別(bié)和(hé)檢測食品、香料等的電子鼻 。研(yán)制開發新型仿生氣體傳感(gǎn)器-仿生電子鼻是未來氣體傳感(gǎn)器發展(zhǎn)的主要(yào)方向(xiàng)。 3 、氣體傳感(gǎn)器在(zài)氣體洩漏事故處置中(zhōng)的應用 3.1用於(yú)可燃氣體監測報警(jǐng) 目前 ，氣敏材料的發展(zhǎn)使得氣體傳感(gǎn)器的靈敏度(dù)高 、性能穩定 、結(jié)構簡單、體積小、價格便宜，並提高了(le)傳感(gǎn)器的選擇性和(hé)敏感(gǎn)性。現(xiàn)有的燃氣報警(jǐng)器，多采用氧化錫加貴金屬(shǔ)催化劑(jì)氣敏元(yuán)件(jiàn)，但選擇性差，並且(qiě)因(yīn)催化劑(jì)中(zhōng)毒而影響報警(jǐng)的準確性。半導體氣敏材料對氣體的敏感(gǎn)性與溫度(dù)有關 。常溫下敏感(gǎn)度(dù)較低，隨著溫度(dù)的升高 ，敏感(gǎn)度(dù)增加，在(zài)一定溫度(dù)下達到峰(fēng)值。由於(yú)這些氣敏材料在(zài)需要(yào)在(zài)較高溫度(dù)下（一般大於(yú)100℃）達到敏感(gǎn)度(dù)，這不僅要(yào)消耗額外的加熱功率，還會引發火(huǒ)災。 氣體傳感(gǎn)器的發展(zhǎn)解決了(le)這一問題 。例如 ，氧化鐵系氣敏陶瓷所(suǒ)制的氣體傳感(gǎn)器 ，不需要(yào)添加貴金屬(shǔ)催化劑(jì)就可造成靈敏度(dù)高、穩定性好、具(jù)有一定選擇性的氣體傳感(gǎn)器 。降低半導體氣敏材料的工作溫度(dù) ，大大提高它們在(zài)常溫下的靈敏度(dù)，使其能在(zài)常溫下工作 。目前，除了(le)常用的單一金屬(shǔ)氧化物陶瓷外，又開發了(le)一些復合金屬(shǔ)氧化物半導體氣敏陶瓷和(hé)混合金屬(shǔ)氧化物氣敏陶瓷。 將氣體傳感(gǎn)器安裝在(zài)易燃 、易爆 、有毒有害氣體的生產、儲(chǔ)運 、使用等場所(suǒ)中(zhōng)，及(jí)時(shí)檢測氣體含量，及(jí)早發現(xiàn)洩漏事故 。並將氣體傳感(gǎn)器與保(bǎo)護系統聯動，使保(bǎo)護系統在(zài)氣體到達爆炸極限前動作，將事故損失控制在(zài)zui低 。同時(shí)，氣體傳感(gǎn)器的小型化和(hé)價格的降低 ，使之進(jìn)入家庭成為可能 。 3.2在(zài)氣體檢測及(jí)事故處置中(zhōng)的應用 3.2.1檢測氣體種類及(jí)特性 在(zài)氣體洩漏事故發生後 ，事故處置將圍繞採樣檢測 、確定警(jǐng)戒區(qū)域、組(zǔ)織危險區(qū)域內(nèi)群眾撤離 、搶救中(zhōng)毒人員 、堵漏 、洗消等方面(miàn)展(zhǎn)開。進(jìn)行(xíng)處置的*個(gè)方面(miàn)應該是盡量減少洩漏對人員的傷害 ，這就要(yào)求了(le)解洩漏氣體的毒性。氣體的毒性指洩漏使物質能夠擾亂人們機體的正常反(fǎn)應 ，因(yīn)而降低人在(zài)事故中(zhōng)制訂對策和(hé)減輕傷害的能力(lì)。美國消防協會將物質的毒性分為以(yǐ)下幾類 ： NH=0火(huǒ)災時(shí)除一般可燃物危險外，短期接(jiē)觸沒有其它危險的物質。 NH=1短期接(jiē)觸可引起(qǐ)刺激 ，致人輕微傷害的物質 。 NH=2高濃(nóng)度(dù)或(huò)短期接(jiē)觸可致人暫時(shí)失去(qù)能力(lì)或(huò)殘留傷害 。 NH=3短期接(jiē)觸可致人嚴重(zhòng)的暫時(shí)或(huò)殘留傷害。 NH=4短暫接(jiē)觸也能致人死亡或(huò)嚴重(zhòng)傷害。[ZK）> 注：以(yǐ)上毒性系數N/-H值只是用來表示(shì)人體受害的程度(dù)，不能用於(yú)工業衛生和(hé)環(huán)境的評(píng)價 。 由於(yú)有毒氣體可通過人的呼吸系統進(jìn)入人體造成傷害，在(zài)處置有毒氣體洩漏事故時(shí)的安全(chéng)防護必須迅速完成。這就要(yào)求事故處置人員在(zài)到達事故現(xiàn)場後 ，在(zài)zui短的時(shí)間內(nèi)能夠了(le)解氣體的種類 、毒性等特性。 將氣體傳感(gǎn)器陣列與計(jì)算機技術相結(jié)合，組(zǔ)成智能氣體探測系統，能夠做到迅速準確識(shí)別(bié)氣體種類，從而測出(chū)氣體的毒性。智能氣體傳感(gǎn)系統由氣敏陣列、信號處理系統和(hé)輸出(chū)系統組(zǔ)成 。採用多個(gè)具(jù)有不同敏感(gǎn)特性的氣敏元(yuán)件(jiàn)組(zǔ)成陣列 ，利用神經網絡模式識(shí)別(bié)技術對混合氣體進(jìn)行(xíng)氣體識(shí)別(bié)和(hé)濃(nóng)度(dù)監測 。同時(shí)，將常見(jiàn)有毒、有害氣體的種類、性質 、毒性輸入計(jì)算機，並根據氣體的性質編制事故處置預案輸入計(jì)算機。當洩漏事故發生後 ，智能氣體探測系統將按下面(miàn)程序工作 ： 進(jìn)入現(xiàn)場→吸附氣體樣品→氣敏元(yuán)件(jiàn)產生信號→計(jì)算機識(shí)別(bié)信號→計(jì)算機輸出(chū)氣體種類 、性質 、毒性及(jí)處置方案 由於(yú)氣體傳感(gǎn)器的靈敏度(dù)較高 ，在(zài)氣體濃(nóng)度(dù)很低的時(shí)候就可以(yǐ)進(jìn)行(xíng)檢測，而不必深入事故現(xiàn)場，以(yǐ)避(bì)免(miǎn)不了(le)解情況而造成不必要(yào)的傷害。使用計(jì)算機處理，以(yǐ)上過程可以(yǐ)迅速完成。這樣 ，可以(yǐ)迅速準確地採取有效的防護措施，實(shí)施正確的處置方案 ，將事故損失降低到zui低程度(dù)。另外，由於(yú)系統中(zhōng)存儲(chǔ)常見(jiàn)氣體的性質及(jí)處置預案等信息 ，如果知道洩漏事故中(zhōng)氣體的種類 ，可直接(jiē)在(zài)這套系統中(zhōng)查詢氣體性質和(hé)處置方案。 3.2.2尋找洩漏點 當洩漏事故發生後，迅速尋找洩漏點，採取適當的堵漏措施是防止(zhǐ)事故進(jìn)一步擴大的必要(yào)條件(jiàn)。在(zài)有些情況下，由於(yú)管線較長、容器較多、洩漏點較隱蔽等原(yuán)因(yīn) ，特別(bié)是洩漏較輕時(shí) ，洩漏點的尋找比較困難 。由於(yú)氣體的擴散性 ，氣體從容器或(huò)管線中(zhōng)洩漏出(chū)以(yǐ)後，在(zài)外部風力(lì)和(hé)內(nèi)部濃(nóng)度(dù)梯度(dù)的作用下 ，開始向(xiàng)四(sì)周擴散 ，即離洩漏點越近，氣體的濃(nóng)度(dù)越高 。根據這一特點 ，使用智能氣體傳感(gǎn)器可解決這一問題 。與檢測氣體種類的智能傳感(gǎn)系統不同的是 ，這種系統的氣敏陣列選用若干敏感(gǎn)性部分重(zhòng)疊的氣敏元(yuán)件(jiàn)組(zǔ)成 ，使傳感(gǎn)系統對某一種氣體的敏感(gǎn)性增強 ，利用計(jì)算機處理氣敏元(yuán)件(jiàn)的信號變(biàn)化，可以(yǐ)很快檢測出(chū)氣體的濃(nóng)度(dù)變(biàn)化 ，然(rán)後根據氣體濃(nóng)度(dù)變(biàn)化找到洩漏點 。 目前，氣敏元(yuán)件(jiàn)集成化使傳感(gǎn)器系統的微型化成為可能 。例如 ，日(rì)本(běn)松下公司研(yán)制的一種集成化超微粒傳感(gǎn)器，可探測氫氣、甲烷等氣體 ，集中(zhōng)在(zài)2mm見(jiàn)方的硅片上 。同時(shí)，計(jì)算機技術的發展(zhǎn)可以(yǐ)使這種系統的探測速度(dù)更快。因(yīn)此 ，可以(yǐ)開發小型易於(yú)攜帶的智能傳感(gǎn)器系統 。將這一系統和(hé)合適的圖像識(shí)別(bié)技術相結(jié)合 ，利用遙控技術可以(yǐ)使它自(zì)動進(jìn)入隱蔽空間、有毒有害等人員不宜進(jìn)入的地點工作，查找洩漏點的位置 。 4 、結(jié)束語 開發新的氣體傳感(gǎn)器，特別(bié)是開發和(hé)完善(shàn)智能氣體傳感(gǎn)系統 ，使之可以(yǐ)在(zài)氣體洩漏事故中(zhōng)起(qǐ)到報警(jǐng)、檢測 、識(shí)別(bié)、智能決策等方面(miàn)的作用 。大大提高氣體洩漏事故處置的工作效率和(hé)安全(chéng)性 ，對於(yú)控制事故損失具(jù)有重(zhòng)要(yào)的作用。現(xiàn)在(zài)，氣體傳感(gǎn)器的研(yán)究和(hé)開發非常活躍 ，新的氣敏材料不斷出(chū)現(xiàn) ，氣體傳感(gǎn)器的智能化也得到了(le)一定發展(zhǎn) 。 相信在(zài)有關科(kē)研(yán)人員的不斷努力(lì)下，將會有技術更加成熟(shú)的智能氣體傳感(gǎn)系統，在(zài)氣體洩漏事故處置中(zhōng)的應用將會更加廣泛。 （end） |
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