浅析气体传感器在气体泄露事故处置的应用

1、引言

近年来我国煤矿瓦斯爆炸事故频繁;西气东输后的天然气大量应用;以及高炉煤气，焦炉煤气的回收利用等等;给生产生活带来高效的同时也带来了不安全的隐患，这些易燃，易爆，有毒气体在生产，运输，使用过程中一旦发生泄露将引发中毒，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，发生泄露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，在事故现场形成易燃烧，易爆炸或毒害危险区扩大危害区域。例如：1992年，某公司在一台高炉煤气发电机组调试过程中，因为煤气泄露，造成1人死亡，30多人受伤，在很短的时间内工作区域全部冲满高炉煤气。因此这类事故具有突发性强，扩散迅速，救援难度大危害范围广等特点。一旦发生泄露事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平，及时可靠的分析某些气体在空气中的含量，正确的处置方法是减少因泄露引发的事故和人民的生命和财产损失的必要条件，这就对气体检测，监视设备提出了较高的要求，本文从传感器的种类入手，分析了其在气体泄露事故的早期予警和事故处置中的应用，起到抛砖引玉的做用，达到有关部门重视的目的。

2、气体传感器概述

国外从30年代开始研究开发气体传感器，我国近年对气体传感器的研究也有很大的发展，技术日见成熟。目前需要检测的气体种类也由原来的还原性气体(H2，C4H，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，电化学式，固体电解质式，接触燃烧式高分子式等等。

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，响应快等特点，得到广泛的应用，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子式和非电子式两种。

电阻式半导体传感器是通过检测气敏元件伴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材料。这种传感器的特性和应用比较宽。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200PPM的CO非常敏感。

非电子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，烷类等可燃气体。

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。由于这种气体传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到广泛的应用，仅次于金属氧化物气体传感器。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可燃气体不敏感。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，既可以检测各种可燃性气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并且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，煤矿，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发展。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，聚异丁烯等。高分子气敏材料由于具有易操作性，工艺简单，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。根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电阻式气体传感器;根据气敏材料吸收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;根据高分子气敏材料吸收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;以及根据高分子气敏材料吸收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，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。

3、气体传感器应用

将气体传感器安装在易燃，易爆，有毒有害气体的生产，储存，使用等场所中，及时检测气体含量，及早发现泄露事故，在轻微泄露时达到早期预警，使人员能及时处置，并将气体传感器与保护系统联动，使保护系统在气体达到爆炸极限前动作，将事故损失控制在最低。也可以与计算机技术相结合，组成智能系统。在气体浓度很低的时候就可以检测，而不必深入现场，以避免不了解情况而造成不必要的伤害。在气体泄露事故发生以后快速分析气体的性质，迅速准确地提供事先存储的常见气体的性质及处置预案等信息，确定警戒区域，组织危险区域群众撤离等。

4、结束语

安钢集团信钢公司电厂，早在1995年委托郑州工业大学设计制造了一套一氧化碳检测系统，这套系统设计了40个测点，分布在高炉煤气输送管道，疏放水，锅炉防爆膜，厂房值班室等处，虽然后来因为电化学传感器的损坏率太高和检测主机(无盘286机)的损坏而退出运行。但是在运行期间，多次对轻微泄露成功的进行了早期报警，从而避免了泄露继续扩大造成事故的危险。

随着新的气敏材料不断出现，气体传感器的智能化也得到了快速发展，相信在不久得将来，将会有更加成熟的智能气体传感器系统问世。到时气体泄露事故的处置现状将会大为改观。