氣體傳感器在氣體泄漏事故處置中的應(yīng)用

    隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都得到了增加。這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中一旦發(fā)生泄漏，將會引發(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)生泄漏之后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表面擴(kuò)散，在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)，擴(kuò)大危害區(qū)域。例如，1995年7月，四川省成都市化工總廠液氯車間發(fā)生氯氣泄漏，當(dāng)場造成3人死亡，6人受傷，僅約一小時(shí)左右，市區(qū)范圍數(shù)十平方公里范圍內(nèi)都能聞到刺激性的氯氣味。因此，這類事故具有突發(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)生氣體泄漏事故，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)可靠地探測空氣中某些氣體的含量，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監(jiān)測設(shè)備提出了較高的要求。作為一種重要的氣體探測器，氣體傳感器近年來得到了很大的發(fā)展。氣體傳感器的發(fā)展使得其應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹了氣體傳感器的發(fā)展情況及在氣體泄漏事故處置中的應(yīng)用前景。

1 氣體傳感器

    國外從30年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報(bào)警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體(H2,C4H10,CH4)等擴(kuò)展到毒性氣體(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。

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

1.1 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世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(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。按照檢測氣敏特征量方式不同分為電阻式和非電阻式兩種。

    電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是通過檢測氣敏元件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氣敏材料。隨著近年來復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。例如：WO3氣體傳感器可檢測NH3的濃度范圍為5 ppm～50 ppm,ZnO-CuO氣體傳感器對200 ppm的CO非常敏感。

    非電阻式半導(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，以及場效應(yīng)管式氣體傳感器。檢測氣體大多為氫氣、硅烷等可燃?xì)怏w。

1.2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氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。如測量H2S的YST-Au-WO3、測量NH3的NH+4CaCO3等。

1.3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，測量電阻變化從而測量氣體濃度。這種傳感器只能測量可燃?xì)怏w，對不燃性氣體不敏感。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，即可以檢測各種可燃?xì)怏w。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測，普遍應(yīng)用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監(jiān)測和報(bào)警。

1.4 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、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚異丁烯、氨基十一烷基硅烷等。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、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中具有重要作用。根據(jù)所用材料的氣敏特性，這類傳感器可分為：通過測量氣敏材料的電阻來測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，測量電動勢來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特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以補(bǔ)充其它氣體傳感器的不足。

2 氣體傳感器的發(fā)展方向

    目前，國內(nèi)外對新的氣敏材料和氣體傳感器的研究非常活躍，其主要研究和發(fā)展方向主要集中在以下幾點(diǎn)： 
　　首先，開發(fā)新的氣敏材料。主要措施是在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體氣敏材料SnO,SnO2,Fe2O3中摻雜一些元素，目前有很多這方面的研究報(bào)道；其次是研制和開發(fā)復(fù)合型和混合型半導(dǎo)體氣敏材料和高分子氣敏材料，使這些材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。 
　　另外，開發(fā)新的氣體傳感器，應(yīng)用新材料、新工藝和新技術(shù)，對氣體傳感器的機(jī)理做進(jìn)一步研究，使傳感器更加微型化和多功能化，并具有性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。 
　　同時(shí)，進(jìn)一步采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體傳感器的智能化。氣體傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了智能氣體傳感器--電子鼻。國內(nèi)外已成功開發(fā)了鑒別和檢測食品、香料等的電子鼻。研制開發(fā)新型仿生氣體傳感器-仿生電子鼻是未來氣體傳感器發(fā)展的主要方向。

3 氣體傳感器在氣體泄漏事故處置中的應(yīng)用

3.1用于可燃?xì)怏w監(jiān)測報(bào)警

    目前，氣敏材料的發(fā)展使得氣體傳感器的靈敏度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格便宜，并提高了傳感器的選擇性和敏感性。現(xiàn)有的燃?xì)鈭?bào)警器，多采用氧化錫加貴金屬催化劑氣敏元件，但選擇性差，并且因催化劑中毒而影響報(bào)警的準(zhǔn)確性。半導(dǎo)體氣敏材料對氣體的敏感性與溫度有關(guān)。常溫下敏感度較低，隨著溫度的升高，敏感度增加，在一定溫度下達(dá)到峰值。由于這些氣敏材料在需要在較高溫度下(一般大于100℃)達(dá)到敏感度最好，這不僅要消耗額外的加熱功率，還會引發(fā)火災(zāi)。

    氣體傳感器的發(fā)展解決了這一問題。例如，氧化鐵系氣敏陶瓷所制的氣體傳感器，不需要添加貴金屬催化劑就可造成靈敏度高、穩(wěn)定性好、具有一定選擇性的氣體傳感器。降低半導(dǎo)體氣敏材料的工作溫度，大大提高它們在常溫下的靈敏度，使其能在常溫下工作。目前，除了常用的單一金屬氧化物陶瓷外，又開發(fā)了一些復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏陶瓷和混合金屬氧化物氣敏陶瓷。

    將氣體傳感器安裝在易燃、易爆、有毒有害氣體的生產(chǎn)、儲運(yùn)、使用等場所中，及時(shí)檢測氣體含量，及早發(fā)現(xiàn)泄漏事故。并將氣體傳感器與保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動，使保護(hù)系統(tǒng)在氣體到達(dá)爆炸極限前動作，將事故損失控制在最低。同時(shí)，氣體傳感器的小型化和價(jià)格的降低，使之進(jìn)入家庭成為可能。

3.2 在氣體檢測及事故處置中的應(yīng)用

3.2.1檢測氣體種類及特性

    在氣體泄漏事故發(fā)生后，事故處置將圍繞采樣檢測、確定警戒區(qū)域、組織危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)群眾撤離、搶救中毒人員、堵漏、洗消等方面展開。進(jìn)行處置的第一個(gè)方面應(yīng)該是盡量減少泄漏對人員的傷害，這就要求了解泄漏氣體的毒性。氣體的毒性指泄漏使物質(zhì)能夠擾亂人們機(jī)體的正常反應(yīng)，因而降低人在事故中制訂對策和減輕傷害的能力。美國消防協(xié)會將物質(zhì)的毒性分為以下幾類： 
　　NH=0 火災(zāi)時(shí)除一般可燃物危險(xiǎn)外，短期接觸沒有其它危險(xiǎn)的物質(zhì)。 
　　NH=1 短期接觸可引起刺激，致人輕微傷害的物質(zhì)。 
　　NH=2 高濃度或短期接觸可致人暫時(shí)失去能力或殘留傷害。 
　　NH=3 短期接觸可致人嚴(yán)重的暫時(shí)或殘留傷害。 
　　NH=4 短暫接觸也能致人死亡或嚴(yán)重傷害。[ZK)] 
　　注：以上毒性系數(shù)N\-H值只是用來表示人體受害的程度，不能用于工業(yè)衛(wèi)生和環(huán)境的評價(jià)。

    由于有毒氣體可通過人的呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體造成傷害，在處置有毒氣體泄漏事故時(shí)的安全防護(hù)必須迅速完成。這就要求事故處置人員在到達(dá)事故現(xiàn)場后，在最短的時(shí)間內(nèi)能夠了解氣體的種類、毒性等特性。

    將氣體傳感器陣列與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，組成智能氣體探測系統(tǒng)，能夠做到迅速準(zhǔn)確識別氣體種類，從而測出氣體的毒性。智能氣體傳感系統(tǒng)由氣敏陣列、信號處理系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)組成。采用多個(gè)具有不同敏感特性的氣敏元件組成陣列，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)對混合氣體進(jìn)行氣體識別和濃度監(jiān)測。同時(shí)，將常見有毒、有害、易燃?xì)怏w的種類、性質(zhì)、毒性輸入計(jì)算機(jī)，并根據(jù)氣體的性質(zhì)編制事故處置預(yù)案輸入計(jì)算機(jī)。當(dāng)泄漏事故發(fā)生后，智能氣體探測系統(tǒng)將按下面程序工作： 進(jìn)入現(xiàn)場→吸附氣體樣品→氣敏元件產(chǎn)生信號→計(jì)算機(jī)識別信號→計(jì)算機(jī)輸出氣體種類、性質(zhì)、毒性及處置方案 由于氣體傳感器的靈敏度較高，在氣體濃度很低的時(shí)候就可以進(jìn)行檢測，而不必深入事故現(xiàn)場，以避免不了解情況而造成不必要的傷害。使用計(jì)算機(jī)處理，以上過程可以迅速完成。這樣，可以迅速準(zhǔn)確地采取有效的防護(hù)措施，實(shí)施正確的處置方案，將事故損失降低到最低程度。另外，由于系統(tǒng)中存儲常見氣體的性質(zhì)及處置預(yù)案等信息，如果知道泄漏事故中氣體的種類，可直接在這套系統(tǒng)中查詢氣體性質(zhì)和處置方案。

3.2.2尋找泄漏點(diǎn)

    當(dāng)泄漏事故發(fā)生后，迅速尋找泄漏點(diǎn)，采取適當(dāng)?shù)亩侣┐胧┦欠乐故鹿蔬M(jìn)一步擴(kuò)大的必要條件。在有些情況下，由于管線較長、容器較多、泄漏點(diǎn)較隱蔽等原因，特別是泄漏較輕時(shí)，泄漏點(diǎn)的尋找比較困難。由于氣體的擴(kuò)散性，氣體從容器或管線中泄漏出以后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，開始向四周擴(kuò)散，即離泄漏點(diǎn)越近，氣體的濃度越高。根據(jù)這一特點(diǎn)，使用智能氣體傳感器可解決這一問題。與檢測氣體種類的智能傳感系統(tǒng)不同的是，這種系統(tǒng)的氣敏陣列選用若干敏感性部分重疊的氣敏元件組成，使傳感系統(tǒng)對某一種氣體的敏感性增強(qiáng)，利用計(jì)算機(jī)處理氣敏元件的信號變化，可以很快檢測出氣體的濃度變化，然后根據(jù)氣體濃度變化找到泄漏點(diǎn)。

    目前，氣敏元件集成化使傳感器系統(tǒng)的微型化成為可能。例如，日本松下公司研制的一種集成化超微粒傳感器，可探測氫氣、甲烷等氣體，集中在2 mm見方的硅片上。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展可以使這種系統(tǒng)的探測速度更快。因此，可以開發(fā)小型易于攜帶的智能傳感器系統(tǒng)。將這一系統(tǒng)和合適的圖像識別技術(shù)相結(jié)合，利用遙控技術(shù)可以使它自動進(jìn)入隱蔽空間、有毒有害等人員不宜進(jìn)入的地點(diǎn)工作，查找泄漏點(diǎn)的位置。

4 結(jié)束語

    開發(fā)新的氣體傳感器，特別是開發(fā)和完善智能氣體傳感系統(tǒng)，使之可以在氣體泄漏事故中起到報(bào)警、檢測、識別、智能決策等方面的作用。大大提高氣體泄漏事故處置的工作效率和安全性，對于控制事故損失具有重要的作用。現(xiàn)在，氣體傳感器的研究和開發(fā)非常活躍，新的氣敏材料不斷出現(xiàn)，氣體傳感器的智能化也得到了一定發(fā)展。相信在有關(guān)科研人員的不斷努力下，將會有技術(shù)更加成熟的智能氣體傳感系統(tǒng)，在氣體泄漏事故處置中的應(yīng)用將會更加廣泛。