氣體傳感器在監(jiān)測化工空氣污染中的應(yīng)用評價

高英華

（廉江市環(huán)境監(jiān)測站廣東廉江524400）

氣體傳感器在監(jiān)測化工空氣污染中的應(yīng)用評價

高英華

（廉江市環(huán)境監(jiān)測站廣東廉江524400）

當前，我國大氣污染十分嚴重，特別是在京津冀和東北局部地區(qū)，受化學(xué)工業(yè)廢氣的影響，空氣污染，已經(jīng)嚴重影響到了人們的日常生活。所以需要加大對大氣環(huán)境污染物監(jiān)測的力度。本文主要介紹氣體傳感器的一些性能和分類，以及在化工空氣污染監(jiān)測當中的應(yīng)用。

氣體傳感器；分類；性能；空氣污染

所謂氣體傳感器是指用于探測在一定區(qū)域范圍內(nèi)是否存在特定氣體和/或能連續(xù)測量氣體成分濃度的儀表。在煤礦、石油、化工、市政、醫(yī)療、交通運輸、家庭等需要防護的方面，一般情況下，氣體傳感器經(jīng)常用于探測易燃，可燃，以及有毒氣體，或者探測氧氣消耗量等。在一些電力企業(yè)和制造也當中，氣體傳感器也經(jīng)常用與定量檢測煙氣中各種成分的濃度，判斷有害的氣體排放量和燃燒情況等。在大氣污染物監(jiān)測方面，氣體傳感器用來監(jiān)測大氣環(huán)境污染的狀況，是很普遍的一種檢測方式。

1　氣體傳感器檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

傳感器檢測系統(tǒng)這一概念是傳感技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。檢測系統(tǒng)是傳感器與測量儀表、變換裝置等的有機組合。在工程實際中，需要有傳感器與多臺測量儀表有機地組合起來，構(gòu)成一個整體，才能完成信號的檢測，這樣便形成了檢測系統(tǒng)。在空氣污染檢測系統(tǒng)當中，氣體傳感器的應(yīng)用通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，然后通過串口進行通信，再傳送到單片機當中進行數(shù)據(jù)的處理。檢測系統(tǒng)主要可以分為串行LCD的顯示板，模和數(shù)的轉(zhuǎn)換，通信模塊和報警模塊。在這幾個模塊當中，通信模塊，報警模塊，摸數(shù)的轉(zhuǎn)換模塊是主要的功能模塊，是整個檢測系統(tǒng)的主要組成部分。

2　氣體采樣方式

氣體檢測系統(tǒng)的核心就是氣體傳感器，一般情況下，安裝在探頭內(nèi)部。本質(zhì)上來說，氣體傳感器其實是一種把某種污染物氣體的體積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號的一種轉(zhuǎn)換器。探測頭可以通過氣體傳感器調(diào)理氣體樣本，一般情況下包括干擾氣體和濾除雜質(zhì)，樣品抽吸，制冷湖綜合干燥處理，甚至可以化學(xué)處理樣品，以便傳感器的測量速度更快。

氣體采樣的方法可以直接影響到氣體傳感器響應(yīng)的時間。當前，氣體采樣的方式主要就是通過比較簡單的擴散法，或者是把氣體吸入到檢測器當中。氣體都有自然的向四周擴散的特性，簡單擴散法，就是利用了這種特性。在目標氣體通過探頭內(nèi)傳感器的時候，會產(chǎn)生一個和氣體的體積分數(shù)相比信號。由于擴散的過程會慢慢的變慢，因此擴散法就需要將探頭位置和測量點非常接近。擴散法的優(yōu)點就是把氣體的樣本直接引入到傳感器當中而不需要化學(xué)和物理的轉(zhuǎn)換。吸入式的探頭在一般情況下要用在排氣管道或者采樣位置靠近處理的儀器。這種技術(shù)能夠提供給氣體傳感器一種速度可以控制的穩(wěn)定的氣流，因此在氣流的速度和大小變化的時候，非常適合使用這種方法。把測量點氣體的樣本引入到測量探頭，需要有一段距離，距離長短是按照傳感器設(shè)計，但是，假如采樣線過長會延長測量滯后的時間，這個時間是采樣線的長度與泄漏氣體的位置到傳感器，流動速度地函數(shù)。對某種汽化物或者目標氣體來說，大多數(shù)的氣體和生物溶劑和汽化物的樣品量有可能因為吸附的作用，可能會在采樣的管壁上凝結(jié)，而減少。一般情況下，由于鍋爐排出的煙氣當中污染物含量比較大，使用的是擴散法進行氣體采樣，而在空氣自動監(jiān)測站當中，對二氧化硫的監(jiān)測所使用的是吸入式的采樣方法。

3　氣體傳感器在監(jiān)測化工空氣污染中的特性

氣體傳感器作為化學(xué)傳感器一種。不論是特性分析，測量技術(shù)，工作原理，還是從制造工藝和所用的材料，從應(yīng)用領(lǐng)域到檢測對象，都能夠獨立構(gòu)成一種分類的標準，形成一個個十分龐雜復(fù)雜的分類的體系，接下來了解一下氣體傳感器的主要特性：

3.1選擇特性

選擇性也稱之為交叉靈敏度。能夠通過檢測因為某種濃度干擾氣體，形成的傳感器反應(yīng)來確定。該響應(yīng)和有一定濃度目標氣體形成的傳感器反應(yīng)等價。在追蹤多種氣體應(yīng)用當中，這種特性非常重要，因為選擇特性會降低檢測可靠性和重復(fù)性，理想的傳感器應(yīng)該具有高選擇性和高靈敏度。

丁烷是經(jīng)常使用的液體燃料。丁烷如果使用不當，造成危害嚴重的事故。我們在SnO2氣敏材料當中加入Si和Au?？梢缘玫揭环N具有選擇性的丁烷元件。根據(jù)實驗得出，加熱的功率在0.5W以下的時候，這種元件對于丁烷沒有選擇性，但是在0.6W到0.8W的時候，對丁烷的氣體選擇性就比較好。這時，氫氣，一氧化碳，汽油，二氧化硫等氣體都沒有檢測形成干擾。

3.2穩(wěn)定特性

穩(wěn)定性指的是氣體傳感器，在工作的時間當中基本都響應(yīng)的特性，取決于區(qū)間漂移和零點漂移。區(qū)間漂移指的是氣體傳感器在連續(xù)置在目標氣體當中，輸出的方應(yīng)變化，一般表現(xiàn)為氣體傳感器工作時間當中輸出信號的降低。零點漂移指的是在無目標氣體的時候，工作時間當中，氣體傳感器的輸出響應(yīng)變化。在理想的情況下，傳感器連續(xù)工作的條件之下，每年的零點漂移會小于10%。

比如在實驗當中，把氣體傳感器置于0.3%CH4到0.8%CH4的環(huán)境當中，讓傳感器連續(xù)運行12個小時，然后測試1.50%CH4和零點顯示的值；之后，放置于空氣當中連續(xù)運行12個小時，再次測試1.50%CH4和零點顯示的值可以有效的實現(xiàn)對氣體傳感器穩(wěn)定性的檢驗。

3.3抗腐蝕特性

抗腐蝕性指的是氣體傳感器暴露在高體積分數(shù)的目標氣體當中的能力。在大量氣體泄漏的時候，探頭要可以承受期望氣體的體積分數(shù)大約10～20倍。在返回到正常工作的條件下時，傳感器零點和漂移的校正值要盡可能的小。

例如傳統(tǒng)元件的材料是SnO2，F(xiàn)e2O3和SnO三大類，抗腐蝕性能不是很好。現(xiàn)在已經(jīng)研究出了一些新型材料，比如復(fù)合金屬，混合金屬，以及單一金屬的氧化物材料。這些新型的材料可以大大提高氣體傳感器的抗腐蝕性能，延長使用壽命。

3.4靈敏特性

靈敏度指的是氣體傳感器輸出的變化量和被測輸入的變化量的比值，主要是依賴氣體傳感器的結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)。一般情況下，大多數(shù)的氣體傳感器，設(shè)計原理一般都采用電化學(xué)，生物化學(xué)，光學(xué)和物理。首先，需要考慮選擇一種敏感技術(shù)，對需要檢測氣體的最低爆炸限或者閥限制的百分比檢測需要有較高的靈敏性。

比如在氣體傳感器的半導(dǎo)體內(nèi)加入Pt，Ir，Pd等貴金屬可以有效提升元件的響應(yīng)時間和靈敏度?？梢越档捅粰z測的氣體活化能，因此可以加快反應(yīng)的速度提高其靈敏度。

4　氣體傳感器在監(jiān)測化工空氣污染中的應(yīng)用

氣體傳感器的分類，從檢測的氣體的種類，可以分成可燃氣體傳感器，經(jīng)常采用熱導(dǎo)，紅外，半導(dǎo)體式和催化燃燒式；有毒氣體傳感器，一般采用電化學(xué)，金屬半導(dǎo)體，光離子化，火焰離子化式。以下是幾種常見的氣體傳感器及其在監(jiān)測工作當中的應(yīng)用。

4.1半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體傳感器是由金屬半導(dǎo)體氧化物（MOS）制作而成的氣體傳感器，它利用與目標氣體互相作用時表面產(chǎn)生的吸附或反應(yīng)，引起伏安特性，表面電位或者電導(dǎo)率的變化。既可以對可燃性的氣體進行檢測，也可以對有毒有害的氣體進行檢測。例如SnO2組成的半導(dǎo)體傳感器，正?？諝馇鍧嵁斨械碾妼?dǎo)非常低，如過遇到了還原性氣體，比如可燃性的氣體或者一氧化碳，電導(dǎo)就會出現(xiàn)增長。

半導(dǎo)體傳感器主要的缺點是解釋讀數(shù)比較困難，原因是因為濕度對半導(dǎo)體傳感器的影響比較大。濕度增加，傳感器的輸出，電導(dǎo)就會增加;濕度降低的時候，半導(dǎo)體傳感器輸出，電導(dǎo)降低，極端的低濕度的環(huán)境甚至有可能會致使其對目標氣體零響應(yīng)。

4.2電化學(xué)傳感器

典型的電化學(xué)傳感器一般由下面幾個部分組成：可以滲透過氣體但不能夠滲透液體的隔膜；工作電極，酸性的電解液槽；參比電極；對電極;有一些傳感器包含一個能夠過濾掉干擾組分的隔膜。大部分的檢測有害氣體，都有電化學(xué)活性，能夠被電化學(xué)還原或者氧化。根據(jù)這一些反應(yīng)，能夠分辨出氣體的成分，檢測出氣體的濃度，是環(huán)境監(jiān)測中比較常用的一種氣體傳感器。

4.3催化燃燒傳感器

對可燃氣體進行檢測的傳感器通常使用催化式燃燒的原理，可以比作為一個小型的熱量計。這種傳感器關(guān)鍵的部件為一個圖有催化物的惠斯通電橋。在催化物上目標氣體無焰燃燒，所產(chǎn)生溫度的強度和目標氣體的濃度是呈正比的，溫度會直接對惠斯通電橋當中的溫感電阻阻值進行改變，然后測量惠斯通電橋的測量橋和參比橋，就可以得出目標氣體濃度。

氣體傳感器能夠?qū)Υ髿猱斨械挠泻ξ廴疚镞M行檢測，比如含硫氧化物，氮氧化合物等。同時也能夠?qū)ζ渌谴髿猱斨械目諝馕廴具M行檢測，比如室內(nèi)空氣的質(zhì)量等，都可以使用氣體傳感器。

大氣污染物中，比如氮氧化合物，大部分含氮的氧化物都是來自于汽車的排放尾氣，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和人們生活消費水平的提高，汽車尾氣的排放問題會越來越突出，與我國環(huán)境保護國策的矛盾會越來越對立。二氧化硫，氮氧化物也是我市的環(huán)境容量中減排的項目。然而二氧化硫排放的主要途徑就是工業(yè)用煤，當前國家有關(guān)部門對企業(yè)使用生產(chǎn)用煤有著非常嚴格的要求，按照有關(guān)規(guī)定，所有的新鍋爐在投入使用前必須要安裝脫硫設(shè)施，即使舊鍋爐，也不可以再使用燃煤，要改用生物質(zhì)，清潔能源或者木柴。改用生物質(zhì)，清潔能源或者安裝脫硫設(shè)施之后，鍋爐排放廢氣當中的二氧化硫的濃度是非常低的，并且國家對二氧化硫排放的標準也更加的嚴格。目前我們測定鍋爐排氣筒煙氣分析儀就是使用這種電化學(xué)傳感器，它檢測限可以達到15mg/m3，極大的滿足了我國二氧化硫的排放標準要求。如今含硫的氧化物是引起酸雨的主要污染物。目前，二氧化硫的監(jiān)測已經(jīng)成為了我國環(huán)境監(jiān)測的重點項目。但是含硫氧化物在大氣中的含量很低。所以需要靈敏度更高的氣體傳感器。比如使用表面的聲波設(shè)備，當前對毒氣，毒品以及危險的氣體的檢測設(shè)備中的傳感器就使用了這種表面聲波設(shè)備，能夠提高其檢測靈敏程度，但是這種方法會增加檢測的設(shè)備體積和檢測的成本。但是在傳感器中使用納米顆粒，當前對于室內(nèi)環(huán)境污染的監(jiān)測設(shè)備當中使用了這種納米顆粒技術(shù)，就可以提高反應(yīng)的表面積，從而提高檢測設(shè)備的反應(yīng)速度，而且和一般的傳感器相比，其工作時的溫度也大大降低了，從而減少了能源的消耗。

5　結(jié)語

隨著科技的不斷發(fā)展，薄膜，納米技術(shù)等新技術(shù)，新材料的應(yīng)用，給氣體傳感器的智能化和集成化，提供了非常好的條件。深入的研究與掌握無機，有機，生物，以及各種材料特性，之間的相互關(guān)系。理解各種傳感器的作用機理和工作原理。氣體傳感器必定會在充分利用電子技術(shù)，微機械，信號處理的技術(shù)，計算機信息技術(shù)，故障的診斷技術(shù)，傳感技術(shù)，等很多學(xué)科的基礎(chǔ)之上迅速發(fā)展。研制可以同時進行監(jiān)測多種污染物的智能，全自動的，數(shù)字式的氣體傳感器是該領(lǐng)域的重要研究方向，對于監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量，保護居住環(huán)境等都有著非常重要的意義。

[1]雷菊華,曾福.新型氣體傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].智富時代,2015(04).

[2]周正,李野.氣體傳感器在監(jiān)測室內(nèi)體育場館空氣污染中的應(yīng)用[J].湖北體育科技,2015(12).