工業(yè)園區(qū)VOCs的預(yù)警監(jiān)測

摘 要：文章討論了VOCs不同檢測方法的特點，探討了VOCs檢測終端的選型要求及原則，討論了檢測系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，論述了終端選型的要點及預(yù)處理系統(tǒng)的要求。對工業(yè)園區(qū)VOCs的預(yù)警監(jiān)測進行了相應(yīng)技術(shù)分析。

關(guān)鍵詞：VOCs；預(yù)警檢測；PID檢測器；工業(yè)園區(qū)

1 概述

現(xiàn)代社會職能越來越區(qū)域化、專業(yè)化，工業(yè)園區(qū)的建設(shè)是最明顯的例證。工業(yè)園區(qū)使得同類型的企業(yè)更加集中，一方面使得對工業(yè)提供更方便快捷的服務(wù)，另一方面對諸如有機化工、石油加工等的污染氣體泄露預(yù)警及監(jiān)測可以進行更有效和快捷的管理。VOCs是極其有害的污染物，工業(yè)園區(qū)的VOCs泄露不僅造成污染，而且極易引起災(zāi)難性的后果，所以對工業(yè)園區(qū)VOCs的預(yù)警監(jiān)測是一個非常重要的課題。

2 VOCs的檢測方法

利用半導(dǎo)體材料、金屬氧化物、金屬陶瓷材料等與氣體接觸時發(fā)生的特性變化測量氣體的濃度，是一個門類繁多的VOCs檢測傳感器方向，但大多數(shù)產(chǎn)品用于民用氣體的檢測，從穩(wěn)定性、靈敏度還達(dá)不到工業(yè)檢測的需求。這類方法的普遍的優(yōu)點是成本低廉、體積小巧、對使用環(huán)境預(yù)處理要求低、制造過程工藝相對比較簡單、易于流水化生產(chǎn)。缺點是穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大，而且每一種傳感器的選擇性都不是唯一的，輸出參數(shù)也不能確定，不太適用于準(zhǔn)確度要求較高的場所。但隨著研究的不斷深入，新技術(shù)不斷地引入，新傳感元件不斷地被研制出來，已經(jīng)有不少品種的傳感器可以達(dá)到了工業(yè)檢測的要求，是一個非常有前途的發(fā)展方向，存在極大的發(fā)展?jié)摿Γ絹碓蕉嗟倪@類傳感器將達(dá)到工業(yè)檢測的標(biāo)準(zhǔn)，并獲得更多的工業(yè)檢測的份額。利用半導(dǎo)體金屬氧化物的電導(dǎo)率隨著環(huán)境氣體成分發(fā)生變化而開發(fā)出的傳感器[1]對于甲烷、酒精、一氧化碳、硫化氫、氨氣的檢測已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)檢測的標(biāo)準(zhǔn)及要求，并被大量地應(yīng)用于工業(yè)檢測。采用催化燃燒方式制作的陶瓷氧化物傳感器近年來也得到了快速的發(fā)展[2]，對甲烷的檢測能力可達(dá)到大約1-10（×10-6）體積比的量級，相對于其它類型的有機物和其他有毒有害物質(zhì)，烷類的直接危害要小得多，在這個量級上對其檢測，可以達(dá)到預(yù)警和防止泄露的目的，這種檢測裝置構(gòu)造簡單、低值。

紅外氣體傳感器源于NDIR紅外氣體分析技術(shù)，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，引入鎳锘絲加電機機械調(diào)制紅外光源，薄膜電容微音器或InSb等新技術(shù)后NDIR紅外氣體分析儀小型化為拇指大小的傳感器[3]。NDIR紅外氣體分析方法一直是氣體分析檢測的主流方法，可靠性很高，選擇性很好，精度也高，沒有毒，受到環(huán)境的干擾較小，壽命比較長。紅外氣體傳感器繼承這些優(yōu)點，同時具備了免維護的優(yōu)點，目前這種傳感器已經(jīng)大量應(yīng)用于一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體的工業(yè)檢測。

利用氣體可以被電化學(xué)氧化或者還原，已經(jīng)制作出應(yīng)用廣泛的氣體電化學(xué)傳感器[4]，這類傳感器可細(xì)分為原電池型、恒電位電解池型、濃度差電池型、極限電流型。電化學(xué)傳感器大量地應(yīng)用于工業(yè)氣體氧氣、二氧化硫、氯氣、一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等工業(yè)氣體的檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測的主流傳感器。

通過將VOCs離子化，并建立離子電流與VOCs的濃度的關(guān)系進行VOCs的測量，開發(fā)出了多種檢測器。包括氫火焰離子化檢測器FID、光離子化檢測器PID、電子捕獲檢測器ECD、放射性離子化檢測器等。離子化檢測器的特點是高選擇性、高靈敏度、響應(yīng)速度快，得到了廣泛的應(yīng)用[5]。FID檢測器具有“廣譜”的特性，對大部分有機物都有響應(yīng)，是目前應(yīng)用最廣泛的檢測器之一；PID也可對大多數(shù)有機物進行測量，對芳香烴好烯烴具有選擇性，在測量過程中不破壞被測有機物；ECD它只對具有電負(fù)性的物質(zhì)，如含鹵素、硫、磷、氮的物質(zhì)有信號。

GC及GC-MS方法因為VOCs的存在基本上都是多種并存，因此要得到整個譜系的VOCs的濃度信息，就必須對所測氣體進行分離和甄別，首先采用色譜柱對所測量氣體進行分離，再利用各種檢測器進行濃度測量，同時通過保留時間或者MS方法進行成分甄別。

陣列智能氣體傳感器[6]諸如近年來市場上出現(xiàn)的“電子鼻”是通過多傳感器陣列，通過特定的模型算法建立起目標(biāo)值和測量參數(shù)之間的關(guān)系，而其中的參數(shù)測量這一層面的工作，大多是采用較為簡單的半導(dǎo)體材料傳感器，“電子鼻”是將嚴(yán)格的檢測指標(biāo)通過模型算法復(fù)合成嗅覺指標(biāo)。從更廣泛的概念而言，通過標(biāo)準(zhǔn)定義，將空氣質(zhì)量指標(biāo)、污染指數(shù)指標(biāo)等也可以應(yīng)用于類似的傳感器上，只是需要不同的多參數(shù)檢測和不同的模型算法。

3 預(yù)警檢測的選型特點

VOCs的檢測方法種類比較繁多，每一種方法有其不同的特點及適用范圍。作為區(qū)域性的VOCs預(yù)警監(jiān)測從需求的角度需滿足一定的要求。包括靈敏度和分辨力的要求、實時及連續(xù)測量要求、長期無人值守的可靠性要求、多點分布式組網(wǎng)要求、可燃?xì)獾姆辣?、輔助測量系統(tǒng)要簡單易于維護的要求等，另外由于區(qū)域性的預(yù)警特點，終端的數(shù)量較大，成本低也是一個重要的約束條件。

光離子化檢測器PID具有極高的靈敏度，響應(yīng)速度也很高，可檢測PPb級別的VOCs濃度；PID檢測器對有機物檢測的譜系很廣泛，覆蓋了大多數(shù)的揮發(fā)性有機物；PID檢測器體積非常小，運行時除了泵吸采樣之外不需要載氣或者其他較多的輔助設(shè)施；PID的工作過程不破壞檢測物的成分，容易做成本安型的檢測裝置；相對成本很低。綜合所有的應(yīng)用條件，PID檢測器是一個目前較為適合的檢測終端。紅外氣體傳感器可靠性很高，選擇性很好，精度也高，受到環(huán)境的干擾較小，壽命比較長。適用于監(jiān)測各種易燃易爆、二氧化碳?xì)怏w、一氧化碳等，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點，是PID檢測器的一種極好的補充方法。

電化學(xué)傳感器在非VOCs成分比如氯氣、CO、H2S等的檢測具有成熟的產(chǎn)品，而工業(yè)園區(qū)的污染或泄露往往會包括這些無機有害氣體，因此電化學(xué)傳感器在工業(yè)園區(qū)泄露或污染預(yù)警檢測中可作為PID檢測器的一個很好的補充。半導(dǎo)體金屬氧化物傳感器對于甲烷、酒精、一氧化碳、硫化氫、氨氣的檢測已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)檢測的標(biāo)準(zhǔn)及需求，可作為預(yù)警監(jiān)測的一種輔助方法，由于對預(yù)警防爆的要求，采用催化燃燒方式制作的陶瓷氧化物傳感器不宜用于預(yù)警檢測。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及預(yù)處理

工業(yè)園區(qū)區(qū)域性的污染或泄露預(yù)警監(jiān)測從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分為三層，最高一層為功能應(yīng)用層，掛接在第二層數(shù)據(jù)平臺上，主要包括報警處理、歷史數(shù)據(jù)查詢及各種應(yīng)用，以及對第三層終端設(shè)備的狀態(tài)管理及反控等的具體應(yīng)用；第二層為數(shù)據(jù)平臺，通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)及掛接在上面的數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)接口，一方面從第三層取得基本的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，另一方面為頂層的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)平臺；第三層為檢測終端，為上層提供現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)及檢測終端的狀態(tài)數(shù)據(jù)。功能應(yīng)用層是根據(jù)實際的需求開發(fā)的應(yīng)用，這種應(yīng)用的差異是比較大的，所以數(shù)據(jù)平臺層需要提供詳實完備的數(shù)據(jù)和豐富的掛接接口；終端層和數(shù)據(jù)平臺的連接可以用各種網(wǎng)絡(luò)連接方式，但考慮到預(yù)警監(jiān)測的特點，采用短信報文的形式是一種恰當(dāng)合適的形式，一般情況下終端每隔一個時間段將終端的檢測數(shù)據(jù)通過短信上傳，當(dāng)遇到報警觸發(fā)就連續(xù)將報警信息立即上傳，直到由頂端或者人為干預(yù)消除報警。

終端層是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵，一個園區(qū)的預(yù)警系統(tǒng)包含很多檢測終端，而且一般工業(yè)園區(qū)區(qū)域性的污染或泄露預(yù)警監(jiān)測基本都不是僅僅檢測一種氣體，而是一類或幾類氣體物質(zhì)。從需求的角度的分類并不嚴(yán)格，會相互有重疊，但從需求的角度可以為選擇檢測器提供一個真實的參考。按照需求可以分為以下幾類：非甲烷總烴、天然氣類、惡臭氣體、無機物。那么對于終端的構(gòu)成就可能包含了PID檢測器、半導(dǎo)體氣體檢測器、紅外檢測器、電化學(xué)檢測器或者部分品種的檢測器。而這不同的檢測器需要不同的使用環(huán)境，不同的預(yù)處理，才能保證整個終端運行的可靠性。從傳感器的使用角度半導(dǎo)體金屬氧化物傳感器對環(huán)境的要求最低只要求一個相對粉塵較小的環(huán)境、紅外傳感器也大體相同，電化學(xué)傳感器則對環(huán)境溫度的要求較高，要求相對一致的溫度環(huán)境，PID傳感器則對環(huán)境的要求最高，對離子化室的任何沾染都會影響檢測結(jié)果。一個合適的預(yù)處理系統(tǒng)是通過串聯(lián)形式將傳感器按照半導(dǎo)體傳感器、紅外傳感器、電化學(xué)傳感器、PID檢測器級聯(lián)起來，通過一個泵吸吸入環(huán)境氣體，同時在入口端安裝一個吸附式大面積顆粒物過濾器，過濾掉0.2微米以上的顆粒物，所有傳感器安裝在一個高于40攝氏度左右的恒溫基座上，保證氣體在最大程度上不結(jié)露并使得傳感器和檢測器在一致的溫度環(huán)境下工作，PID檢測器和主流道之間應(yīng)采用更高過濾精度的膜過濾器隔開。一個稍微復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)PID應(yīng)該設(shè)置專門的臭氧清洗流道，利用簡單的臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧定時清洗流道。一個完整的終端系統(tǒng)還需要進行定時的校準(zhǔn)，需要使用實施現(xiàn)場的典型氣體定時對系統(tǒng)進行校準(zhǔn)或檢驗。

5 結(jié)束語

工業(yè)園區(qū)的VOCs及其他有毒氣體的預(yù)警從總體構(gòu)造上分為功能應(yīng)用、數(shù)據(jù)平臺、檢測終端三個層次；預(yù)警檢測的特點決定了檢測終端的選型要求，PID檢測器可作為工業(yè)園區(qū)非烷類VOCs的預(yù)警檢測的首選檢測器，紅外傳感器、電化學(xué)傳感器和半導(dǎo)體氣體傳感器可作為可燃?xì)怏w及其他無機氣體的輔助檢測器件；終端檢測器的可靠運行需要一套定制的樣氣預(yù)處理系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]傅盼盼，楊志學(xué).金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器[J].化工時刊，2013，27（3）：45-47.

[2]宋小堅.可燃?xì)怏w傳感器進展[J].煤氣與熱力，2010，30（5）：40-42.

[3]韓東升，等.基于紅外傳感器的氣體檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表與檢測技術(shù)，2010，29（5）：87-89.

[4]史曉軍.電化學(xué)氣體傳感器在煙氣監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2009（6）：90-92.

[5]陳烈賢，渠祁，等.光離子化檢測器及其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].分析儀器，1993（3）：38-42.

[6]王磊，劉錦淮.基于氣體傳感器陣列的動態(tài)檢測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（3）：92-94.