簡述氣體傳感器在監測石化區空氣污染中的應用

黎 冰

（惠州大亞灣經濟技術開發區環境監測站，廣東 惠州 516086）

引言

研發氣體傳感器的目的是監測大氣中是否含有有害物質，在經濟水平持續提高的背景下，人們對生存環境和居住環境的空氣質量提出了更高的要求，這使得空氣污染物監測設備必須更加精準且高效。

1 氣體傳感器的作用和意義

近年來，我國工業發展速度不斷加快，國內大氣環境受到了嚴重污染，空氣質量大大降低，特別是在人口集聚的地區，居民對空氣質量提出了更加嚴格的要求，期望可以隨時了解周圍的空氣質量狀況。因此，將氣體傳感器應用于對空氣污染物的監測是非常必要的。氣體傳感器能夠把周圍空氣中含有的有害物質與其數量以數字形式清楚地顯示出來。如果氣體傳感器能夠逐漸輕便化，如把氣體傳感器植入手機里，那么人們就能隨時了解自身周圍的空氣質量狀況。

2 氣體傳感器的特點

2.1 穩定性

氣體傳感器是一種化學傳感器，基于本質而言，氣體傳感器是指把某類氣體體積分數轉換為響應電信號的一類轉換器。探測頭利用氣體傳感器，圍繞氣體樣品展開處理，一般涵蓋了濾除雜質與干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸等多個步驟，從而為化學傳感器的檢測帶來方便。

大氣傳感器具有穩定性這一特點，重點體現在傳感器在運行期間幾乎都會保持較為穩定的狀態，而傳感器的穩定性直接受到其自身的零點漂移與區間漂移的影響。零點漂移主要是指在無目標這一情況下，測試過程中氣體傳感器的輸出影響變化；區間漂移是指氣體傳感器在連續出現目標氣體中輸出信號降低。當傳感器不間斷運行時，零點漂移的穩定性通常不超過9%，比如在試驗中，讓氣體傳感器處于有害氣體濃度為0.4%～0.7%的環境中，保證其不間斷運行12小時，接著依次測量氣體零點顯示值，放在空氣中大概十小時，再測定有害氣體的零點顯示值，這樣就能夠測定其穩定性狀況。

2.2 選擇特性

選擇性也叫交叉靈敏度，氣體傳感器的選擇性強弱一般可以通過對某種濃度干擾氣體形成的傳感器反應來確定。在對不同氣體進行追蹤監測的過程中，這一特性極其重要，由于選擇特性會使檢測的重復性與可靠性在一定程度上下降，所以，理想狀態的傳感器在選擇性與靈敏性方面必須要非常優異。

丁烷是利用頻率較高的一種液體燃料，如果其被不合理利用，則容易引起難以想象的事故。將Si、Au添加到SnO2氣敏 材料里，能夠獲取選擇性較好的丁烷元件。依照有關實驗可知，當加熱功率處于0.5瓦的條件下，該元件對丁烷未體現出一定的選擇性；但在0.6瓦與0.8瓦的條件下，則表現出較為不錯的選擇性，此時，無論是CO，還是SO2等氣體均未給檢測工作帶來任何影響。

2.3 抗腐蝕性

氣體傳感器具有抗腐蝕性的特點，但傳感器的監測探頭會因有害氣體而遭到腐蝕，因此，氣體傳感器在遇到這種情況時，必須保證自身監測誤差最小化。如果有很多氣體泄漏出來，傳感器探頭能夠承受的氣體體積分數在10～20倍之間，這就要求在正常運行條件下，傳感器的漂移校正值應當盡量降低。傳統傳感器的制造材料主要包括三種，即SnO、SnO2、Fe2O3，以這些材料制造而成的器材往往不具有較好的抗腐蝕性，但很多新材料陸續涌現，如復合金屬等，這些材料具有較為優異的抗腐蝕性。

3 氣體傳感器的分類

氣體傳感器依照各項檢測標準能夠劃分為多個類型，依照被測氣體的類型，可以劃分為可燃氣體傳感器、有毒氣體傳感器以及有害氣體傳感器等；依照氣體傳感器的儀表運用方法，可以劃分為兩大類，即便攜式傳感器和固定式傳感器；此外，依照氣體樣品的采集手段，可劃分為擴散式傳感器和吸入式傳感器。同時，還可以根據傳感器的檢測原理來展開具體的分類，如熱學式傳感器、電化學式傳感器、半導體氣體傳感器等。

目前，使用頻率較高的傳感器有兩種，一種是熱學式傳感器，另一種是半導體式氣體傳感器，其中后者通常被應用于濃度較大的可燃性氣體或PPM等級較大的有毒有害氣體的檢測過程中。這種傳感器具有靈敏度強、反應迅速等優點，也存在一些不足之處，如可測范圍不大、極易遭到環境因素干擾等。目前，在化工區的污染氣體檢測中常用的傳感器主要是電化學式傳感器，這種傳感器極易受到影響，尤其是氣溫的改變會給其檢測精度帶來較為明顯的影響，但因為這種傳感器本身較為靈敏且穩定，故而在硫酸、鍋爐燃燒等氣體的檢測過程中得到了大量運用[1]。

4 氣體傳感器檢測系統的構成及采樣方式

4.1 氣體傳感器檢測系統的構成

傳感器檢測系統的概念是隨著傳感器技術不斷發展而形成的，檢測系統就是傳感器和檢測儀表、轉換裝置等部分的有機結合。在實際中，必須把傳感器和多部檢測儀表相互組合在一起，形成整體，這樣才可以保證信號檢測的順利實施。在空氣污染檢測系統中，氣體傳感器的運用主要是對目標區域中的數據進行采集獲取，并利用串口完成通訊，而后再傳輸至單片機中展開信號處理。檢測系統一般包括多個部分，如模與數的轉換、通信模塊以及報警模塊等，在多種模塊中，通信模塊與報警模塊都屬于非常關鍵的功能模塊，是系統不可或缺的關鍵構成部分[2]。

4.2 氣體采樣方式

氣體檢測系統的關鍵是氣體傳感器，通常情況下，傳感器設置在探頭中。基于本質而言，氣體傳感器是指將某類污染氣體的體積數據轉換為電信號的設備，探測頭能夠依靠氣體傳感器，圍繞氣體樣品展開調整與處理，通常包括干擾氣體與濾除雜質、樣品抽吸等多個過程，從而大大提升傳感器的檢測效率。

采集氣體的方式會對氣體傳感器的響應時長帶來較大影響。目前，采集氣體的方式主要有兩種，一種是擴散法，另一種是吸入法。氣體本身存在往周圍擴散的性質，而擴散法便充分運用該性質，當目標氣體經過探頭中的傳感器時，會生成一種與氣體體積分數對應的信號。因為整個擴散速度會不斷緩慢下來，所以擴散法便必須把探頭位置與檢測點相互間的距離盡量縮短。擴散法的優點是可以將氣體樣品直接放進傳感器內而不必進行物化的變換。

吸入式的探頭在正常情況下應當安裝設置在排氣管道或與采樣位置靠近的儀器上。該方法可以為傳感器提供合理的速度，使氣流獲得平穩把控，所以在氣流的速率與數量改變的情況下，該方法是特別適用的。將檢測點氣體的樣品放進探頭中，而這個過程通常存在一定的距離，距離大小是根據傳感器確定的，如果采樣線太長則會使檢測滯后的時長增加。對于某類目標氣體而言，大部分的氣體與生物溶劑等的樣本量可能會由于吸附性的存在而凝結于采樣管壁上，進而導致樣本量不足。由于鍋爐排放到外面的煙氣里含有很多有毒有害氣體，所以適合采取擴散法來展開樣本采集，而對于二氧化硫這類氣體的采集，更加適合采取的方法顯然是吸入式采樣法。

5 氣體傳感器的主要類型及其應用

以檢測氣體的類型來劃分，可將氣體傳感器劃分為可燃氣體傳感器和有毒氣體傳感器。其中，在可燃氣體傳感器中，使用頻率較大的有熱導、紅外、半導體式及催化燃燒式；而在有毒氣體傳感器中，常用的有金屬半導體、火焰離子化式及電化學傳感器等。

5.1 半導體傳感器

半導體傳感器主要組成材料為金屬半導體氧化物，它利用與目標氣體相互作用時，表面產生的吸附作用或反應作用，引起伏安特性、表面電位或電導率的變化。其不僅能夠用于測定可燃性氣體，也能用于有毒有害氣體的測量。比如二氧化硅材料制作的半導體傳感器，在正常大氣環境下，其電導率特別小，但遇到還原性氣體，則會使電導率明顯上升。

半導體傳感器也有一定缺點，如解釋讀數難度較大等，這是由于濕度會給其帶來較為明顯的干擾。隨著濕度提高，傳感器的輸出及電導率都會相應提升；濕度下降，則其輸出與電導率會相應下降。濕度非常低的極端環境條件，可能會導致傳感器無法正常發揮響應功能。

5.2 電化學傳感器

一般來說，電化學傳感器主要由以下部分構成：能滲入氣體卻無法滲入液體的隔膜、工作電極、酸性電解液槽、參比電極等。大多數情況下，有害氣體的檢測均存在一定的電化學特性，可以在電化學的作用下引起還原或氧化反應。依照相關反應，工作人員可以對氣體的組成進行判斷，并測定氣體的濃度。總之，電化學傳感器在環境監測中已經得到了廣泛應用。

5.3 催化燃燒傳感器

在可燃氣體的檢測過程中，往往會使用催化燃燒傳感器，它就像是一個比較小的熱量計。該傳感器的核心構件是帶有催化劑的惠斯通電橋。在催化劑的作用下，目標氣體無焰燃燒，所生成的溫度高低和目標氣體濃度之間呈現正比相關性，溫度會給電橋里的溫感電阻大小帶來影響，接著圍繞惠斯通電橋的測量橋與參比橋展開具體的檢測，便能夠獲取目標氣體的濃度大小。

氣體傳感器在含硫氧化物等有害氣體的監測中起到了不可忽視的作用。目前，鍋爐排氣筒廢氣檢測所采取的便是該類電傳感器，其測量速度最大為15 mg/m3，完全符合國內二氧化硫的排放規定。而含硫的氧化物會導致酸雨的出現，不過含硫氧化物在空氣中的濃度往往相對較低，因而必須要使用靈敏性更為優異的氣體傳感器來進行檢測。例如，針對有毒有害氣體的檢測傳感器采用表面聲波設備，可以明顯加強檢測的靈敏性，不過這種方式會進一步增加檢測工作的成本；而將納米顆粒技術融合到氣體傳感器中，能夠有效擴大反應面積，進而明顯加快檢測效率。相較于普通的傳感器，這種傳感器在運行期間的溫度會明顯降低，有利于防止能源的不必要損耗[3]。

6 氣體傳感器的發展趨勢

大氣環境中的有毒物質，不僅在工業原料中存在，在工業制造的每個流程中也存在，如果有害氣體擴散到人們的居住區域，會給周圍民眾的健康帶來難以想象的危害。因此，在石油化工廠生產制造的整個過程中，相關單位均應重視采用氣體傳感器來對周圍氣體展開實時動態監測。

6.1 氣敏材料的優化改進

氣敏材料的研究進展明顯推動了氣體傳感器的發展，換言之，氣敏材料的研究成果是支撐起氣體傳感器技術發展與創新的重要基礎。近幾年來，有關氣敏材料的研究越來越豐富，其中關于半導體、高分子材料的研究尤為豐富，且收獲了很大成果。對半導體氣敏元件的探究及其核心技術指標的改進，一般通過融合可優化氣體傳感器靈敏度與響應時間參數來達成。工藝水平的優化也給氣體傳感器多項性能指標的改進帶來了可能。目前，引入了催化技術的CH4傳感器、半導體PN型氣體傳感器，明顯優化了傳感器技術的所有指標。現在來看，壓電晶體、光纖材料在氣體傳感器的生產制造中已得到了廣泛運用。

6.2 氣體傳感器結構智能化

隨著半導體技術的不斷創新與發展，氣體傳感器的結構也逐步趨向于多元件、多功能化，如多種傳感器和信號采集、處理電路的有效組合，使其能夠通過小體積芯片完成封裝。另外，在計算機技術水平不斷提升的背景下，智能氣體傳感器也具有很多新的功能，如分辨氣體類型、濃度等功能。

機器嗅覺技術在氣體傳感器中也得到了有效運用，機器嗅覺是依靠不同氣體測量單元的相互組合來實現的，可以針對氣體成分進行準確測定。機器嗅覺技術誕生于20世紀60年代，而在80年代，美國首次把不同氣體傳感器構合在一起，組成一個陣列，有效檢測出了氣體的類型與成分，自此機器嗅覺技術進入快速發展階段，不少綜合性氣體傳感器在越來越多的領域中得到了有效運用。

截止目前，美、德等發達國家均自主研究、開發出機器嗅覺產品，美國IST公司研發的多參數氣體檢測裝置，目前已實現只依靠一部設備測量出大約100種氣體組分。根據相關資料，國內的機器嗅覺技術還在試驗發展階段。

6.3 新型傳感器工藝

近年來，在微電子、微機械的迅猛發展過程中，MEMS技術獲得了不少研究成果，而關于新型微結構氣體傳感器的探究還較為淺顯，研究人員目前著重圍繞硅基微結構氣體傳感器進行探究。

硅基微結構氣體傳感器的襯底由硅材料制作而成，而敏感層則采用非硅材料制成，主要包括金屬氧化物半導體等。MEMS技術主要是把傳感器和集成電路相互組合在一起，使其變得更加輕便，并提升其檢測精度、降低功耗量。特別是生產制造能夠徹底自動化，明顯加快生產速度，有效減少生產成本。MEMS是傳感器工藝技術今后發展的一個重要方向，大部分傳感器均可以依靠MEMS技術制成，而近年來納米技術的迅速發展也為氣體傳感器的優化與創新帶來有力的技術支撐，為氣體傳感器的發展創設了更大的空間[4]。

7 結語

綜上，氣體傳感器在氣體監測系統中占據著重要位置，是不可或缺的重要組成部分，基于本質而言，氣體傳感器是把監測獲得的氣體成分轉換為與之對照的電信號的一種設備。氣體傳感器具有多種多樣的類型，因而對于各類氣體的監測必須選擇合適的傳感器。在對石油化工空氣污染物進行監測的過程中，使用頻率較高的氣體傳感器有兩種，一種是電化學式傳感器，另一種是半導體式傳感器。我們必須將氣體傳感器合理、有效地運用于對石化區空氣污染物的監測中，防止有毒有害氣體濃度超標而引發危險情況。