專利名稱：易燃易爆有毒及其它氣體的測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣體的測試方法。
煤礦的瓦斯(CH4)爆炸，人們日常生活中煤氣，液化氣的泄漏，一氧化碳(CO)的中毒等，都造成了眾多的人員傷亡。對這些有害氣體進行監(jiān)控和檢測，已是迫在眉捷的事。已有的檢測主要是半導體氣體傳感器技術，電化學氣體傳感器技術，以及氣相色譜技術。后兩種技術由于價格高，使用不方便，而沒能被廣泛推廣使用，而半導體傳感器技術，則由于半導體氣體傳感器體積小，靈敏度高，價格便宜，方便攜帶而得到人們的重視。到目前為止，已有大量商品化的半導體氣體傳感器在市場上銷售，但由于其選擇性差，加之受環(huán)境溫度、濕度、氣氛影響大，使其穩(wěn)定性差，時漂嚴重，有時不僅無法定量測試，甚至經(jīng)常引起誤報。例如，氫氣傳感器對氫氣最為敏感，但是又或多或少的對其它氣體敏感造成交叉干擾，導致誤測或誤報。總之，已有半導體氣體傳感器存在的缺點嚴重影響其進一步發(fā)展應用。為了提高半導體氣體傳感器的選擇性，人們主要通過改變配方、摻雜、表面酸性等方法，如選用鐵酸鑭(LaFeO3)作為酒敏元件[1]，選用二氧化鈦(TiO2)作為氧敏元件[2]，Eu2O3-SnO2作為丙酮氣敏元件[3]，表面修飾提高半導體氣敏元件的選擇性[4]。對于提高元件的穩(wěn)定性，主要通過改變粒徑，添加劑，優(yōu)化設計等方法。
上述方法雖對半導體氣體傳感器的選擇性和穩(wěn)定性都有不同程度的提高，但都沒能同時解決兩個問題，也沒能從根本上解決問題，為此，氣體傳感器的使用仍很局限。
本發(fā)明的目的在于提供一種有效克服半導體氣體傳感器選擇性差，穩(wěn)定性差，能準確檢測出易燃、易爆等有害氣體的方法。
半導體氣體傳感器之所以選擇性差，穩(wěn)定性差，究其原因主要是測試原理和傳統(tǒng)測試方法不當造成的。已有的氣敏材料在固定溫度(250℃～300℃)依據(jù)表面的吸附反應對還原性氣體敏感，主要是表面進行氧化--還原反應，從而引起申導改變來判斷待測氣體的成份和濃度。在常規(guī)情況下，氣體是混合的，在固定測試溫度下都有可能在半導體氣敏材料表面進行氧化還原反應，這是不能正確判斷真正要測氣體的成份和濃度的主要原因，加之環(huán)境可能改變測試溫度，表面狀態(tài)，這些都會引起氣敏元件的不穩(wěn)定，經(jīng)時漂移。
本發(fā)明方法是根據(jù)不同氣體具有不同反應活化能的原理，對不同的氣敏材料，按一定的時間程序升溫、降溫、在溫度的變化過程中，氣體傳感器在不同的氣體中會出現(xiàn)一個特征峰曲線，也就是當氣敏材料固定，溫度變化固定，測試條件一定，這個特征峰曲線是固定的，但當氣體濃度改變，峰的強度也會隨之改變，本發(fā)明根據(jù)特征峰曲線的變化，利用單片機對其進行智能處理，能準確無誤地在混合氣體中判斷出待測氣體的成份和濃度，用同類標準氣體濃度進行標定，再與待測氣體進行對照，則得出待測氣體濃度。
本發(fā)明的測試方法根據(jù)不同氣體對半導體氣敏材料的組成、結構、元件的加熱溫度、升溫時間、降溫時間，測試電路的取樣電阻不同，這就可以對常見的還原性氣體組成特征峰。本發(fā)明選用SnO2、ZnO、ZnSnO3、α-Fe2O3等作氣敏材料，元件的結構采用薄膜型、厚膜型、燒結型，元件的加熱溫度80℃～550℃，升溫時間0.5--70秒，降溫時間1-120秒，測試電路見附圖1。
本發(fā)明對氣體的測試準確可靠，選擇性和穩(wěn)定性都顯著提高，已接近或達到氣相色譜儀的水平，而且輸出的信號是電信號，利于自動化處理。
本發(fā)明的優(yōu)點1.能在混合氣體中檢出待測氣體；2.長期穩(wěn)定性好，在空氣中沒有漂移；3.抗環(huán)境干擾能力強；4.測試方法簡單，易于操作，設備價格低，便于普及推廣使用；5.同樣適用于常見氣體的測試。
實施例1.對甲烷(CH4)氣體的測試，氣敏材料采用摻1％wtPd的SnO2，結構為厚膜型氣敏元件(即敏感探頭)的加熱溫度為280℃，升溫時間3秒，保溫時間7秒，降溫時間20秒，總共40秒鐘為一個測試周期，電路如附圖1所示，即出現(xiàn)如圖2所示的峰形。根據(jù)圖2中的峰形，可以判斷有無甲烷的存在，根據(jù)峰的高低，可判斷甲烷含量的多少。
2.對甲烷(CH4)氣體的測試，氣敏材料采用摻1.5％wtPd的SnO2，結構為厚膜型，氣敏元件的加熱溫度為340℃，升溫時間3秒，保溫時間17秒，降溫時間20秒，40秒鐘為一個測試周期，做出的(CH4)的特征峰和例1一樣，只是峰值比附圖2所示峰值增高一倍。
3.對一氧化碳(CO)氣體的測試，氣敏材料采用摻0.5％wtPd的SnO2，結構為厚，膜型氣敏元件的加熱溫度為250℃，升溫時間3秒，保溫時間7秒，降溫時間20秒，總共30秒鐘為一個測試周期，即出現(xiàn)如附圖3所示的CO氣體特征峰，根據(jù)圖3中的峰形，可以判斷有無CO的存在，根據(jù)峰值高低判斷CO含量的多少。
4.對乙醇氣體的測試，氣敏材料采用偏錫酸鋅(ZnSnO3)，結構為薄膜型，氣敏元件的加熱溫度為220℃，升溫時間2秒，保溫時間8秒，降溫時間20秒，30秒鐘為一個測試周期，即出現(xiàn)如附圖4所示的乙醇氣體特征峰，根據(jù)圖4中的峰形，可以判斷有無乙醇的存在，根據(jù)峰值高低判斷乙醇含量的多少。
5.對二氧化碳(CO2)氣體的測試，氣敏材料采用α-三氧化二鐵(α-Fe2O3)，結構為燒結型，氣敏元件的加熱溫度為550℃，升溫時間15秒，保溫時間35秒，降溫時間50秒，100秒鐘為一個測試周期，即出現(xiàn)如附圖5所示的二氧化碳氣體特征峰。根據(jù)圖5中的峰形，可以判斷有無CO2是否存在與濃度的高低。
6.對氨氣(NH4)氣體的測試，氣敏材料采用摻0.5％wtPd的ZnO，結構為薄膜型，氣敏元件的加熱溫度為260℃，升溫時間2秒，保溫時間10秒，降溫時間20秒，30秒鐘為一個測試周期，即出現(xiàn)如圖6所示的特征峰。根據(jù)圖6中的峰形與峰值判斷NH4是否存在與濃度的高低。


附圖1是氣敏元件測試電路圖。
附圖2是CH4氣體測試特征曲線圖。
附圖3是CO氣體測試特征曲線圖。
附圖4是乙醇氣體測試特征曲線圖。
附圖5是CO2氣體測試特征曲線圖。
附圖6是NH4氣體測試特征曲線圖。
圖1中1、時控加熱程序；2、加熱電阻；3、取樣電阻；4、敏感電阻。
權利要求
1.一種易燃易爆有毒及其它氣體的測試方法，其特征在于，使用半導體氣體傳感器，用不同的氣敏材料和不同的氣敏元件結構，先加熱，加熱的溫度80℃～550℃，升溫時間0.5～70秒，再降溫，降溫時間1～120秒，即得到不同氣體的峰值曲線，以此判斷有無該種氣體的存在以及濃度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所用氣敏材料是SnO2、ZnO、ZnSnO3、α-Fe2O3。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所用氣敏元件是厚膜型、薄膜型、燒結型。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，測甲烷時摻1.5％wtPd的SnO2，氣敏元件為厚膜型，氣敏元件的加熱溫度為280℃，升溫時間3秒，保溫時間17秒，降溫時間20秒，即出現(xiàn)甲烷的特征峰曲線。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，測一氧化碳氣體時，摻0.5％wtPd的SnO2，氣敏元件為厚膜型，加熱溫度為250℃，升溫時間3秒，保溫時間7秒，降溫時間20秒，即得到一氧化碳的特征峰曲線。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，測試乙醇氣體采用偏錫酸鋅(ZnSnO3)，氣敏元件的加熱溫度為220℃，升溫時間2秒，保溫時間8秒，降溫時間20秒，即得到乙醇氣體的特征峰曲線。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，測試二氧化碳(CO2)氣體，氣敏材料采用α-Fe2O3，氣敏元件為燒結型，加熱溫度為550℃，升溫時間15秒，保溫時間35秒，即得到二氧化碳的特征峰曲線。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，測試氨氣(NH4摻0.5％wtPd的ZnO，氣敏元件為薄膜型，加熱溫度為260℃，升溫時間2秒，保溫時間10秒，降溫時間20秒，即出現(xiàn)氨氣的特征峰曲線。
全文摘要
本發(fā)明利用半導體材料對氣體進行有效的檢測。根據(jù)不同氣體具有不同反應活化能的原理,對不同的氣敏材料按一定的時間程序升溫與降溫,在溫度的變化過程中,元件在不同的氣體中會出現(xiàn)某種固定的特征譜線,利用不同氣體具有不同特征譜線的特點,采用單片機進行智能化處理可準確無誤的判斷氣體成分與濃度。本方法非常適應于一些易燃、易爆、毒性氣體和一些常見氣體的檢測。本方法設備簡單,便于攜帶、價格低、比較適合礦井、流動場所和其它場合使用。
文檔編號G01N27/12GK1170872SQ96117019
公開日1998年1月21日 申請日期1996年7月12日 優(yōu)先權日1996年7月12日
發(fā)明者劉錦淮, 張耀華 申請人:中國科學院合肥智能機械研究所