专利名称：易燃易爆有毒及其它气体的测试方法
技术领域：
本发明涉及气体的测试方法。
煤矿的瓦斯(CH4)爆炸，人们日常生活中煤气，液化气的泄漏，一氧化碳(CO)的中毒等，都造成了众多的人员伤亡。对这些有害气体进行监控和检测，已是迫在眉捷的事。已有的检测主要是半导体气体传感器技术，电化学气体传感器技术，以及气相色谱技术。后两种技术由于价格高，使用不方便，而没能被广泛推广使用，而半导体传感器技术，则由于半导体气体传感器体积小，灵敏度高，价格便宜，方便携带而得到人们的重视。到目前为止，已有大量商品化的半导体气体传感器在市场上销售，但由于其选择性差，加之受环境温度、湿度、气氛影响大，使其稳定性差，时漂严重，有时不仅无法定量测试，甚至经常引起误报。例如，氢气传感器对氢气最为敏感，但是又或多或少的对其它气体敏感造成交叉干扰，导致误测或误报。总之，已有半导体气体传感器存在的缺点严重影响其进一步发展应用。为了提高半导体气体传感器的选择性，人们主要通过改变配方、掺杂、表面酸性等方法，如选用铁酸镧(LaFeO3)作为酒敏元件[1]，选用二氧化钛(TiO2)作为氧敏元件[2]，Eu2O3-SnO2作为丙酮气敏元件[3]，表面修饰提高半导体气敏元件的选择性[4]。对于提高元件的稳定性，主要通过改变粒径，添加剂，优化设计等方法。
上述方法虽对半导体气体传感器的选择性和稳定性都有不同程度的提高，但都没能同时解决两个问题，也没能从根本上解决问题，为此，气体传感器的使用仍很局限。
本发明的目的在于提供一种有效克服半导体气体传感器选择性差，稳定性差，能准确检测出易燃、易爆等有害气体的方法。
半导体气体传感器之所以选择性差，稳定性差，究其原因主要是测试原理和传统测试方法不当造成的。已有的气敏材料在固定温度(250℃～300℃)依据表面的吸附反应对还原性气体敏感，主要是表面进行氧化--还原反应，从而引起申导改变来判断待测气体的成份和浓度。在常规情况下，气体是混合的，在固定测试温度下都有可能在半导体气敏材料表面进行氧化还原反应，这是不能正确判断真正要测气体的成份和浓度的主要原因，加之环境可能改变测试温度，表面状态，这些都会引起气敏元件的不稳定，经时漂移。
本发明方法是根据不同气体具有不同反应活化能的原理，对不同的气敏材料，按一定的时间程序升温、降温、在温度的变化过程中，气体传感器在不同的气体中会出现一个特征峰曲线，也就是当气敏材料固定，温度变化固定，测试条件一定，这个特征峰曲线是固定的，但当气体浓度改变，峰的强度也会随之改变，本发明根据特征峰曲线的变化，利用单片机对其进行智能处理，能准确无误地在混合气体中判断出待测气体的成份和浓度，用同类标准气体浓度进行标定，再与待测气体进行对照，则得出待测气体浓度。
本发明的测试方法根据不同气体对半导体气敏材料的组成、结构、元件的加热温度、升温时间、降温时间，测试电路的取样电阻不同，这就可以对常见的还原性气体组成特征峰。本发明选用SnO2、ZnO、ZnSnO3、α-Fe2O3等作气敏材料，元件的结构采用薄膜型、厚膜型、烧结型，元件的加热温度80℃～550℃，升温时间0.5--70秒，降温时间1-120秒，测试电路见附图1。
本发明对气体的测试准确可靠，选择性和稳定性都显著提高，已接近或达到气相色谱仪的水平，而且输出的信号是电信号，利于自动化处理。
本发明的优点1.能在混合气体中检出待测气体；2.长期稳定性好，在空气中没有漂移；3.抗环境干扰能力强；4.测试方法简单，易于操作，设备价格低，便于普及推广使用；5.同样适用于常见气体的测试。
实施例1.对甲烷(CH4)气体的测试，气敏材料采用掺1％wtPd的SnO2，结构为厚膜型气敏元件(即敏感探头)的加热温度为280℃，升温时间3秒，保温时间7秒，降温时间20秒，总共40秒钟为一个测试周期，电路如附图1所示，即出现如图2所示的峰形。根据图2中的峰形，可以判断有无甲烷的存在，根据峰的高低，可判断甲烷含量的多少。
2.对甲烷(CH4)气体的测试，气敏材料采用掺1.5％wtPd的SnO2，结构为厚膜型，气敏元件的加热温度为340℃，升温时间3秒，保温时间17秒，降温时间20秒，40秒钟为一个测试周期，做出的(CH4)的特征峰和例1一样，只是峰值比附图2所示峰值增高一倍。
3.对一氧化碳(CO)气体的测试，气敏材料采用掺0.5％wtPd的SnO2，结构为厚，膜型气敏元件的加热温度为250℃，升温时间3秒，保温时间7秒，降温时间20秒，总共30秒钟为一个测试周期，即出现如附图3所示的CO气体特征峰，根据图3中的峰形，可以判断有无CO的存在，根据峰值高低判断CO含量的多少。
4.对乙醇气体的测试，气敏材料采用偏锡酸锌(ZnSnO3)，结构为薄膜型，气敏元件的加热温度为220℃，升温时间2秒，保温时间8秒，降温时间20秒，30秒钟为一个测试周期，即出现如附图4所示的乙醇气体特征峰，根据图4中的峰形，可以判断有无乙醇的存在，根据峰值高低判断乙醇含量的多少。
5.对二氧化碳(CO2)气体的测试，气敏材料采用α-三氧化二铁(α-Fe2O3)，结构为烧结型，气敏元件的加热温度为550℃，升温时间15秒，保温时间35秒，降温时间50秒，100秒钟为一个测试周期，即出现如附图5所示的二氧化碳气体特征峰。根据图5中的峰形，可以判断有无CO2是否存在与浓度的高低。
6.对氨气(NH4)气体的测试，气敏材料采用掺0.5％wtPd的ZnO，结构为薄膜型，气敏元件的加热温度为260℃，升温时间2秒，保温时间10秒，降温时间20秒，30秒钟为一个测试周期，即出现如图6所示的特征峰。根据图6中的峰形与峰值判断NH4是否存在与浓度的高低。
附图1是气敏元件测试电路图。
附图2是CH4气体测试特征曲线图。
附图3是CO气体测试特征曲线图。
附图4是乙醇气体测试特征曲线图。
附图5是CO2气体测试特征曲线图。
附图6是NH4气体测试特征曲线图。
图1中1、时控加热程序；2、加热电阻；3、取样电阻；4、敏感电阻。
权利要求
1.一种易燃易爆有毒及其它气体的测试方法，其特征在于，使用半导体气体传感器，用不同的气敏材料和不同的气敏元件结构，先加热，加热的温度80℃～550℃，升温时间0.5～70秒，再降温，降温时间1～120秒，即得到不同气体的峰值曲线，以此判断有无该种气体的存在以及浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所用气敏材料是SnO2、ZnO、ZnSnO3、α-Fe2O3。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所用气敏元件是厚膜型、薄膜型、烧结型。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测甲烷时掺1.5％wtPd的SnO2，气敏元件为厚膜型，气敏元件的加热温度为280℃，升温时间3秒，保温时间17秒，降温时间20秒，即出现甲烷的特征峰曲线。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测一氧化碳气体时，掺0.5％wtPd的SnO2，气敏元件为厚膜型，加热温度为250℃，升温时间3秒，保温时间7秒，降温时间20秒，即得到一氧化碳的特征峰曲线。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测试乙醇气体采用偏锡酸锌(ZnSnO3)，气敏元件的加热温度为220℃，升温时间2秒，保温时间8秒，降温时间20秒，即得到乙醇气体的特征峰曲线。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测试二氧化碳(CO2)气体，气敏材料采用α-Fe2O3，气敏元件为烧结型，加热温度为550℃，升温时间15秒，保温时间35秒，即得到二氧化碳的特征峰曲线。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测试氨气(NH4掺0.5％wtPd的ZnO，气敏元件为薄膜型，加热温度为260℃，升温时间2秒，保温时间10秒，降温时间20秒，即出现氨气的特征峰曲线。
全文摘要
本发明利用半导体材料对气体进行有效的检测。根据不同气体具有不同反应活化能的原理,对不同的气敏材料按一定的时间程序升温与降温,在温度的变化过程中,元件在不同的气体中会出现某种固定的特征谱线,利用不同气体具有不同特征谱线的特点,采用单片机进行智能化处理可准确无误的判断气体成分与浓度。本方法非常适应于一些易燃、易爆、毒性气体和一些常见气体的检测。本方法设备简单,便于携带、价格低、比较适合矿井、流动场所和其它场合使用。
文档编号G01N27/12GK1170872SQ96117019
公开日1998年1月21日 申请日期1996年7月12日 优先权日1996年7月12日
发明者刘锦淮, 张耀华 申请人:中国科学院合肥智能机械研究所