一种检测空气中活泼金属氧化物浓度的传感器和方法与流程

1.本发明属于空气中颗粒成分检测技术领域，具体涉及的是一种检测空气中活泼金属氧化物颗粒浓度的装置，特别是涉及到一种用于危化品仓库火灾环境下，通过检测空气中二氧化碳浓度差间接检测空气中活泼金属氧化物颗粒浓度。


背景技术：

2.危险化学品仓库发生火灾爆炸在我国是一类相对高发的一类事故，通常是由于管理疏忽和违规操作引起的。危化品一般都伴随着易燃易爆和有毒有害等特征，发生火灾时，灭火难度大。危化品种类繁多，对灭火剂的要求不同，其易燃易爆性强，且火灾现场情况复杂，如操作不当易产生二次燃烧，因此，对仓库火场内危化品种类及存储量的掌握是十分重要的。一般情况下，火灾现场往往会产生较多二氧化碳和有毒有害气体，如一氧化碳、氮氧化物等，二氧化碳的含量远高于空气，一般可达5％，这为空气中活泼金属氧化物颗粒的检测提供了适合的条件。
3.活泼金属是指化学元素周期表中第ⅰ族和第ⅱ族的元素，化学性质活泼，单质为固体，在空气中及易与氧气发生反应生产金属氧化物或过氧化物，与水蒸气反应生产氢氧化物，是危化品仓库中常见的一种易燃易爆品。火灾时，活泼金属在空气中剧烈燃烧，产生大量白烟，其主要成分为活泼金属氧化物颗粒，直径大约为几微米到几十微米，活泼金属氧化物颗粒在水蒸气环境下易与二氧化碳反应生产碳酸盐。一般情况下，检测空气中固体颗粒的方法有：激光散射法、激光投射法、电荷法和β射线法。激光散射法和激光投影法对仪器设备要求较高，成本消耗大，人工消耗多，不适用于危化品火灾现场对活泼金属氧化颗粒的检测。电荷法主要利用固体颗粒与侧头的摩擦生电的原理进行检测，而β射线法主要利用滤纸对空气进行过滤，然后对其浓度进行分析，故上述的四种方法均难以检测某一特定物质，均无法满足对活泼金属氧化物颗粒浓度检测的要求。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种用于火灾环境下检测空气中活泼金属氧化物浓度的传感器和方法，解决危化品仓库火灾现场空气中活泼金属氧化物颗粒的定性及定量检测问题。
5.为达到上述目的，本发明所述一种检测空气中活泼金属氧化物浓度的传感器包括依次连通的第一反应室、第一检测室、第二反应室和第二检测室，所述第一反应室上设置有进气口，所述第一反应室中设置有一氧化碳热催化氧化剂，所述第一检测室中设置有第一二氧化碳敏感薄膜，所述第二反应室中设置有吸水层，所述第二检测室中设置有第二二氧化碳敏感薄膜。
6.进一步的，一氧化碳热催化氧化剂通过一粘接层固定在第一反应室中，第一二氧化碳敏感薄膜通过第二粘接层固定在第一检测室中，第二二氧化碳敏感薄膜通过第三粘接层固定在第二检测室中。
7.进一步的，第一粘接层、第二粘接层和第三粘接层的材料为含碳硼烷的酚醛环氧
树脂。
8.进一步的，吸水层的材料为多孔陶瓷。
9.进一步的，还包括用于加热第一反应室、第一检测室、第二反应室和第二检测室的电热丝。
10.进一步的，第一反应室和第一检测室的横截面为s形。
11.进一步的，第一二氧化碳气敏薄膜和第二二氧化碳敏感薄膜材料为掺杂了0.8％-1.2％ag的cuo-batio3。
12.进一步的，一氧化碳热催化氧化剂5含有0.04％wt-0.05wt％au的co3o4。
13.基于上述的传感器的检测空气中活泼金属氧化物浓度的方法，包括以下步骤：将带检测空气送入第一反应室，在一氧化碳热催化氧化剂的作用下，空气中的一氧化碳全部转化为二氧化碳；然后空气进入第一检测室，第一二氧化碳气敏薄膜检测出二氧化碳浓度；空气继续前进，进入第二反应室，换吸水层释放出水蒸气，活泼金属氧化物颗粒与二氧化碳反应生成碳酸盐，二氧化碳浓度降低；然后气体进入第二检测室，检测反应后的二氧化碳浓度，通过检测反应前后二氧化碳浓度差间接反应出活泼金属氧化物浓度。
14.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
15.提供了一种在火灾现场检测空气中活泼金属氧化物颗粒浓度的传感器，利用活泼金属氧化物颗粒在水蒸气环境下易与二氧化碳发生反应，通过检测反应前后二氧化碳浓度差间接反应出活泼金属氧化物颗粒的浓度，现场人员可据此估计危化品仓库内活泼金属的存储量，为下一步消防措施的选择做出参考。
16.二氧化碳敏感薄膜对二氧化碳具有一定的敏感性，且该敏感性对二氧化碳的针对性较高。在检测过程中可能对检测结果产生影响的因素是：可燃物在空气中的不完全燃烧产生的一氧化碳易在二氧化碳敏感薄膜中的贵金属的热催化氧化下反应为二氧化碳，使反应前后的二氧化碳的浓度差检测出现原理性误差。为消除这种误差，在第一二氧化碳敏感薄膜的最前端增加了一氧化碳热催化氧化剂，在二氧化碳检测前将空气中的一氧化碳全部转化为二氧化碳，消除了二氧化碳在进行反应前后的浓度差检测时的误差，即完全消除了空气中其他气体对二氧化碳浓度差检测的影响。
17.进一步的，第一粘接层、第二粘接层和第三粘接层的材料选择含碳硼烷的酚醛环氧树脂，可在400℃的温度下保持较好的机械性能、粘接性能、化学稳定性和电绝缘性等。
18.进一步的，还包括用于加热第一反应室、第一检测室、第二反应室和第二检测室的电热丝，给二氧化碳检测、一氧化碳催化氧化及蒸发水蒸气提供合适的温度。
19.进一步的，第一反应室和第二反应室的横截面为s形，该结构对气体流动有一定的阻碍作用，可以使反应更加充分。
20.本发明涉及到的活泼金属氧化物颗粒浓度检测方法的原理是：活泼金属氧化物在水蒸气环境下与二氧化碳发生反应，通过检测反应前后二氧化碳浓度差间接反应出活泼金属氧化物颗粒的浓度，本发明涉及到的二氧化碳敏感薄膜的电阻可随二氧化碳浓度的改变而改变，信号输出线性度较高，能准确地检测出空气中局部活泼金属氧化物颗粒的浓度。
附图说明
21.图1为整个传感器工作流程原理图；
22.图2为传感器截面图；
23.图3为整个传感器的俯视截面图；
24.图4为传感器电热丝布置示意图。
25.附图中：1-硅基电热丝基底；2-电热丝；3-硅基敏感膜基底；4-第一粘接层、5-一氧化碳热催化氧化剂；6-单晶硅保护层；7-第二粘接层、8-第一二氧化碳敏感薄膜、9-吸水层；10-第三粘接层；11-第二二氧化碳敏感薄膜；12-金焊区；13-第一反应室；14-第一检测室；15-第二反应室；16-第二检测室。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.参照图1和图2，一种用于火灾环境下检测空气中活泼金属氧化物浓度的传感器，为下一步消防措施的选择做出参考，本检测装置利用活泼金属氧化物在水蒸气环境下与二氧化碳发生反应，通过检测反应前后二氧化碳浓度差间接反应出空气中活泼金属氧化物颗粒的浓度，以此粗略估计危化品仓库内活泼金属的存储量。
29.本活泼金属氧化物检测装置包括：硅基电热丝基底1、电热丝2、硅基敏感膜基底3、第一粘接层4、一氧化碳热催化氧化剂5、单晶硅保护层6、第二粘接层7、第一二氧化碳敏感薄膜8、可更换吸水层9、第三粘接层10、第二二氧化碳敏感薄膜11和金焊区12。
30.其中，硅基电热丝基底1、硅基敏感膜基底3和单晶硅保护层6自下至上依次键合，单晶硅保护层6底部开设有多个连通的凹槽。电热丝2位于硅基敏感膜基底3下方，填充至硅基电热丝基底1中。金焊区12的作用是实现后期传感器封装时的信号引出。
31.硅基敏感膜基底3上自左至右依次设置有第一粘接层4、第二粘接层7和第三粘接层10，一氧化碳热催化氧化剂5通过第一粘接层4粘接固定在硅基敏感膜基底3上，第一二氧化碳敏感薄膜8通过第二粘接层7粘接固定在硅基敏感膜基底3上，第二二氧化碳敏感薄膜11通过第三粘接层10粘接固定在硅基敏感膜基底3上。单晶硅保护层6通过键合工艺被固定在硅基敏感膜基底3上方，并与硅基敏感膜基底在一氧化碳热催化氧化剂5所处位置形成第
一反应室13，在第一二氧化碳敏感薄膜8所处位置形成第一检测室14，在第二二氧化碳敏感薄膜11所处位置形成第二检测室16。可更换吸水层9安装在硅基敏感膜基底3上，位于第一二氧化碳敏感薄膜8和第二二氧化碳敏感薄膜11之间，并在可更换吸水层9所在位置处，硅基敏感膜基底3与单晶硅保护层6形成了第二反应室15，可更换吸水层9位于第二反应室15正下方。
32.参照图3，用于形成第一反应室13和第二反应室15的凹槽的横截面为s形。
33.参照图4，电热丝2呈s形布置。
34.实施例1
35.一种用于火灾环境下检测空气中活泼金属氧化物浓度的传感器制备方法，包括以下步骤：
36.sa1、使用hf溶液进行湿法刻蚀硅基敏感膜基底3，在硅基敏感膜基底3上端刻蚀出可更换吸水材料9的安装凹槽。
37.sa2、将一氧化碳热催化氧化剂5与第一二氧化碳敏感薄膜8与第二二氧化碳敏感薄膜10使用通过第一粘接层4、第二粘接层7和第三粘接层10固定在硅基敏感膜基底3上。第一粘接层4、第二粘接层7和第三粘接层10的材料选择含碳硼烷的酚醛环氧树脂，可在400℃的温度下保持较好的机械性能、粘接性能、化学稳定性和电绝缘性等。
38.sa3、使用磁控溅射的方法在硅基敏感膜基底3上制备金焊区12，并使金焊区12与第一二氧化碳气敏薄膜8、第二二氧化碳气敏薄膜10接触。
39.sa4、使用hf溶液进行刻蚀单晶硅保护层6，分别刻蚀出构成第一反应室13与第二反应室15的蛇形凹槽，并使用键合工艺与硅基敏感膜基底3分别组成第一反应室13、第二反应室15、第一检测室14和第二检测室16。
40.sa5、用于提供水蒸气的可更换的吸水层9使用前将其在水中静置一段时间吸水，使用时将其插入安装凹槽中。
41.sa6、在硅基电热丝基底1使用湿法刻蚀刻出蛇形沟槽，用于布置安装电热丝2。电热丝2选用镍铬合金，并布置在硅基电热丝基底1上刻好的蛇形沟槽内，用于给二氧化碳检测、一氧化碳催化氧化及蒸发水蒸气提供合适的温度，加热温度由电压控制，工作温度为400℃。再使用键合技术将硅基电热丝基底1连同电热丝2一并固定在硅基敏感膜基底3下方。
42.参照图2，本传感器的检测过程为：给电热丝2通电，为检测装置提供350℃-450℃的工作温度。在外部其他机械装置的作用下，包含一氧化碳、二氧化碳、活泼金属氧化物颗粒和其他气体的空气被持续地吸入与外界直接连通的第一反应室13，在一氧化碳热催化氧化剂5的作用下，空气中的一氧化碳全部转化为二氧化碳。然后气体进入第一检测室14，第一二氧化碳气敏薄膜8检测出二氧化碳浓度，并将二氧化碳浓度引起二氧化碳敏感薄膜8电阻的改变。将第一二氧化碳敏感薄膜8作为电阻，并通过金焊区12接入惠斯通电桥中，第一二氧化碳敏感薄膜8电阻的改变会引起输出电压的改变，输出电压可反映出第一检测室14中的二氧化碳浓度。气体进入第二反应室15，可更换吸水层9在高温环境下释放出水蒸气，活泼金属氧化物颗粒与二氧化碳反应生成碳酸盐，二氧化碳浓度降低。气体进入第二检测室16，检测反应后的二氧化碳浓度，若浓度发生降低，则空气中含有活泼金属氧化物颗粒，火灾现场存有活泼金属。通过检测反应前后二氧化碳浓度差间接反应出活泼金属氧化物颗
粒浓度，以此粗略估计危化品仓库内活泼金属的存储量，为下一步消防措施的选择做出参考。
43.空气中的活泼金属氧化物浓度计算公式如下：
44.c＝c
1-c245.c—空气中活泼金属氧化物浓度；
46.c1—第一检测室13检测到的二氧化碳浓度；
47.c2—第二检测室15检测到的二氧化碳浓度。
48.实施例2
49.第一二氧化碳气敏薄膜8和第二二氧化碳敏感薄膜11材料为掺杂了0.8％-1.2％ag的cuo-batio3，进行反应前、后二氧化碳浓度的测量，测量范围可达0.01％-10％。制备过程包括：cuo-batio3复合粉体的制备、ag掺杂以及气敏薄膜烧结制备，这种制造方法可以较为方便地调节最终制得的二氧化碳敏感薄膜中的ag、cuo与batio3的含量，制备方法简单易行，具体包括以下步骤：
50.sb1、将batio3与cu(co2ch3)2·
h2o粉末按(1.1-1.2)：1的质量比加入到去离子水中，得到溶液a。在溶液a中加入适量乙二醇为形态导向剂，乙二醇与batio3的质量比为(0.7-0.8):1随后滴加naoh溶液，naoh与batio3的物质的量比例为(0.9-1.1):1，直到反应完全。对该固液混合物进行搅拌，搅拌充分后，过滤出固体并用乙醇洗涤，然后在烘箱干燥，得到cuo/batio3复合粉体。
51.sb2、将agno3与s1得到的cuo/batio3复合粉体按(0.8-1.2)：100的比例加入乙醇中，并再搅拌均匀。此后,加入nabh4将银离子还原为金属银粒子。随后，将所得混合物用去离子水和乙醇进行离心、超声和洗涤，并在60℃的烤箱中烘干，以获得含有ag的cuo/batio3复合粉末。
52.sb3、气敏薄膜烧结制备：将所得含有ag的cuo/batio3复合粉末取出，在700℃-800℃的温度下，在空气中烧结为块体，对块体进行剖光，并切割为1mm
×
1mm
×
0.2mm的薄膜。
53.实施例3
54.一氧化碳热催化氧化剂5使用含有0.04％wt-0.05wt％au的co3o4。其制备过程为：
55.sc1、将co(no3)2和na2co3在室温下使用共沉淀法生产co3o4晶体，然后再400℃下煅烧5h，得到co3o4块。
56.sc2、将co3o4块切割为10mm
×
10mm
×
0.5mm的co3o4薄片。
57.sc3、使用含金0.05wt％的靶材进行溅射，将金原子吸附在co3o4薄片表面，溅射完成后在400℃下煅烧5h，得到一氧化碳热催化氧化剂5。
58.一氧化碳热催化氧化剂5用于提前将空气中的一氧化碳催化氧化为二氧化碳，防止气敏薄膜中的ag将一氧化碳催化氧化为二氧化碳对测试结果产生影响。co3o4本身就是一种高效的一氧化碳热催化氧化剂，单金原子对一氧化碳也有较高的催化活性，故使用这种方法制备的一氧化碳热催化氧化剂5对一氧化碳的催化效率很高，在200℃以上时，对1％的co氧化率可达100％。
59.实施例4
60.如图2所示，可更换吸水层9的材料使用多孔陶瓷，用于为反应室提供水蒸气，吸水率可达63.44％。制备方法如下：
61.分别取一定的硅藻土和粉煤灰，在105℃下烘烤24h，使用球磨机粉碎得到硅藻土和粉煤灰粉末。再分别取出已经磨碎的硅藻土和粉煤灰粉末，比例为(3-5):1，将其混合后在5mpa-6mpa的压力下压实，进行干燥后，在高温下烧结多孔陶瓷块。
62.将烧结好的多孔陶瓷切割为10mm
×
10mm
×
0.5mm的薄片。使用这种制备方法得到的多空陶瓷吸水率高，制造成本低。
63.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。