叙述了用把栅场效应管作为敏感元件的氢气检测报警仪的特点。重点解决了把栅场效应管的制备工艺、仪器的特殊电路设计和线性化处理，以及标准等问题。仪器除用于间断定量检测外，也可用于在线测量和监控.仪器标定一次，能保持一年不变。可广泛用于电子、化工、冶金、电力、宇航、采矿、石油等领域。
0前言
水电解装置在回收生产氧气时需要控制含氢量。当氢浓度超过5×10-3时，要求仪器能自动报警，从而达到控制氧气纯度的目的。该课题是机电部第十设计研究院为制定“氢氧站设计规范”标准时，因要求测定氧中氢含量而提出的。该仪器也适用于制氢车间、潜艇仓室和使用氢气产品的有爆炸危险的场所，以及监测环境大气中的氢含量。当氢含量超过设定值时就给出声、光报警信号，以便采取有效措施，防止爆炸事故的发生。
关于氢气含量的检测，国内外已有不少报道，其原理大致可分为:(l)接触燃烧式;(2)热化学式;(3)表面电导变化;(4)Pd一MOSFET场效应管等。
HJc一5000型氢气检测报警仪是应用第(4)种原理研制成的最新测氢仪器，它是以把栅场效应管作为氢敏探头。该传感器具有对氢选择性好，响应时间快，恢复时间短，灵敏度高等特点。仪器采用全集成电路，工作稳定可靠，由数字表直接显示氢气浓度值(单位为106)。仪器在设计上力求先进简便，功能完善，在操作和标定方面也尽可能简便。该仪器的最大特点是可进行长期在线测量和监控。标定一次可保持半年到1年不变。特别适用于管道在线检测，也可用于日常氢含量的定量分析。
以把栅场效应管为探头的氢检测报警仪，由于长期稳定性还未能很好解决，加上元件分散性大，测氢线性范围窄，所以，我国仍停留在用作检漏和定性报警，至于定量检测，国内还是一个空白。机电部第十设计研究院与北京工业大学、北京新力传感器研究所合作，改进了把栅场效应管的制备工艺，结构上采用长条形结构的MOS晶体管，为了使用方便，把加热电阻器和测温二极管集成在一块芯片上;为了保证器件稳定可靠，采用了特殊的栅极氧化、双介质，表面钝化技术及退火工艺。标定也有新的突破，使它的稳定性得到了明显改善，再加上仪器的特殊电路设计和进行线性化处理等，使仪器除用于间断分析外，也可用于长期在线检测和监控。因此，它可广泛用于电子、化工、原子能、宇航、电力、冶金、采矿、石油、医学、军工等领域。
1仪器工作的简单原理
HJC一5000型氢气检测报警仪由检测器和机体两部分组成。检测器包括专用气室和氢敏把栅场效应管传感器。机体包括电源、电路和表头。电路主要有恒电源、放大电路、线性化电路、控温加热电路和功能状态选择电路。仪器工作原理框图见图1。.
由把栅场效应管的氢敏特性表明:当有氢气接触把栅时，场效应管的开启电压(Vds)下降，其变化量△Vds与氢气浓度的对数差成线性关系，△Vds值经放大电路放大后，由线性化电路将Vds值转换成为与氢气浓度值对应的电压值，再由数字电压表直接显示氢气浓度。加热控温电路提供给检测器恒定的温度，以保证测量精度。当氢气浓度超过5000×10-6时，报警电路发出声、光报警信号。状态选择电路主要用于保证“运行”与“标定”的精度等。
2仪器主要性能指标
3仪器操作步骤
3.1仪器开机预热
(l)将传感器安装在标定用气室上(使用时安装在现场的专用气室上)，连接好插头、插座。
(2)接通电源，连续按“状态选择”键，这时状态指示会出现“ppm”一“Vds”一“Vnp”三种状态的轮换，需要的状态到来后立即放开“状态选择”键，所需状态便会持续下去。若快按两次该键，将会使“运行”一“M1”一“M2”三种状态转换一次。接通电源后.调到“ppm”(即10-6)和“运行”状态。
(3)向气室内注入高浓度氢气(如5000×10一6，150μl)。当用于长期监测时，需开机24h以上方可进行标定;若临时监测或用于分析时，需开机Zh以后，方可进行标定。
3.2标定
(1)拆下传感器，将气室内的氢气放掉，吹净后(大于5min)，再装上传感器，向气室(容积为30ml)注入15μl纯氢气(相当于气室氢浓度为500×10一6)至“Vds”状态，约10一3omin后，vd。值的变化率会接近lmV/smin，这时需记录下Vds值(如“1408”)，然后将“运行”换到“MI”，调“V1”，使表头显示也为“1408”—一将对应于500×106氢气的Vds值存入“M1”中。
(2)将“M1”转回到“运行”状态，再向气室注入120lμ纯氢气(相当于4000*10一6)，当Vds值变化率接近lmV/5min，记录下vds值为“1164”，然后将“运行”换到“MZ”，调“VH”，使表头显示也为“1164”—将对应于4000*10一6氢气的Vds值存入“M2”中。
(3)至“M1”和“ppm，，状态，调“L”，使表头显示为“500”。
(4)至“M2”和“ppm”状态，调“H”，使表头显示为“4000”。
标定完后，以上(3)、(4)两步有时需交换调整。
4实验结果
4.1实验条件
机体环境温度为24℃，相对湿度为50%，电源为220士10%V，AC/50Hz，气室环境温度为42°C，Vnp=0.576mV，充气5000×10一6，开机时间>24h。
4.2标定
放气5min，吹净气室，装上传感器后，先后注入15μl和120μl纯氢，气室体积为30ml，结果列于表1。
5结果讨论
5.1精度
该仪器测氢精度是用已知气室标准氢气浓度与仪器显示浓度这两者的最大相对误差来计算的。以上结果中，气室浓度为5000×10一6时，仪器显示浓度为4678xlo-6，相对误差为6.44%，小于仪器10%的指标，符合精度要求。
5.2重复测试误差
在以上标定与实验结果中，可用4000×106的两次结果来计算重复测试误差。第1次为4000×10一6，第2次为3800×10-6，平均值为3900×106，其5%为195X1O6.误差合格范围在(3705一4095)×10一6之间.两次测试均落在合格范围内，重现性合格。计算得到重复性误差为2.56%。
6存在问题
由于本仪器分辨率有限，一般为(50士20)×10一6，且不是整50×10-6，有时对标定和整机精度有一些影响，但不会超出100×10一6。由于分辨率低，数字显示时以50×l0-6左右的增减量变化，有待进一步提高。
