na 2024/05/28 459

Úvod do senzorov plynu: Konštrukcia, typy a práca

Senzory plynu sú najlepšími zariadeniami v moderných technológiách, pri monitorovaní a detekcii rôznych plynov v mnohých prostrediach.Ich schopnosť premeniť hladiny plynu na elektrické signály prostredníctvom fyzikálnych alebo chemických reakcií ich robí cennými pre aplikácie od priemyselnej bezpečnosti po bezpečnosť domácností.

Tento článok pojednáva o rôznych typoch senzorov plynu, skúma ich pracovné princípy, výhody a obmedzenia.Pri skúmaní komponentov a funkcií týchto senzorov, najmä široko používaných senzorov plynu oxidov kovov, môžeme oceniť ich význam pri zabezpečovaní bezpečnosti, udržiavaní kvality ovzdušia a podpore rôznych priemyselných procesov.Pochopenie praktického používania, kalibrácie a údržby týchto senzorov zvyšuje ich spoľahlivosť a presnosť, vďaka čomu sú najlepšie nástroje v profesionálnom aj domácom prostredí.

Katalóg

Obrázok 1: Senzor plynu

Čo je to senzor plynu?

Senzory plynu je zariadenie určené na detekciu prítomnosti alebo koncentrácie plynov v prostredí.Pôsobí meraním zmien v odporu vnútorného materiálu, ktorý generuje rozdiel napätia.Tento rozdiel napätia pomáha identifikovať a odhadnúť typ a množstvo prítomného plynu.Špecifické plyny, ktoré dokáže snímač zistiť, závisia od materiálu, z ktorého je vyrobený.

Senzory plynu premieňajú hladiny plynu na elektrické signály prostredníctvom fyzikálnych alebo chemických reakcií.Tieto signály sa spracúvajú na poskytovanie čitateľných údajov.Obzvlášť užitočné na detekciu toxických a škodlivých plynov, ako aj úniky zemného plynu.Senzory plynu merajú horľavé, horľavé a toxické plyny a dokonca aj hladiny kyslíka, vďaka čomu sú dobré pre bezpečnosť a monitorovanie kvality ovzdušia.

Štandard pre výkon senzora plynu

Pri výbere senzorov plynu je potrebné starostlivo vyhodnotiť niekoľko kľúčových špecifikácií merania, aby sa zabezpečila ich účinnosť a presnosť v aplikáciách detekcie plynu.Tieto špecifikácie sú kritériami výkonu senzora, najmä v nastaveniach, kde je bezpečnosť najvyššou prioritou a v systémoch riadenia procesov.

Čas odozvy

Čas odozvy je interval medzi počiatočným kontaktom plynu so senzorom a následným spracovaním signálu senzora.Tento parameter, ktorý vyžaduje okamžitú detekciu plynu, aby sa zabránilo nebezpečným incidentom alebo udržali integritu procesu.Kratšia doba odozvy sa uprednostňuje v prostrediach, kde rýchla detekcia môže znížiť riziká, ako sú chemické rastliny alebo obmedzené priestory s potenciálnym únikom plynu.Pri praktických operáciách je senzor plynu s časom odozvy kratší ako 10 sekúnd ideálny na detekciu náhlych únikov.To umožňuje akcie rýchlej reakcie, ako je evakuácia alebo vypnutie systému.

Obrázok 2: Čas odozvy a doby zotavenia senzora plynu

Detekcia

Detekčná vzdialenosť je maximálny rozsah, v ktorom môže senzor účinne detekovať plyn od svojho zdroja alebo úniku.Táto špecifikácia určuje, kde by sa mali umiestniť senzory na zabezpečenie komplexného monitorovania.Vo veľkých priemyselných nastaveniach musia byť senzory strategicky umiestnené na pokrytie celého zariadenia, čím sa zabezpečí, aby sa pred eskaláciou na nebezpečnú úroveň zistili aj malé emisie plynu.Napríklad senzory s detekčnou vzdialenosťou 1-2 metrov sú často umiestnené v blízkosti potenciálnych únikových bodov, zatiaľ čo senzory s väčšími rozsahmi (až 10 metrov) môžu monitorovať širšie oblasti od centrálnych miest.

Prietok

Obrázok 3: Schematické znázornenie snímača prietoku plynu

Prietok predstavuje objem vzduchu alebo plynu, ktorý musí prúdiť cez senzor, aby sa vytvoril zistiteľný signál.Aby sa zaručili presné údaje o koncentrácii plynu, je potrebné správne nastaviť túto mieru.Nedostatočné prietokové rýchlosti môžu viesť k oneskorenej detekcii alebo k falošným pozitívom, čo je ohrozenie bezpečnosti a prevádzková efektívnosť.Prevádzkovatelia môžu upravovať ventilačné systémy alebo používať pomocné ventilátory na udržanie optimálnych prietokov naprieč senzormi.Zabezpečenie prietoku 0,5 až 2 litrov za minútu naprieč senzorom môže významne zvýšiť presnosť detekcie v prostrediach s rôznymi podmienkami prúdenia vzduchu.

Výstupný parameter

Senzory plynu merajú a hlásia zistené plyny v rôznych formátoch, aby vyhovovali rôznym potrebám monitorovania.

Percento LEL (nižší výbušný limit)

Meria najmenšiu koncentráciu horľavého plynu, ktorý dokáže udržať plameň, keď je zmiešaný so vzduchom a zapáli sa.Potrebné pre bezpečnosť v prostrediach s výbušnými plynmi.Odčítanie 0% LEL naznačuje žiadny prítomný plyn, zatiaľ čo 100% LEL znamená, že koncentrácia plynu dosiahla svoj horľavý limit, čo predstavuje významné riziko výbuchu.Prevádzkovatelia monitorujú LEL, aby zabezpečili, že hladiny plynu zostanú pod nebezpečnými prahovými hodnotami.Pravidelné kontroly a okamžité kroky pri vysokých hodnotách, aby sa zabránilo nehodám.

Objem

Vypočíta objem rozpustenej látky vydelený celkovým objemom všetkých komponentov, vynásobený 100%.Menej bežné pre detekciu plynu, ale užitočné pri aplikáciách týkajúcich sa interakcií s plyn-kvapalinou.Presné meranie koncentrácií plynu v kvapalných zmesiach pomáha pri kontrole kvality a optimalizácii procesu.

Diely na milión (ppm)

Meria koncentrácie plynu v PPM, čo umožňuje presné monitorovanie veľmi nízkych hladín plynu.Vyžaduje sa na zisťovanie stopových plynov pri monitorovaní životného prostredia a kontrole kvality.Neustále monitorovanie zabezpečuje súlad s predpismi o bezpečnosti a životnom prostredí.Sledujú sa malé výkyvy, aby sa včas identifikovali potenciálne problémy.

Merania úniku (ml/min)

Označuje rýchlosť, akou plyn uniká zo systému.Pomáha identifikovať a kvantifikovať úniky.Použitím týchto informácií môžu operátori zabezpečiť integritu systému, vyhnúť sa veľkým stratám a vykonávať údržbu a opravy včas.

Merania spotreby (ml/l/h)

Odráža mieru, akou sa plyn spotrebúva v procese.Vynikajúce na použitie v priemyselných procesoch a biologickom výskume.Je možné identifikovať neefektívnosť a optimalizovať procesy sledovaním miery spotreby plynu.

Merania hustoty (mg/m³)

Poskytuje pohľad na fyzikálne vlastnosti plynu v danom objeme.Užitočné pri kontrole znečistenia a hodnotení kvality ovzdušia.Zabezpečuje dodržiavanie environmentálnych štandardov a pomôcok pri navrhovaní efektívnych stratégií kontroly znečistenia.

Merania podpisu alebo spektier

Ponúka spektrálny podpis prítomných plynov, ktorý sa často zobrazuje ako chromatogram.Používa sa v pokročilých analytických technikách, ako je plynová chromatografia.Podrobná analýza zloženia a koncentrácie plynu pomáha identifikovať kontaminanty a zabezpečiť čistotu produktu.

Tieto signály sa spracúvajú tak, aby poskytovali údaje o koncentráciách plynu v reálnom čase, čo pomáha automatizovaným riadiacim systémom.

Bežný Výstupné signály z plynových senzorov	Funkcia
Analógové napätie	kontinuálny elektrický signál Predstavujúce variabilné informácie
Pulzné signály	krátke výbuchy energie použité na načasovanie a synchronizácia
Analógové prúdy	Elektrické prúdy sa menia v veľkosti sprostredkovať informácie
Vypnite alebo relé výstupy	mechanizmy, ktoré otvárajú alebo zatvárajú obvody riadiť elektrický tok

Graf 1: Výstupný signál a funkcie senzora plynu

Typy senzora plynu založené na pracovných zásadách

Senzory plynu sú kategorizované podľa ich prevádzkových zásad.Každý typ má zreteľné vlastnosti, výhody a nevýhody, vďaka čomu sú vhodné pre rôzne aplikácie a prostredia.

Plynný senzor na báze polovodiča / oxidu kovu

Obrázok 4: Schematické diely senzora plynu na báze oxidu polovodičov / kovov

Obrázok 5: Skutočný snímač polovodičového plynu

Tieto senzory identifikujú plyny sledovaním variácií odporu polovodiča, pokiaľ ide o kontakt s plynmi.Zvyčajne začleňujú zložku snímania oxidu kovu, ako je oxid cínu (SNO2), umiestnený na substráte vybavenom elektródami a vykurovacím prvkom.Porézna povaha vrstvy oxidu kovu zvyšuje plochu povrchu dostupnej pre interakcie plynu.Pretože plyny sú adsorbované do tejto vrstvy, vyskytujú sa zmeny v elektrickej vodivosti senzora, čo následne modifikuje jeho odpor.Tieto senzory sú obzvlášť citlivé na rozmanitú škálu plynov a sú nákladovo efektívne na výrobu.Vyžadujú však rutinnú kalibráciu a ich výkon je ovplyvnený teplotou a vlhkosťou.

Výhody:

• Jednoduchá štruktúra

• Nízke náklady

• Citlivosť vysokej detekcie

• Rýchla rýchlosť reakcie

Nevýhody:

• Malý rozsah merania

• ovplyvnené inými plynmi a teplotami

Snímač elektrochemického plynu

Obrázok 6: Schematické časti elektrochemických senzorov

Obrázok 7: Príklad elektrochemického senzora pre toxickú a horľavú detekciu plynu

Elektrochemické senzory kvantifikujú koncentráciu plynov oxidáciou alebo redukciou cieľového plynu na elektróde a zaznamenávajú prúd, ktorý tento proces generuje.Tieto zariadenia obsahujú fungovanie, počítadlo a referenčné elektródy ponorené do elektrolytu, všetko obsiahnuté v malom kryte, ktorý obsahuje membránu dostupnú plynom.Plyny prechádzajú touto membránou a zúčastňujú sa redoxnej reakcie na pracovnej elektróde, ktorá vytvára prúd, ktorý je priamo úmerný koncentrácii plynu.Tieto senzory, ktoré sú známe svojou výnimočnou špecifickosťou a presnosťou, môžu byť ohrozené prítomnosťou iných plynov a majú tendenciu mať konečný prevádzkový život v dôsledku postupného vyčerpania ich aktívnych materiálov.

Výhody:

• Rýchly čas odozvy

• Dobrý lineárny výstup

• Vysoká presnosť

Nevýhody:

• Potrebujete prostredie bohaté na kyslík

• Konzumujte kvapalné elektrolyty

• náchylné na zmeny teploty, vlhkosti a tlaku

Nenisperzívny infračervený (NDIR) senzor plynu

Obrázok 8: Schematické časti senzorov NDIR

Obrázok 9: Skutočný senzor NDIR

Senzory NDIR využívajú infračervené svetlo Zdroj a detektor na stanovenie koncentrácií plynu prostredníctvom infračerveného absorpcia.Sú vybavené infračerveným zdrojom svetla, komorou pre plyn Vzorky, filter vlnovej dĺžky a infračervený detektor.Ako plyny absorbujú konkrétne vlnové dĺžky infračerveného svetla, detektor senzora kvantifikuje Rozsah tejto absorpcie na vyhodnotenie koncentrácie plynu.Tieto senzory sa môžu pochváliť Vysoká presnosť a dlhovekosť a nie sú náchylné na otravu senzora. Majú tendenciu byť nákladné a sú obmedzené na detekciu plynov, ktoré absorbujú infračervené svetlo.

Výhody:

• meria plyny ako CO2

• nevyžaduje kyslík

• Vysoká schopnosť koncentrácie merania

• Dobrá stabilita a nízke náklady na údržbu

Nevýhody:

• Vysoká spotreba energie

• Drahé

• Komplexné požiadavky na štruktúru a softvér/hardvér

Katalytický plyn

Obrázok 10: Schematické časti katalytického senzora

Obrázok 11: Príklad katalytického senzora

Katalytické senzory identifikujú horľavé plyny cez katalytickú guľôčku, ktorá mení jej odolnosť počas oxidácie plynu.Tieto Senzory zahŕňajú korálky s katalyzátorom potiahnuté popri referencii prvok usporiadaný v konfigurácii Wheatstone Bridge v rámci ochranného kryty.Oxidácia horľavých plynov na povrchu katalyzátora produkuje Teplo, čo vedie k zmene odporu zistenej obvodom.Účinný Tieto senzory rýchlo zisťujú nízke koncentrácie plynu, vyžadujú prítomnosť kyslíka a môže byť ohrozená špecifickými chemickými látkami.

Výhody:

• Silný odpor voči tvrdým podnebiam a jedovatým plynom

• Dlhá životnosť

• Nízke náklady na údržbu

Nevýhody:

• Riziko výbuchu alebo požiaru v tmavom prostredí

• náchylné na otravu sulfidmi a halogénmi zlúčeninami

• Väčšie chyby v prostredí s nízkym obsahom kyslíka

Detektor fotoionizácie (PID)

Obrázok 12: Schematické časti PID

Obrázok 13: Príklad PID

Detektory fotoionizácie (PID) využívajú Ultrafialové svetlo na ionizáciu plynov a zmerajte vyrobený elektrický prúd týmito iónmi na hodnotenie koncentrácií plynu.Systém obsahuje UV žiarovku, ionizačná komora a elektródy.Ionizácia molekúl plynu spúšťa elektrický prúd naprieč elektródami, ktorý koreluje priamo s Koncentrácia prchavých organických zlúčenín (VOC).PID ponúkajú vysokú citlivosť pre VOC a schopnosti rýchlej detekcie, hoci sú drahé a ich výkon môžu byť ovplyvnené premennými životného prostredia, ako je vlhkosť a teplota.

Výhody:

• Vysoká citlivosť

• Žiadny problém s otravou

• Dokáže zistiť viac ako 400 typov prchavých organických plynov

Nevýhody:

• Vysoké náklady na výmenu lampy

• Nemôžeme merať vzduch, toxické plyny alebo zemný plyn

Senzor plynu tepelnej vodivosti

Obrázok 14: Schematické časti snímačov tepelnej vodivosti

Obrázok 15: Príklad senzora tepelnej vodivosti

Senzory tepelnej vodivosti vyhodnocujú Zmeny tepelnej vodivosti v dôsledku rôznych plynov.Tieto senzory Zvyčajne obsahuje dva tepelné prvky, ako sú termistory alebo termálne Vodiče usporiadané v konfigurácii mostíkových obvodov.Jeden prvok je vystavený do cieľového plynu, zatiaľ čo ostatné rozhrania s referenčným plynom.Zmeny Zloženie plynu mení tepelnú vodivosť okolo senzora a ovplyvňuje jeho teplota a odpor.Táto zmena je potom kvantifikovaná obvodom. Tieto zariadenia sú jednoduché, robustné a schopné zistiť veľa plynov, Aj keď ponúkajú menšiu citlivosť a sú náchylné na zmeny v okolitch teplota.

Výhody:

• Rozsah širokého detekcie

• Dobrá pracovná stabilita

• Dlhá životnosť

• Žiadne problémy s starnutím katalyzátora

Nevýhody:

• Zlá presnosť detekcie

• Nízka citlivosť

• náchylné na drift teploty

Analyzátor plynového chromatografu

Obrázok 16: Časti analyzátora schematického plynového chromatografu

Obrázok 17: Skutočný analyzátor plynového chromatografu

Analyzátory plynovej chromatografie rozlišujú a kvantifikovať komponenty plynovej zmesi pomocou rôznych detektorov.Oni pozostáva z injektora, chromatografického kolónu, systému nosného plynu a a Detektor, všetko umiestnené v riadenom nastavení.Zavádzajú sa vzorky plynu cez vstrekovač do stĺpca, kde sú oddelené podľa toho, ako Interagujú s materiálom stĺpca.Oddelené komponenty sú potom detegované a merané detektorom.Tieto analyzátory ponúkajú vysokú presnosť a dokáže analyzovať zložité zmesi, napriek tomu sú nákladné, manipulácia s odborníkmi dopytu, a sú ťažkopádnejšie v porovnaní s inými senzormi plynu.

Výhody:

• Vysoká citlivosť

• Vhodné pre mikro a stopovú analýzu

• Môže analyzovať komplexné viacfázové separačné plyny

Nevýhody:

• Nemôžem dosiahnuť nepretržitý odber vzoriek a analýzu

• vhodnejšie na laboratórnu analýzu ako monitorovanie plynu priemyselného poľa

Senzor plynu na báze kapacity

Obrázok 18: Časti snímačov založené na schránke

Obrázok 19: Sensor založený na kapacite skutočný

Kapacitné senzory identifikujú posuny v kapacita v dôsledku zmien dielektrickej konštanty plynu absorbovaného na povrch senzora.Tieto senzory pozostávajú z kondenzátora, ktorý Zahŕňa dielektrický materiál reaktívny na cieľový plyn, zvyčajne navrhnutý na platforme MEMS na zlepšenie kompaktnosti.Absorpcia molekúl plynu modifikuje dielektrickú konštantu, čo vedie k zmene kapacity, ktorá je potom kvantifikované.Aj keď sú tieto senzory mimoriadne citlivé a ideálne pre detekcia vlhkosti sú náchylné na vplyvy na životné prostredie, ako napríklad teplota.

Výhody:

• Vysoká citlivosť

• Rýchly čas odozvy, vhodný na monitorovanie v reálnom čase

• Nízka spotreba energie

Nevýhody:

• Dlhodobé problémy so stabilitou

• Krížová senzitivita na iné plyny

• Obmedzené rozsahy detekcie

Plynové senzory na báze akustických

Obrázok 20: Schematické diely senzora plynu na báze akustických

Obrázok 21: Akustické plynové senzory skutočné

Akustické senzory fungujú na základe koncept, že zmeny v zložení plynu ovplyvňujú rýchlosť zvuku v rámci zmes.Sú vybavené vysielačom zvukovej vlny a prijímačom, nastavený v komore alebo pozdĺž cesty, kde môže zmes plynu interagovať s zvukové vlny.Variácie v akustických vlastnostiach v dôsledku tejto interakcie sú zaznamenané a analyzované.Tieto senzory ponúkajú neinvazívne monitorovanie a rýchla detekcia zmien, ale môžu čeliť výzvam s presnosťou a Často potrebuje pravidelnú kalibráciu.

Výhody:

• Zistiť agenti nervov a pľuzgierov

• bez batérie, vhodné pre bezdrôtové aplikácie

• Použiteľné v drsných a rotujúcich častiach

Nevýhody:

• ťažko manipulovateľné počas výroby kvôli malej veľkosti

Kalorimetrický plynový senzor

Značka 22: a) Schematické znázornenie štruktúry zariadenia a pracovného princípu a (b) Fotografia kalorimetrického zariadenia TGS.c) Schéma a fotografia meracieho systému pre kalorimetrické zariadenia TGS.

Kalorimetrické senzory detekujú variácie tepla v dôsledku chemických reakcií medzi cieľovým plynom a špecifickým Reagent.Tieto zariadenia sú vybavené reakčnou komorou obsahujúcou a Katalyzátor alebo činidlo, ktoré po reakcii s plynom vytvára teplo.Tak Zvýšenie alebo zníženie teploty sa potom meria pomocou integrovaného Teplotný senzor.Aj keď sú tieto senzory obzvlášť efektívne pre Detekcia určitých plynov má tendenciu vykazovať pomalšie reakčné časy a menej Citlivosť ako iné typy senzorov.

Výhody:

• Rýchly čas odozvy na monitorovanie v reálnom čase

• Jednoduchý dizajn

• Dlhodobá stabilita a spoľahlivosť

• Nízka spotreba energie

Nevýhody:

• Katalyzátory majú obmedzenú životnosť a môžu degradovať

• Pomalšie časy odozvy pre veľmi nízke koncentrácie plynu

Senzor magnetického plynu

Značka 23: Magnetické efekty používané na výrobu zariadenia snímania plynu.a) Hall Effect, b) Kerr Effect.(C) Účinok feromagnetickej rezonancie (FMR). d) magneto-plazmonický efekt.e) magnetický moment alebo efekt spinov.(f) Účinok magnetostatickej spin-vlny (MSW).

Obrázok 24: Magnetický senzor skutočný

Magnetické senzory využívajú magnetický Charakteristiky špecifických plynov, ako je kyslík, na určenie ich koncentrácia.Tieto zariadenia sú vybavené magnetickými materiálmi, ktoré menia ich Magnetické vlastnosti, keď sú vystavené určitým plynom.Tieto zmeny sú zistené Magnetickým poľným senzorom integrovaným do jednotky.Úpravy v Meria sa magnetické vlastnosti spôsobené prítomnosťou cieľového plynu a analyzované.Magnetické senzory ponúkajú vysokú stabilitu a sú do značnej miery nepriepustné rušenie z iných plynov.Môžu však detegovať iba paramagnetické plyny a má tendenciu byť sofistikovanejší a drahší.

Výhody:

• Neinvazívna prevádzka

• Rýchle detekcia a monitorovanie v reálnom čase

• Niektoré typy nevyžadujú externý výkon

Nevýhody:

• zložité a drahé

• Vyžadujte častú kalibráciu

• Môže merať iba plyny so špecifickými magnetickými vlastnosťami

• Neschopné pre externé magnetické polia a zmeny teploty

Komponenty senzora plynu oxidu kovu

Obrázok 25: Schematické komponenty snímača plynu oxidu kovu

Vrstva snímania plynu: Vrstva snímania plynu je jadro senzora, ktoré detekuje zmeny koncentrácie plynu.Pôsobí ako chemiresistor, ktorý sa pri vystavení konkrétnym plynom mení odpor.Zvyčajne vyrobené z oxidu cínu (SNO₂), ktorý má prebytočné elektróny (darcovské prvky), mení rezistenciu v prítomnosti toxických plynov.Táto zmena odporu ovplyvňuje prúdový prietok, ktorý koreluje s koncentráciou plynu, čím sa presná detekcia plynu vytvára vrstva snímania plynu.

Cievka ohrievača: Cievka ohrievača zvyšuje citlivosť a účinnosť vrstvy snímania plynu tým, že ju udržiava pri vysokej teplote.Vyrobené z niklu-chrómu, známeho pre svoj vysoký bod topenia, zostáva stabilný pod konštantným teplom.Toto zahrievanie aktivuje vrstvu snímania plynu, čo jej umožňuje lepšie reagovať na plyny.Cievka ohrievača zaisťuje optimálny výkon senzora tým, že neustále poskytuje tepelnú energiu.

Elektródová linka: Elektródová linka efektívne vysiela malé prúdy z vrstvy snímania plynu.Postavená platina, ocenená pre svoju vodivosť, zaisťuje presný prenos prúdu a meranie.Tento účinný pohyb elektrónov je dobrý pre presnosť senzora v detekcii plynu.

Elektróda: Elektróda spája výstup vrstvy snímania plynu s elektródovým vedením.Vyrobené zo zlata (Au - aurum), vynikajúceho vodiča, zabezpečuje minimálny odpor a účinný prúdový prenos.Toto spojenie je dôležité pre presné merania koncentrácie plynu, čo umožňuje plynulý prenos elektrického signálu z snímacieho prvku na výstupné svorky.

Tubulárna keramika: tubulárna keramika, zvyčajne vyrobená z oxidu hlinitého (al₂o₃), sa nachádza medzi cievkou ohrievača a vrstvou snímania plynu.Jeho vysoký bod topenia podporuje proces vypálenia snímacej vrstvy, udržiava vysokú citlivosť a efektívny výstupný prúd.Tubulárna keramika ponúka štrukturálnu stabilitu a tepelnú izoláciu, chráni vnútorné časti senzora a zvyšuje trvanlivosť a výkon.

Zriedka nad snímajúcim prvkom: Kovová sieťa pokrýva snímací prvok, chráni citlivé komponenty pred prachom a korozívnymi časticami.Táto sieť chráni senzor pred vonkajšími kontaminantmi a udržiava integritu a dlhovekosť vrstvy snímania plynu.Filtrovaním škodlivých častíc zaisťuje, že senzor funguje presne a spoľahlivo po dlhých obdobiach.

Ako fungujú senzory plynu?

Základná technológia

Senzory plynu používajú chemiresistor, ktorý sa zvyčajne vyrába z oxidu cínu (SNO2).SNO2 je polovodič typu n, ktorý má veľa voľných elektrónov, ktoré sú dobré na vedenie elektriny.

Funkcia v čistom vzduchu

V čistom vzduchu sa kyslíkové molekuly z atmosféry pripájajú k povrchu SNO2.Tieto molekuly kyslíka zachytávajú voľné elektróny z SNO2, čím vytvárajú bariéru, ktorá zastaví prúd prúdu.Preto je výstup senzora nula alebo na základnej línii.

Reakcia na toxické alebo horľavé plyny

Ak sú tieto plyny vystavené toxickým alebo horľavým plynom, tieto plyny reagujú s kyslíkom na povrchu SNO2 a uvoľňujú uväznené elektróny.Toto zvýšenie voľných elektrónov zvyšuje vodivosť SNO2.Úroveň tejto zmeny vodivosti zodpovedá koncentrácii plynu.

Ako používať senzor plynu?

Obrázok 26: Modul senzora plynu a 4 terminály

Základný plynný senzor má šesť terminálov: štyri pre vstup/výstup (označený A, A, B, B) a dva na zahrievanie cievky (označené H, H).Vstupné/výstupné terminály sa môžu používať vzájomne zameniteľne.Senzory plynu často prichádzajú ako moduly, ktoré zahŕňajú samotný senzor a porovnávací IC.Tieto moduly majú zvyčajne štyri terminály: VCC (napájací zdroj), GND (zem), digitálny výstup (signál označujúci prítomnosť plynu) a analógový výstup (kontinuálne napätie naznačujúce koncentráciu plynu).

Zvyšujúci sa výstup senzora

Pretože samotný senzor plynu vytvára malý výstup (v milivoltoch), je potrebný externý obvod na premenu tohto výstupu na digitálny signál.Táto konverzia používa komparátor (bežne LM393), nastaviteľný potenciometer a ďalšie odpory a kondenzátory.Porovnávač LM393 preberá výstup senzora, porovnáva ho s referenčným napätím a poskytuje digitálny výstup.Potentiometer nastavuje úroveň koncentrácie plynu, ktorá spúšťa vysoký výkon.

Schéma základného obvodu modulu snímača plynu

Obrázok 27: Schéma základného obvodu plynového senzora v module snímača plynu

Obvod snímača plynu obsahuje vstupné/výstupné svorky (A a B) a terminály ohrievača (H).Cievka ohrievača musí na aktiváciu senzora prijímať dostatočné napätie.Bez tohto vstupného napätia je výstupný prúd zanedbateľný.Po napájaní dokáže snímacia vrstva detekovať plyny.

Žiadny prítomný plyn:

Odolnosť snímacej vrstvy zostáva nezmenená, čo vedie k minimálnemu výstupnému prúdu.

Prítomný plyn:

Vopred ohrievaná cievka uľahčuje detekciu zmenou odporu materiálu a zmenou prúdu pri odporu zaťaženia (RL).

Hodnota RL, zvyčajne medzi 10 kΩ až 47 kΩ, je kalibrovaná na základe požadovanej citlivosti na koncentráciu plynu.Nižšie hodnoty odporu znižujú citlivosť, zatiaľ čo vyššie hodnoty odporu zvyšujú citlivosť.Obvod obsahuje aj op-amp LM393, ktorý prevádza analógový signál na digitálny signál.Na palube 10K Potentiometer umožňuje nastavenie citlivosti modulu senzora.Dva LED diódy poskytujú vizuálne ukazovatele: jeden pre energiu (označovanie dosky je napájané) a jeden na spustenie (naznačuje sa, že bol dosiahnutý prahová hodnota).Oddelenie kondenzátorov znižuje hluk a zabezpečuje stabilné a presné hodnoty snímača.

Najobľúbenejšie senzory plynu

MQ séria polovodičových senzorov plynu, vrátane modelov ako MQ-2, MQ-3, MQ-4, MQ-5, MQ-6, MQ-7, MQ-8, MQ-9, MQ-131, MQ-135, MQ-136, MQ-137, MQ-138, MQ-214, MQ-303A, MQ-306A a MQ-309A, sú v rôznych aplikáciách dobre považované za ich spoľahlivosť a presnosť.Tieto senzory spĺňajú širokú škálu environmentálnych a priemyselných požiadaviek.

Obrázok 28: Tabuľka rôznych typov senzora plynu

MQ-2: Detekuje horľavé plyny a dym.

Predhrievajte senzor 24 hodín.Kalibrácia so známou koncentráciou cieľového plynu, ako je napríklad 1 000 ppm metánu.Nastavte odpor zaťaženia na základe výstupného napätia.

Keď sa vnútorný ohrievač stabilizuje, sledujte pomalé zvýšenie odporu.Pred získaním čítania sa zabezpečte, aby sa senzor úplne zahrial, aby ste sa vyhli nepresnostiam.

MQ-3: Detekcia pary alkoholu, často používaná v dychových vodách.

Zahrejte senzor najmenej 48 hodín pred počiatočným použitím.Kalibrujte s 0,4 mg/l alkoholom vo vzduchu.Upravte odpor s zaťažením tak, aby zodpovedal konkrétnym potrebám aplikácie.

Monitorujte posun citlivosti počas kalibrácie a upravte intervaly na základe stability.Zaznamenajte okolitú teplotu a vlhkosť, pretože ovplyvňujú presnosť.

MQ-4: Detekcia metánu a zemného plynu.

Predhrievajte 24 hodín.Kalibrácia v kontrolovanom prostredí s metánom 5 000 ppm.Podľa toho nastavte odpor s zaťažením.

Dôkladne sledujte čas odozvy.Pomalá reakcia môže naznačovať problémy s ohrievačom alebo stabilitou teploty v prostredí.

MQ-5: LPG, zemný plyn a detekcia plynu z uhlia.

Podobne ako MQ-4, ale kalibrácia pre viacero plynov pomocou špecifických koncentrácií.

Počas kalibrácie udržiavajte stabilné prostredie.Kolísanie teploty môžu spôsobiť významné rozdiely v hodnotách.

MQ-6: Detekuje LPG, bután, izobután a propán.

Predhrievajte a kalibrovať ako pri MQ-5.Zabezpečte správne vetranie, aby ste predišli koncentráciám nebezpečného plynu počas kalibrácie.

Venujte pozornosť času zotavenia senzora po vystavení vysokým koncentráciám plynu.Predĺžená expozícia môže nasýtiť senzor, čo si vyžaduje dlhšiu dobu zotavenia.

MQ-7: Detekcia oxidu uhoľnatého.

Predhrievajte 48 hodín.Kalibrácia v prostredí CO 100 ppm.Nastavte odpor s zaťažením tak, aby zodpovedal požadovanej citlivosti.

Pozorujte správanie pri kolísajúcich teplotách, pretože CO senzory sú citlivé na zmeny teploty.V prípade potreby implementujte kompenzačný algoritmus.

MQ-8: Detekcia vodíkových plynov.

Predhrievajte 24 hodín.Kalibrujte v prostredí vodíka s hmotnosťou 1 000 ppm.Upravte odpor zaťaženia pre optimálny výkon.

Zaistite, že kalibračné prostredie je bez iných plynov a kontaminantov, pretože senzory vodíka sú vysoko citlivé na kontamináciu.

MQ-9: Detekuje oxid uhoľnatý a horľavé plyny.

Predhrievajte 48 hodín.Kalibrujte osobitne pre CO a horľavé plyny pomocou známych koncentrácií.Pre každú detekciu plynu upravte rezistory zaťaženia.

Uistite sa, že kalibrácia pre jeden plyn nezasahuje do citlivosti na druhú.Zamerajte sa na schopnosť detekcie duálneho plynu.

MQ-131: Detekcia ozónu.

Predhrievajte 24 hodín.Kalibrácia v prostredí ozónu 0,1 ppm.Podľa toho upravte odpor zaťaženia.

Pravidelne kontrolujte citlivosť senzora a rekalibrácia, pretože senzory ozónu sa môžu časom degradovať s expozíciou vysokým koncentráciám.

MQ-135: Senzor kvality ovzdušia detektorom NH3, NOx, alkoholu, benzénu, dymu a CO2.

Predhrievajte 24 hodín.Na kalibráciu pre každý konkrétny plyn používajte rôzne regulované plynové prostredia.

Udržiavajte podrobné záznamy o nastaveniach kalibrácie pre každý typ plynu.Pravidelná rekalibrácia je dobrá na udržanie presnosti v dôsledku širokého rozsahu zistiteľných plynov.

MQ-136 až MQ-309A: Každý senzor sa zameriava na špecifické plyny a má podobnú kalibráciu opísanú ako MQ-135.

Predhrievajte 24 hodín a na kalibráciu pre každý konkrétny plyn používajte rôzne kontrolované prostredia plynu.

Pochopte konkrétne citlivosť a krížovú senzitivitu každého senzora.Pravidelná údržba, kalibrácia a kontrola životného prostredia sú kľúčom k optimálnemu výkonu.

Aplikácie senzora plynu

Priemyselná bezpečnosť: V priemyselnom prostredí monitorujú plynové senzory toxické plyny, ako je oxid uhoľnatý, metán a sírovodík.Tieto senzory sú inštalované v oblastiach náchylných na úniky, ako sú chemické závody, výrobné jednotky a skladovacie zariadenia.Pracujú nepretržite a odosielajú údaje v reálnom čase do centrálneho riadiaceho systému.Ak hladiny plynu presahujú SET prahové hodnoty, systém spúšťa alarmy a automatické vypínanie, aby sa zabránilo nebezpečenstvu.Operátori rutinne kalibrovať tieto senzory, vykonávajú kontroly poľa a kalibrácie nulového rozpätia, aby sa zabezpečila presnosť.

Bezpečnosť domácnosti: Doma, plynové senzory detekujú úniky zemného plynu alebo propánu, ktoré zabránia výbuchom alebo otravám.Tieto senzory sú často súčasťou inteligentných domácich systémov, varujú majiteľov domov prostredníctvom smartfónov alebo kontaktujú pohotovostné služby.Zvyčajne sa nainštalujú v kuchyniach, suterénoch alebo v blízkosti plynových spotrebičov.Majitelia domov by mali tieto zariadenia pravidelne testovať a podľa potreby vymieňať batérie, aby boli funkčné.

Ropný a plynárenský priemysel: Na ropných plošinách monitorujú plynové senzory prchavé organické zlúčeniny (VOC) a ďalšie nebezpečné plyny.Tieto senzory sú postavené tak, aby odolali tvrdým pobrežným podmienkam, ako sú extrémne teploty a vlhkosť.Sú súčasťou väčšieho bezpečnostného systému, ktorý zahŕňa ovládacie prvky ventilácie a mechanizmy núdzového vypínania.Denné inšpekcie zabezpečujú, že senzory sú bez kontaminantov a správne fungujú, s úpravami na mieste vykonané pomocou prenosných kalibračných zariadení.

Pohostinský priemysel: V hoteloch plynové senzory presadzujú politiky bez fajčenia detekciou cigaretového dymu a spustením ventilačných systémov alebo alarmov.Tieto senzory diskrétne nainštalované v izbách a spoločných priestoroch pomáhajú riadeniu hotela okamžite riešiť porušenia a udržiavať prostredie bez dymu.Pravidelná údržba kontroluje čisté senzory a overte ich citlivosť na dymové častice.

Kancelárske prostredie: V kancelárskych budovách sledujú plynové senzory kvalitu vzduchu v interiéri a zameriavajú sa na znečisťujúce látky, ako sú oxid uhličitý, VOC a tuhé častice.Tieto senzory integrované so systémami HVAC regulujú prietok vzduchu, aby sa zabezpečilo zdravý pracovný priestor.Manažéri zariadení analyzujú údaje o senzoroch na optimalizáciu ventilácie a znižujú náklady na energiu pri zachovaní kvality ovzdušia.Periodická kalibrácia a aktualizácie softvéru sa vykonávajú na zlepšenie výkonu senzora.

Klimatizačné systémy: Senzory plynu v klimatizačných zariadeniach spravujú hladiny CO2 a zlepšujú kvalitu vzduchu v interiéri.Súčasťou automatizovaného systému upravuje mieru ventilácie na základe koncentrácií CO2 v reálnom čase.Technici kontrolujú funkčnosť senzora počas rutinnej údržby, aby sa zabezpečilo presné hodnoty a optimálnu kvalitu ovzdušia.

Systémy detekcie požiaru: Senzory plynu v systémoch detekcie požiaru identifikujú včasný oxid uhoľnatý, ako je oxid uhoľnatý.Poskytujú varovania, ktoré umožňujú včasné opatrenia evakuácie a kontroly požiaru.Personál požiarnej bezpečnosti pravidelne testuje tieto systémy simuláciou podmienok dymu, aby sa zabezpečila reakcia a spoľahlivosť senzora.

Ťažobné operácie: V ťažbe plynové senzory detekujú nebezpečné plyny, ako je metán a oxid uhoľnatý, pre bezpečnosť pracovníkov.Tieto senzory sú súčasťou sieťového bezpečnostného systému, ktorý poskytuje nepretržité monitorovanie a automatické úpravy ventilácie.Baníci tiež nesú prenosné detektory plynu ako ďalšie bezpečnostné opatrenie.Pravidelné školenie o využívaní senzora a postupov reakcie na núdzové situácie zaisťuje pripravenosť.

Analyzátory dychu: Senzory plynu v analyzátoroch dychu merajú obsah alkoholu v krvi (BAC) detekciou etanolu v dychu.Tieto zariadenia, ktoré používajú orgány činné v trestnom konaní a jednotlivci na monitorovanie, si vyžadujú kalibráciu so známymi etanolovými normami na udržanie presnosti.Používatelia sa riadia prísnymi protokolmi, ako je napríklad zabezpečenie správnej teploty a vyhýbanie sa kontaminácii, aby sa zabezpečili spoľahlivé výsledky.

Záver

Ako technológia postupuje, senzory plynu sa stávajú výkonnejšie a široké, zvyšujú ich výkon a zvyšujú ich v mnohých oblastiach vrátane priemyselnej bezpečnosti a bezpečnosti domácností.Pochopenie toho, ako senzory plynu fungujú a ako ich udržiavať, zdôrazňuje ich technický význam a významný prínos k ochrane životov a zlepšeniu kvality nášho okolia.Či už v továrňach, domoch alebo verejných priestoroch, senzory plynu sú kľúčom k bezpečnejšej a zdravšej budúcnosti.Ako technológia postupuje, senzory plynu sa stávajú vopred a dobre rozvinuté, zvyšujú ich výkon a robia ich nevyhnutné v mnohých oblastiach vrátane priemyselnej bezpečnosti a bezpečnosti domácností.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Čo sú senzory plynu?

Senzor plynu je zariadenie, ktoré detekuje prítomnosť a koncentráciu plynov vo vzduchu.Premieňa chemické informácie z plynu na elektronický signál, ktorý je možné merať a analyzovať.

2. Aký je účel senzora plynu?

Primárnym účelom senzora plynu je monitorovať a detegovať úniky plynu alebo prítomnosť nebezpečných plynov.Pomáha zaistiť bezpečnosť tým, že poskytuje včasné varovania pred nebezpečnými hladinami plynu, predchádzaním nehodám a zabezpečením dodržiavania bezpečnostných predpisov.

3. Aké sú výhody senzora plynu?

Senzory plynu sú zariadenia, ktoré detekujú a merajú koncentrácie plynu vo vzduchu, čím sa zabezpečujú bezpečnosť poskytovaním včasných varovaní pred nebezpečnými plynmi.Sú presné, ponúkajú presné merania a zlepšujú bezpečnosť v rôznych prostrediach prostredníctvom včasnej detekcie.Senzory plynu môžu byť integrované do automatizovaných systémov na nepretržité monitorovanie, znižujú potrebu manuálnych inšpekcií a znižujú náklady na pracovnú silu.Ich všestrannosť im umožňuje zistiť širokú škálu plynov, vďaka čomu sú vhodné pre mnohé aplikácie, od priemyselných závodov a monitorovania životného prostredia až po obytné bezpečnosti a lekárske prostredie.Príkladom je senzor oxidu uhoľnatého v domácnostiach, ktorý upozorňuje cestujúcich na nebezpečné hladiny Co plyn.

4. Kde sa používajú senzory plynu?

Plynové senzory sa široko používajú v rôznych odvetviach a prostrediach vrátane monitorovacích plynov vo výrobných závodoch, rafinériách a chemických závodoch, aby sa zabezpečila priemyselná bezpečnosť.Meranie kvality ovzdušia a zisťovanie úrovne znečistenia na ochranu životného prostredia.Detekcia oxidu uhoľnatého a úniku zemného plynu v domácnostiach pre bezpečnosť obytnej bezpečnosti.Monitorovanie dýchacích plynov v zdravotníctve.A zisťovanie emisií plynu vo vozidlách s cieľom zabezpečiť dodržiavanie environmentálnych noriem.

5. Čo je príkladom plynového senzora?

Bežným príkladom plynového senzora je senzor oxidu uhoľnatého (CO) používaný v domácnostiach.Tento senzor detekuje plyn CO, ktorý je bezfarebný a bez zápachu, a poskytuje poplach, keď sú prítomné nebezpečné úrovne, aby sa zabránilo otravám.

6. Ako pracovať na senzore plynu?

Senzor plynu funguje tak, že je vystavený cieľovému plynu, ktorý interaguje s detekčným materiálom senzora, čo spôsobuje chemickú reakciu, ktorá mení vlastnosti senzora.Táto zmena sa prevedie na elektronický signál, ktorý sa potom spracuje a meria tak, aby poskytoval čitateľný výstup, ako napríklad číselnú hodnotu alebo alarm.Napríklad senzor oxidu uhoľnatého v dome nepretržite monitoruje vzduch.Ak sa zistí plyn Co, reaguje so senzorom a vytvára elektronický signál, ktorý spustí poplach, ak sú úrovne CO príliš vysoké, varuje vás pred nebezpečenstvom.