Z naglim razvojem tehnologij, kot sta internet stvari in umetna inteligenca, plinski senzorji, pomembne zaznavne naprave, znane kot »električnih pet čutov«, sprejemajo izjemne razvojne priložnosti. Od začetnega spremljanja industrijskih strupenih in škodljivih plinov do široke uporabe v medicinski diagnostiki, pametnih domovih, spremljanju okolja in drugih področjih danes tehnologija plinskih senzorjev doživlja globoko preobrazbo od ene same funkcije do inteligence, miniaturizacije in večdimenzionalnosti. Ta članek bo celovito analiziral tehnične značilnosti, najnovejši raziskovalni napredek in globalno stanje uporabe plinskih senzorjev, s posebnim poudarkom na razvojnih trendih na področju spremljanja plinov v državah, kot sta Kitajska in Združene države Amerike.
Tehnične značilnosti in razvojni trendi plinskih senzorjev
Kot pretvornik, ki pretvori volumski delež določenega plina v ustrezen električni signal, je plinski senzor postal nepogrešljiva in pomembna komponenta sodobne tehnologije zaznavanja. Ta vrsta opreme obdeluje vzorce plina z detekcijskimi glavami, kar običajno vključuje korake, kot so filtriranje nečistoč in motečih plinov, sušenje ali hlajenje, in končno pretvorba informacij o koncentraciji plina v merljive električne signale. Trenutno so na trgu različne vrste plinskih senzorjev, vključno s polprevodniškimi, elektrokemičnimi, katalitskimi, infrardečimi plinskimi senzorji in fotoionizacijskimi (PID) plinskimi senzorji itd. Vsak od njih ima svoje značilnosti in se pogosto uporablja na področju civilnega, industrijskega in okoljskega testiranja.
Stabilnost in občutljivost sta dva ključna kazalnika za ocenjevanje delovanja plinskih senzorjev. Stabilnost se nanaša na ohranitev osnovnega odziva senzorja skozi celoten čas njegovega delovanja, ki je odvisen od ničelnega premika in intervalnega premika. V idealnem primeru bi moral biti letni ničelni premik visokokakovostnih senzorjev v neprekinjenih delovnih pogojih manjši od 10 %. Občutljivost se nanaša na razmerje med spremembo izhodnega signala senzorja in spremembo izmerjenega vhodnega signala. Občutljivost različnih vrst senzorjev se znatno razlikuje, predvsem glede na tehnična načela in izbiro materiala, ki jih uporabljajo. Poleg tega sta pomembna parametra za ocenjevanje delovanja plinskih senzorjev tudi selektivnost (tj. navzkrižna občutljivost) in odpornost proti koroziji. Prva določa sposobnost senzorja za zaznavanje v okolju mešanih plinov, slednja pa je povezana s toleranco senzorja v ciljnih plinih z visoko koncentracijo.
Trenutni razvoj tehnologije plinskih senzorjev kaže več očitnih trendov. Najprej se raziskave in razvoj novih materialov in novih postopkov še naprej poglabljajo. Tradicionalni kovinsko-oksidni polprevodniški materiali, kot so ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ itd., so postali zreli. Raziskovalci dopirajo, modificirajo in površinsko modificirajo obstoječe plinsko občutljive materiale s kemičnimi metodami modifikacije ter hkrati izboljšujejo postopek tvorbe filma, da bi povečali stabilnost in selektivnost senzorjev. Hkrati se aktivno razvijajo tudi novi materiali, kot so kompozitni in hibridni polprevodniški plinsko občutljivi materiali ter polimerni plinsko občutljivi materiali. Ti materiali kažejo večjo občutljivost, selektivnost in stabilnost na različne pline.
Inteligenca senzorjev je še ena pomembna razvojna smer. Z uspešno uporabo novih materialnih tehnologij, kot sta nanotehnologija in tehnologija tankih filmov, postajajo plinski senzorji bolj integrirani in inteligentni. Z uporabo multidisciplinarnih integriranih tehnologij, kot so mikromehanska in mikroelektronska tehnologija, računalniška tehnologija, tehnologija obdelave signalov, senzorska tehnologija in tehnologija diagnosticiranja napak, raziskovalci razvijajo popolnoma avtomatske digitalne inteligentne plinske senzorje, ki lahko hkrati spremljajo več plinov. Tipičen predstavnik tega trenda je multivariabilni senzor tipa kemične odpornosti in potenciala, ki ga je nedavno razvila raziskovalna skupina izrednega profesorja Yi Jianxina iz Državnega ključnega laboratorija za požarno znanost na Univerzi za znanost in tehnologijo Kitajske. Ta senzor omogoča tridimenzionalno zaznavanje in natančno identifikacijo več plinov in značilnosti požara z eno samo napravo 59.
Vse več pozornosti je namenjena tudi optimizaciji nizov in algoritmov. Zaradi problema širokega spektra odziva enega samega plinskega senzorja je ta nagnjen k motnjam, če hkrati obstaja več plinov. Uporaba več plinskih senzorjev za oblikovanje niza je postala učinkovita rešitev za izboljšanje sposobnosti prepoznavanja. Z večanjem dimenzij zaznanega plina lahko senzorski niz pridobi več signalov, kar omogoča ocenjevanje več parametrov in izboljšanje sposobnosti presoje in prepoznavanja. Vendar pa se s povečanjem števila senzorjev v nizu povečuje tudi kompleksnost obdelave podatkov. Zato je optimizacija senzorskega niza še posebej pomembna. Pri optimizaciji nizov se pogosto uporabljajo metode, kot sta korelacijski koeficient in analiza grozdov, medtem ko so algoritmi za prepoznavanje plinov, kot sta analiza glavnih komponent (PCA) in umetna nevronska mreža (ANN), močno izboljšali sposobnost senzorjev za prepoznavanje vzorcev.
Tabela: Primerjava zmogljivosti glavnih vrst plinskih senzorjev
Vrsta senzorja, načelo delovanja, prednosti in slabosti, tipična življenjska doba
Adsorpcija plinov polprevodniškega tipa ima nizke stroške pri spreminjanju upornosti polprevodnikov, hiter odziv, slabo selektivnost in je močno odvisna od temperature in vlažnosti 2-3 leta.
Elektrokemični plin podvrže REDOX reakcijam, da ustvari tok, ki ima dobro selektivnost in visoko občutljivost. Vendar pa ima elektrolit omejeno obrabo in življenjsko dobo 1-2 leti (za tekoči elektrolit).
Katalitično zgorevanje gorljivega plina povzroča temperaturne spremembe. Zasnovan je posebej za zaznavanje gorljivega plina in je uporaben le za gorljivi plin približno tri leta.
Infrardeči plini imajo visoko natančnost pri absorpciji infrardeče svetlobe določenih valovnih dolžin, ne povzročajo zastrupitve, vendar so dragi in imajo relativno veliko količino za 5 do 10 let.
Fotoionizacijska (PID) ultravijolična fotoionizacija za zaznavanje molekul plina HOS ima visoko občutljivost in ne more razlikovati vrst spojin 3 do 5 let.
Omeniti velja, da se tehnologija plinskih senzorjev kljub precejšnjemu napredku še vedno sooča z nekaterimi pogostimi izzivi. Življenjska doba senzorjev omejuje njihovo uporabo na določenih področjih. Na primer, življenjska doba polprevodniških senzorjev je približno 2 do 3 leta, elektrokemijskih plinskih senzorjev približno 1 do 2 leti zaradi izgube elektrolita, medtem ko lahko življenjska doba elektrokemijskih senzorjev s trdnimi elektroliti doseže 5 let. Poleg tega sta pomembna dejavnika, ki omejujeta široko uporabo plinskih senzorjev, tudi težave z odnašanjem (spremembe odziva senzorja skozi čas) in težave z doslednostjo (razlike v delovanju med senzorji v isti seriji). V odgovor na ta vprašanja so raziskovalci na eni strani zavezani izboljšanju plinsko občutljivih materialov in proizvodnih procesov, na drugi strani pa kompenzirajo ali zmanjšujejo vpliv odnašanja senzorjev na rezultate meritev z razvojem naprednih algoritmov za obdelavo podatkov.
Raznoliki scenariji uporabe plinskih senzorjev
Tehnologija plinskih senzorjev je prodrla v vse vidike družbenega življenja. Njeni scenariji uporabe so že zdavnaj presegli tradicionalno področje spremljanja industrijske varnosti in se hitro širijo na številna področja, kot so zdravstvo, spremljanje okolja, pametni dom in varnost hrane. Ta trend raznolikih aplikacij ne odraža le možnosti, ki jih prinaša tehnološki napredek, temveč tudi uteleša naraščajoče družbeno povpraševanje po zaznavanju plinov.
Industrijska varnost in spremljanje nevarnih plinov
Na področju industrijske varnosti imajo plinski senzorji nenadomestljivo vlogo, zlasti v panogah z visokim tveganjem, kot so kemijsko inženirstvo, nafta in rudarstvo. Kitajski »14. petletni načrt za varno proizvodnjo nevarnih kemikalij« jasno zahteva, da kemijski industrijski parki vzpostavijo celovit sistem spremljanja in zgodnjega opozarjanja na strupene in škodljive pline ter spodbujajo gradnjo inteligentnih platform za nadzor tveganj. »Akcijski načrt za industrijski internet in varnost pri delu« prav tako spodbuja parke k uvedbi senzorjev interneta stvari in platform za analizo z umetno inteligenco, da bi dosegli spremljanje v realnem času in usklajen odziv na tveganja, kot je uhajanje plina. Te politične usmeritve so močno spodbudile uporabo plinskih senzorjev na področju industrijske varnosti.
Sodobni sistemi za spremljanje industrijskih plinov so razvili različne tehnične poti. Tehnologija slikanja plinskega oblaka vizualizira uhajanje plina tako, da vizualno predstavi plinske mase kot spremembe v sivih odtenkih slikovnih pik na sliki. Njena sposobnost zaznavanja je povezana z dejavniki, kot so koncentracija in prostornina uhajajočega plina, razlika v temperaturi ozadja in razdalja spremljanja. Tehnologija infrardeče spektroskopije s Fourierjevo transformacijo lahko kvalitativno in delno kvantitativno spremlja več kot 500 vrst plinov, vključno z anorganskimi, organskimi, strupenimi in škodljivimi, ter hkrati skenira 30 vrst plinov. Primerna je za kompleksne zahteve glede spremljanja plinov v kemijskih industrijskih parkih. Te napredne tehnologije v kombinaciji s tradicionalnimi plinskimi senzorji tvorijo večnivojsko omrežje za spremljanje varnosti industrijskih plinov.
Na specifični ravni izvedbe morajo industrijski sistemi za spremljanje plinov izpolnjevati vrsto nacionalnih in mednarodnih standardov. Kitajski »Standard za načrtovanje za odkrivanje in alarmiranje vnetljivih in strupenih plinov v petrokemični industriji« GB 50493-2019 in »Splošna tehnična specifikacija za varnostno spremljanje glavnih virov nevarnosti nevarnih kemikalij« AQ 3035-2010 določata tehnične specifikacije za spremljanje industrijskih plinov 26. Na mednarodni ravni je OSHA (Uprava za varnost in zdravje pri delu Združenih držav) razvila vrsto standardov za odkrivanje plinov, ki zahtevajo odkrivanje plinov pred delovanjem v zaprtih prostorih in zagotavljajo, da je koncentracija škodljivih plinov v zraku pod varno ravnjo 610. Standardi NFPA (Nacionalnega združenja za protipožarno zaščito Združenih držav), kot sta NFPA 72 in NFPA 54, določajo posebne zahteve za odkrivanje vnetljivih plinov in strupenih plinov 610.
Zdravstveno zdravje in diagnosticiranje bolezni
Medicinsko in zdravstveno področje postaja eden najbolj obetavnih trgov za uporabo plinskih senzorjev. Izdihani plin človeškega telesa vsebuje veliko število biomarkerjev, povezanih z zdravstvenimi stanji. Z odkrivanjem teh biomarkerjev je mogoče doseči zgodnje presejanje in stalno spremljanje bolezni. Ročna naprava za zaznavanje acetona v dihanju, ki jo je razvila ekipa dr. Wang Dija iz raziskovalnega centra za super zaznavanje laboratorija Zhejiang, je tipičen predstavnik te uporabe. Ta naprava uporablja kolorimetrično tehnologijo za merjenje vsebnosti acetona v izdihanem zraku človeka z zaznavanjem spremembe barve materialov, občutljivih na plin, s čimer doseže hitro in neboleče odkrivanje sladkorne bolezni tipa 1.
Ko je raven inzulina v človeškem telesu nizka, ne more pretvoriti glukoze v energijo in namesto tega razgrajuje maščobe. Kot eden od stranskih produktov razgradnje maščob se iz telesa z dihanjem izloči aceton. Dr. Wang Di je pojasnil 1. V primerjavi s tradicionalnimi krvnimi preiskavami ta metoda testa dihanja ponuja boljšo diagnostično in terapevtsko izkušnjo. Poleg tega ekipa razvija senzor acetona z "dnevnim sproščanjem". Ta cenovno ugodna nosljiva naprava lahko samodejno meri plin aceton, ki ga koža sprošča 24 ur na dan. V prihodnosti lahko v kombinaciji s tehnologijo umetne inteligence pomaga pri diagnosticiranju, spremljanju in usmerjanju zdravil za sladkorno bolezen.
Poleg sladkorne bolezni imajo plinski senzorji velik potencial tudi pri obvladovanju kroničnih bolezni in spremljanju bolezni dihal. Krivulja koncentracije ogljikovega dioksida je pomembna osnova za presojo stanja pljučne ventilacije bolnikov, medtem ko krivulje koncentracije nekaterih plinskih markerjev odražajo trend razvoja kroničnih bolezni. Tradicionalno je interpretacija teh podatkov zahtevala sodelovanje medicinskega osebja. Vendar pa z opolnomočenjem tehnologije umetne inteligence inteligentni plinski senzorji ne morejo le zaznati plinov in narisati krivulj, temveč tudi določiti stopnjo razvoja bolezni, kar močno zmanjša pritisk na medicinsko osebje.
Na področju nosljivih zdravstvenih naprav je uporaba plinskih senzorjev še v zgodnji fazi, vendar so možnosti široke. Raziskovalci iz podjetja Zhuhai Gree Electric Appliances so poudarili, da se gospodinjski aparati sicer razlikujejo od medicinskih naprav s funkcijami diagnosticiranja bolezni, vendar imajo na področju vsakodnevnega spremljanja zdravja doma plinski senzorji prednosti, kot so nizki stroški, neinvazivnost in miniaturizacija, zato se pričakuje, da se bodo vse pogosteje pojavljali v gospodinjskih aparatih, kot so aparati za ustno nego in pametna stranišča, kot pomožne rešitve za spremljanje in spremljanje v realnem času. Z naraščajočim povpraševanjem po zdravju doma bo spremljanje zdravja ljudi prek gospodinjskih aparatov postalo pomembna smer za razvoj pametnih domov.
Spremljanje okolja ter preprečevanje in nadzor onesnaževanja
Spremljanje okolja je eno od področij, kjer se plinski senzorji najpogosteje uporabljajo. Ker se globalni poudarek na varstvu okolja še naprej povečuje, se iz dneva v dan povečuje tudi povpraševanje po spremljanju različnih onesnaževal v ozračju. Plinski senzorji lahko zaznajo škodljive pline, kot so ogljikov monoksid, žveplov dioksid in ozon, kar zagotavlja učinkovito orodje za spremljanje kakovosti zraka v okolju.
Elektrokemični plinski senzor UGT-E4 podjetja British Gas Shield Company je reprezentativen izdelek na področju okoljskega spremljanja. Natančno lahko izmeri vsebnost onesnaževal v ozračju in zagotovi pravočasno in natančno podatkovno podporo oddelkom za varstvo okolja. Ta senzor je s pomočjo integracije s sodobno informacijsko tehnologijo dosegel funkcije, kot so daljinsko spremljanje, nalaganje podatkov in inteligentni alarm, kar znatno izboljša učinkovitost in udobje zaznavanja plina. Uporabniki lahko kadar koli in kjer koli preprosto prek svojih mobilnih telefonov ali računalnikov spremljajo spremembe koncentracije plina, kar zagotavlja znanstveno podlago za okoljsko upravljanje in oblikovanje politik.
Pri spremljanju kakovosti zraka v zaprtih prostorih imajo pomembno vlogo tudi plinski senzorji. Standard EN 45544, ki ga je izdal Evropski odbor za standardizacijo (EN), je posebej namenjen testiranju kakovosti zraka v zaprtih prostorih in zajema zahteve glede testiranja različnih škodljivih plinov 610. Običajni senzorji ogljikovega dioksida, formaldehida itd., ki so na trgu, se pogosto uporabljajo v stanovanjskih objektih, poslovnih stavbah in javnih zabaviščnih prostorih ter ljudem pomagajo ustvariti bolj zdravo in udobnejše notranje okolje. Zlasti med pandemijo COVID-19 sta prezračevanje in kakovost zraka v zaprtih prostorih deležna izjemne pozornosti, kar je dodatno spodbudilo razvoj in uporabo sorodnih senzorskih tehnologij.
Spremljanje emisij ogljika je nova smer uporabe plinskih senzorjev. Glede na globalno ogljično nevtralnost je natančno spremljanje toplogrednih plinov, kot je ogljikov dioksid, postalo še posebej pomembno. Infrardeči senzorji ogljikovega dioksida imajo na tem področju edinstvene prednosti zaradi visoke natančnosti, dobre selektivnosti in dolge življenjske dobe. »Smernice za gradnjo inteligentnih platform za nadzor varnostnih tveganj v kemijsko-industrijskih parkih« na Kitajskem so spremljanje vnetljivih/strupenih plinov in analizo sledenja virov uhajanja navedle kot obvezno gradbeno vsebino, kar odraža poudarek na ravni politike na vlogi spremljanja plinov na področju varstva okolja.
Pametni dom in varnost hrane
Pametni dom je najbolj obetaven trg potrošniških aplikacij za plinske senzorje. Trenutno se plinski senzorji uporabljajo predvsem v gospodinjskih aparatih, kot so čistilniki zraka in klimatske naprave. Vendar pa se z uvedbo senzorskih nizov in inteligentnih algoritmov postopoma izkorišča njihov potencial uporabe v scenarijih, kot so konzerviranje, kuhanje in spremljanje zdravja.
Kar zadeva ohranjanje hrane, lahko senzorji plina spremljajo neprijetne vonjave, ki jih hrana sprošča med shranjevanjem, da bi ugotovili njeno svežino. Nedavni rezultati raziskav kažejo, da so bili doseženi dobri rezultati ne glede na to, ali se za spremljanje koncentracije vonja uporablja en sam senzor ali pa se za določanje svežine hrane uporabi niz senzorjev plina v kombinaciji z metodami prepoznavanja vzorcev. Vendar pa je zaradi kompleksnosti dejanskih scenarijev uporabe hladilnika (kot so motnje uporabnikov pri odpiranju in zapiranju vrat, zagonu in zaustavitvi kompresorjev ter notranjem kroženju zraka itd.) in medsebojnega vpliva različnih hlapnih plinov iz sestavin hrane še vedno mogoče izboljšati natančnost določanja svežine hrane.
Kuhanje je še en pomemben scenarij za plinske senzorje. Med kuhanjem nastane na stotine plinastih spojin, vključno z delci, alkani, aromatskimi spojinami, aldehidi, ketoni, alkoholi, alkeni in drugimi hlapnimi organskimi spojinami. V tako kompleksnem okolju imajo nizi plinskih senzorjev več očitnih prednosti kot posamezni senzorji. Študije kažejo, da se lahko nizi plinskih senzorjev uporabljajo za določanje stanja kuhanja hrane na podlagi osebnega okusa ali kot pomožno orodje za spremljanje prehrane za redno poročanje uporabnikom o kuhalnih navadah. Vendar pa lahko dejavniki kuhalnega okolja, kot so visoka temperatura, kuhalni hlapi in vodna para, zlahka povzročijo "zastrupitev" senzorja, kar je tehnična težava, ki jo je treba rešiti.
Na področju varnosti hrane je raziskava Wang Dijeve ekipe pokazala potencialno uporabno vrednost plinskih senzorjev. Njihov cilj je »hkrati identificirati na ducate plinov z majhnim vtičnikom za mobilni telefon« in so zavezani k temu, da bodo informacije o varnosti hrane zlahka dostopne. Ta visoko integrirana vohalna naprava lahko zazna hlapne sestavine v hrani, določi svežino in varnost hrane ter potrošnikom zagotovi reference v realnem času.
Tabela: Glavni objekti zaznavanja in tehnične značilnosti plinskih senzorjev na različnih področjih uporabe
Področja uporabe, glavni objekti zaznavanja, pogosto uporabljene vrste senzorjev, tehnični izzivi, razvojni trendi
Industrijska varnost gorljivih plinov, strupenih plinov s katalitičnim zgorevanjem, elektrokemijskih plinov, toleranca za zahtevna okolja, sinhrono spremljanje več plinov, sledenje virov puščanja
Medicinski in zdravstveni aceton, CO₂, HOS polprevodniški tip, kolorimetrični tip selektivnosti in občutljivosti, nosljiva in inteligentna diagnostika
Dolgoročna vzpostavitev stabilnega omrežja in prenos podatkov v realnem času za okoljsko spremljanje onesnaževal zraka in toplogrednih plinov v infrardeči in elektrokemični obliki
Pametni domači hlapni plin za hrano, polprevodniški tip za kuhanje dima, PID zmožnost preprečevanja motenj
Prosimo, obrnite se na podjetje Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Spletna stran podjetja:www.hondetechco.com
Tel.: +86-15210548582
Čas objave: 11. junij 2025