Со брзиот развој на технологии како што се Интернетот на нештата и вештачката интелигенција, сензорите за гас, важен сензорски уред познат како „пет електрични сетила“, прифаќаат невидени можности за развој. Од почетното следење на индустриските токсични и штетни гасови до неговата широка примена во медицинската дијагностика, паметниот дом, мониторингот на животната средина и други области денес, технологијата на сензори за гас е во процес на длабока трансформација од единствена функција до интелигенција, минијатуризација и мултидимензионалност. Оваа статија сеопфатно ќе ги анализира техничките карактеристики, најновиот напредок во истражувањето и глобалниот статус на примена на сензорите за гас, со посебно внимание на трендовите на развој во областа на мониторингот на гас во земји како Кина и САД.
Технички карактеристики и трендови во развојот на сензорите за гас
Како конвертор што го претвора волуменскиот удел на специфичен гас во соодветен електричен сигнал, сензорот за гас стана неопходна и важна компонента во модерната технологија за мерење. Овој тип на опрема ги обработува примероците од гас преку глави за детекција, обично вклучувајќи чекори како што се филтрирање на нечистотии и мешачки гасови, сушење или третман со ладење, и на крајот конвертирање на информациите за концентрацијата на гас во мерливи електрични сигнали. Во моментов, на пазарот постојат различни видови сензори за гас, вклучувајќи полупроводнички тип, електрохемиски тип, каталитички тип на согорување, инфрацрвени сензори за гас и фотојонизациски (PID) сензори за гас, итн. Секој од нив има свои карактеристики и е широко користен во цивилни, индустриски и еколошки полиња за тестирање.
Стабилноста и чувствителноста се двата основни индикатори за оценување на перформансите на сензорите за гас. Стабилноста се однесува на перзистентноста на основниот одговор на сензорот во текот на целото негово работно време, што зависи од нултото поместување и интервалното поместување. Идеално, за висококвалитетни сензори во услови на континуирана работа, годишното нулто поместување треба да биде помало од 10%. Чувствителноста се однесува на односот на промената на излезот на сензорот кон промената на измерениот влез. Чувствителноста на различните типови сензори значително варира, главно во зависност од техничките принципи и изборот на материјал што го усвојуваат. Покрај тоа, селективноста (т.е. вкрстената чувствителност) и отпорноста на корозија се исто така важни параметри за оценување на перформансите на сензорите за гас. Првиот ја одредува способноста за препознавање на сензорот во средина со мешан гас, додека вториот е поврзан со толеранцијата на сензорот во целни гасови со висока концентрација.
Тековниот развој на технологијата на сензори за гас претставува неколку очигледни трендови. Прво на сите, истражувањето и развојот на нови материјали и нови процеси продолжија да се продлабочуваат. Традиционалните полупроводнички материјали од метален оксид како што се ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ итн. станаа зрели. Истражувачите ги допираат, модифицираат и површинските модифицираат постојните материјали чувствителни на гас преку методи на хемиска модификација, а во исто време го подобруваат и процесот на формирање филм за да ја зголемат стабилноста и селективноста на сензорите. Во меѓувреме, активно се развива и развојот на нови материјали како што се композитни и хибридни полупроводнички материјали чувствителни на гас и полимерни материјали чувствителни на гас. Овие материјали покажуваат поголема чувствителност, селективност и стабилност на различни гасови.
Интелигенцијата на сензорите е уште една важна насока на развој. Со успешната примена на нови материјали технологии како што се нанотехнологијата и технологијата со тенок филм, сензорите за гас стануваат се поинтегрирани и поинтелигентни. Со целосно искористување на мултидисциплинарни интегрирани технологии како што се микромеханичката и микроелектронската технологија, компјутерската технологија, технологијата за обработка на сигнали, сензорската технологија и технологијата за дијагностицирање на грешки, истражувачите развиваат целосно автоматски дигитални интелигентни сензори за гас способни истовремено да следат повеќе гасови. Мултиваријабилен сензор од типот на хемиски отпорен потенцијал, неодамна развиен од истражувачката група на вонредниот професор Ји Џианксин од Државната клучна лабораторија за пожарникарство на Универзитетот за наука и технологија на Кина, е типичен претставник на овој тренд. Овој сензор реализира тродимензионално откривање и точна идентификација на повеќе гасови и карактеристики на пожарот со еден уред 59.
Се поголемо внимание добиваат и низите и оптимизацијата на алгоритмите. Поради проблемот со широк спектар на одговор на еден сензор за гас, тој е склонен кон пречки кога истовремено постојат повеќе гасови. Користењето на повеќе сензори за гас за формирање низа стана ефикасно решение за подобрување на способноста за препознавање. Со зголемување на димензиите на детектираниот гас, низата на сензори може да добие повеќе сигнали, што е погодно за оценување на повеќе параметри и подобрување на способноста за проценка и препознавање. Меѓутоа, како што се зголемува бројот на сензори во низата, се зголемува и комплексноста на обработката на податоци. Затоа, оптимизацијата на низата на сензори е особено важна. Во оптимизацијата на низата, методи како што се коефициентот на корелација и анализата на кластери се широко усвоени, додека алгоритмите за препознавање гасови како што се анализата на главни компоненти (PCA) и вештачката невронска мрежа (ANN) значително ја подобрија способноста за препознавање на шаблони на сензорите.
Табела: Споредба на перформансите на главните типови на сензори за гас
Тип на сензор, принцип на работа, предности и недостатоци, типичен животен век
Адсорпцијата на гас од полупроводнички тип има ниска цена при промена на отпорноста на полупроводниците, брз одговор, слаба селективност и е во голема мера под влијание на температурата и влажноста во текот на 2-3 години.
Електрохемискиот гас подлежи на REDOX реакции за да генерира струја, која има добра селективност и висока чувствителност. Сепак, електролитот има ограничено абење и животен век од 1-2 години (за течен електролит).
Каталитичкото согорување на запалив гас предизвикува промени во температурата. Специјално е дизајнирано за детекција на запалив гас и е применливо само за запалив гас приближно три години.
Инфрацрвените гасови имаат висока точност во апсорбирањето на инфрацрвена светлина со специфични бранови должини, не предизвикуваат труење, но имаат висока цена и релативно голем волумен во траење од 5 до 10 години.
Фотојонизацијата (PID) со ултравиолетова фотојонизација за детекција на гасни молекули на VOC има висока чувствителност и не може да ги разликува видовите соединенија во период од 3 до 5 години.
Вреди да се напомене дека иако технологијата на сензори за гас постигна значителен напредок, таа сè уште се соочува со некои вообичаени предизвици. Животниот век на сензорите ја ограничува нивната примена во одредени области. На пример, животниот век на полупроводничките сензори е приближно 2 до 3 години, оној на електрохемиските сензори за гас е околу 1 до 2 години поради губење на електролити, додека оној на електрохемиските сензори за цврсти електролити може да достигне 5 години. Покрај тоа, проблемите со дрифтот (промени во одговорот на сензорот со текот на времето) и проблемите со конзистентноста (разлики во перформансите меѓу сензорите во истата серија) се исто така важни фактори што ја ограничуваат широката примена на сензорите за гас. Како одговор на овие проблеми, истражувачите, од една страна, се посветени на подобрување на материјалите и производствените процеси чувствителни на гас, а од друга страна, тие го компензираат или го потиснуваат влијанието на дрифтот на сензорот врз резултатите од мерењето со развивање на напредни алгоритми за обработка на податоци.
Разновидни сценарија за примена на сензори за гас
Технологијата на сензори за гас е проткаена со сите аспекти од општествениот живот. Нејзината примена одамна го надмина традиционалниот опсег на следење на индустриската безбедност и брзо се шири во повеќе области како што се медицинското здравје, следењето на животната средина, паметниот дом и безбедноста на храната. Овој тренд на разновидни апликации не само што ги одразува можностите што ги носи технолошкиот напредок, туку и го отелотворува растечкото општествено барање за детекција на гасови.
Мониторинг на индустриска безбедност и опасни гасови
Во областа на индустриската безбедност, сензорите за гас играат незаменлива улога, особено во индустриите со висок ризик како што се хемиското инженерство, нафтата и рударството. „14-тиот петгодишен план за безбедно производство на опасни хемикалии“ на Кина јасно бара од хемиските индустриски паркови да воспостават сеопфатен систем за следење и рано предупредување за токсични и штетни гасови и да промовираат изградба на интелигентни платформи за контрола на ризикот. „Акцискиот план за безбедност при работа за индустриски интернет плус“, исто така, ги охрабрува парковите да распоредат сензори за Интернет на нештата и платформи за анализа на вештачка интелигенција за да постигнат следење во реално време и координиран одговор на ризици како што е истекување на гас. Овие политички ориентации во голема мера ја промовираа примената на сензорите за гас во областа на индустриската безбедност.
Современите системи за следење на индустриски гасови развија различни технички правци. Технологијата за снимање на гасни облаци го визуелизира истекувањето на гас со визуелно претставување на гасните маси како промени во нивоата на сива боја на пикселите на сликата. Нејзината способност за детекција е поврзана со фактори како што се концентрацијата и волуменот на истечениот гас, разликата во температурата во позадина и растојанието за следење. Технологијата за инфрацрвена спектроскопија со Фуриеова трансформација може квалитативно и полуквантитативно да следи над 500 видови гасови, вклучувајќи неоргански, органски, токсични и штетни, и истовремено може да скенира 30 видови гасови. Таа е погодна за сложените барања за следење на гасови во хемиски индустриските паркови. Овие напредни технологии, кога се комбинираат со традиционалните сензори за гас, формираат мрежа за следење на безбедноста на индустрискиот гас на повеќе нивоа.
На специфично ниво на имплементација, системите за следење на индустриски гасови треба да се усогласат со низа национални и меѓународни стандарди. Кинескиот „Стандард за дизајн за откривање и алармирање на запаливи и токсични гасови во петрохемиската индустрија“ GB 50493-2019 и „Општата техничка спецификација за безбедно следење на главните извори на опасност од опасни хемикалии“ AQ 3035-2010 обезбедуваат технички спецификации за следење на индустриски гасови 26. На меѓународно ниво, OSHA (Администрацијата за безбедност и здравје при работа на Соединетите Американски Држави) разви низа стандарди за откривање на гасови, кои бараат откривање на гасови пред операции во ограничен простор и обезбедуваат концентрацијата на штетни гасови во воздухот да биде под безбедното ниво од 610. Стандардите на NFPA (Национално здружение за противпожарна заштита на Соединетите Американски Држави), како што се NFPA 72 и NFPA 54, поставуваат специфични барања за откривање на запаливи гасови и токсични гасови 610.
Медицинско здравје и дијагностицирање на болести
Медицинската и здравствената област станува еден од најперспективните пазари за примена на сензори за гас. Издишаниот гас од човечкото тело содржи голем број биомаркери поврзани со здравствени состојби. Со откривање на овие биомаркери, може да се постигне рано скрининг и континуирано следење на болестите. Рачниот уред за детекција на ацетон за дишење, развиен од тимот на д-р Ванг Ди од Истражувачкиот центар за суперперцепција на лабораторијата Жеџијанг, е типичен претставник на оваа примена. Овој уред користи колориметриски технолошки пат за мерење на содржината на ацетон во издишаниот здив од страна на човекот со откривање на промената на бојата на материјалите чувствителни на гас, со што се постигнува брзо и безболно откривање на дијабетес тип 1.
Кога нивото на инсулин во човечкото тело е ниско, тоа не е во можност да ја претвори гликозата во енергија и наместо тоа да ги разгради мастите. Како еден од нуспроизводите по разградувањето на мастите, ацетонот се излачува од телото преку дишење. Д-р Ванг Ди објасни 1. Во споредба со традиционалните крвни тестови, овој метод на тест на здив нуди подобро дијагностичко и терапевтско искуство. Покрај тоа, тимот развива сензор за ацетон со „дневно ослободување“. Овој ефтин носив уред може автоматски да го мери ацетонот што се испушта од кожата 24 часа на ден. Во иднина, кога ќе се комбинира со технологија на вештачка интелигенција, може да помогне во дијагностицирањето, следењето и водењето со лекови на дијабетес.
Освен дијабетесот, сензорите за гас покажуваат голем потенцијал и во управувањето со хронични заболувања и следењето на респираторните заболувања. Кривата на концентрација на јаглерод диоксид е важна основа за проценка на состојбата на белодробната вентилација кај пациентите, додека кривите на концентрација на одредени гасни маркери го одразуваат трендот на развој на хроничните заболувања. Традиционално, толкувањето на овие податоци бараше учество на медицински персонал. Сепак, со зајакнувањето на технологијата за вештачка интелигенција, интелигентните сензори за гас не само што можат да детектираат гасови и да цртаат криви, туку и да го одредат степенот на развој на болеста, значително намалувајќи го притисокот врз медицинскиот персонал.
Во областа на носивите здравствени уреди, примената на сензорите за гас е сè уште во рана фаза, но перспективите се широки. Истражувачите од Zhuhai Gree Electric Appliances истакнаа дека иако домашните апарати се разликуваат од медицинските уреди со функции за дијагностицирање на болести, во областа на секојдневното следење на здравјето во домот, низите сензори за гас имаат предности како што се ниска цена, неинвазивност и минијатуризација, што ги прави очекувано сè повеќе да се појавуваат во домашните апарати како што се апаратите за орална нега и паметните тоалети како помошни решенија за следење и следење во реално време. Со зголемената побарувачка за здравје во домот, следењето на состојбата на здравјето на луѓето преку домашни апарати ќе стане важна насока за развој на паметни домови.
Мониторинг на животната средина и спречување и контрола на загадувањето
Мониторингот на животната средина е една од областите каде што сензорите за гас се најшироко применети. Со оглед на тоа што глобалниот акцент на заштитата на животната средина продолжува да се зголемува, побарувачката за следење на разни загадувачи во атмосферата исто така расте од ден на ден. Сензорите за гас можат да детектираат штетни гасови како што се јаглерод моноксид, сулфур диоксид и озон, обезбедувајќи ефикасна алатка за следење на квалитетот на воздухот во животната средина.
Електрохемискиот сензор за гас UGT-E4 на компанијата British Gas Shield е репрезентативен производ во областа на мониторингот на животната средина. Тој може прецизно да ја мери содржината на загадувачи во атмосферата и да обезбеди навремена и точна поддршка со податоци за одделенијата за заштита на животната средина. Овој сензор, преку интеграција со модерна информатичка технологија, постигна функции како што се далечинско мониторирање, прикачување на податоци и интелигентен аларм, значително подобрувајќи ја ефикасноста и практичноста на детекцијата на гас. Корисниците можат да ги следат промените во концентрацијата на гас во секое време и на кое било место, едноставно преку своите мобилни телефони или компјутери, обезбедувајќи научна основа за управување со животната средина и креирање политики.
Во однос на следењето на квалитетот на воздухот во затворен простор, сензорите за гас исто така играат важна улога. Стандардот EN 45544 издаден од Европскиот комитет за стандардизација (EN) е специјално за тестирање на квалитетот на воздухот во затворен простор и ги опфаќа барањата за тестирање за разни штетни гасови 610. Вообичаените сензори за јаглерод диоксид, сензори за формалдехид итн. на пазарот се широко користени во граѓански живеалишта, комерцијални згради и јавни места за забава, помагајќи им на луѓето да создадат поздрава и поудобна внатрешна средина. Особено за време на пандемијата COVID-19, вентилацијата во затворен простор и квалитетот на воздухот добија невидено внимание, што дополнително го промовира развојот и примената на сродни сензорски технологии.
Мониторингот на емисиите на јаглерод е нова насока на примена на сензорите за гас. Во контекст на глобалната јаглеродна неутралност, прецизното следење на стакленички гасови како што е јаглерод диоксидот стана особено важно. Инфрацрвените сензори за јаглерод диоксид имаат единствени предности во оваа област поради нивната висока прецизност, добра селективност и долг век на траење. „Упатствата за изградба на интелигентни платформи за контрола на безбедносниот ризик во хемиски индустриски паркови“ во Кина го наведоа мониторингот на запаливи/токсични гасови и анализата на следењето на изворот на истекување како задолжителна содржина во градежништвото, што го одразува акцентот на нивото на политиката врз улогата на мониторингот на гасови во областа на заштитата на животната средина.
Паметен дом и безбедност на храната
Паметниот дом е најперспективниот пазар за апликации за сензори за гас кај потрошувачите. Во моментов, сензорите за гас главно се применуваат во домашни апарати како што се прочистувачи на воздух и клима уреди за свеж воздух. Сепак, со воведувањето на сензорски низи и интелигентни алгоритми, нивниот потенцијал за примена во сценарија како што се конзервирање, готвење и следење на здравјето постепено се искористува.
Во однос на зачувувањето на храната, сензорите за гас можат да ги следат непријатните мириси што ги ослободува храната за време на складирањето за да ја утврдат свежината на храната. Неодамнешните истражувачки резултати покажуваат дека без разлика дали се користи еден сензор за следење на концентрацијата на мирис или се користи низа сензори за гас во комбинација со методи за препознавање на обрасци за да се утврди свежината на храната, постигнати се добри ефекти. Сепак, поради сложеноста на сценаријата за реална употреба на фрижидерот (како што се пречки од корисниците при отворање и затворање на вратите, стартување и исклучување на компресорите и внатрешната циркулација на воздухот итн.), како и меѓусебното влијание на различните испарливи гасови од состојките на храната, сè уште има простор за подобрување на точноста на одредувањето на свежината на храната.
Примените во готвењето се уште еден важен сценарио за сензорите за гас. За време на процесот на готвење се произведуваат стотици гасовити соединенија, вклучувајќи честички, алкани, ароматични соединенија, алдехиди, кетони, алкохоли, алкени и други испарливи органски соединенија. Во таква сложена средина, низите сензори за гас покажуваат поочигледни предности од единечните сензори. Студиите покажуваат дека низите сензори за гас може да се користат за да се утврди статусот на готвење на храната врз основа на личен вкус или како помошна алатка за следење на исхраната за редовно известување на корисниците за навиките за готвење. Сепак, факторите на околината за готвење, како што се високата температура, гасовите од готвењето и водената пареа, лесно можат да предизвикаат сензорот да „труе“, што е технички проблем што треба да се реши.
Во областа на безбедноста на храната, истражувањето на тимот на Ванг Ди ја покажа потенцијалната применлива вредност на сензорите за гас. Тие се стремат кон целта „идентификација на десетици гасови истовремено со мал приклучок за мобилен телефон“ и се посветени на лесно достапни информации за безбедноста на храната. Овој високо интегриран олфакторен уред може да детектира испарливи компоненти во храната, да ја одреди свежината и безбедноста на храната и да обезбеди референци во реално време за потрошувачите.
Табела: Главни објекти за детекција и технички карактеристики на сензори за гас во различни области на примена
Области на примена, главни објекти за детекција, најчесто користени типови сензори, технички предизвици, трендови во развојот
Индустриска безбедност на запалив гас, токсичен гас тип на каталитичко согорување, електрохемиски тип, толеранција на сурови средини, синхронизирано следење на повеќе гасови, следење на изворот на истекување
Медицински и здравствен ацетон, CO₂, VOC полупроводнички тип, колориметриски тип на селективност и чувствителност, носива и интелигентна дијагноза
Распоредување на мрежа за долгорочна стабилност и пренос на податоци во реално време за мониторинг на животната средина на загадувачите на воздухот и стакленички гасови во инфрацрвени и електрохемиски форми
Паметна домашна храна со испарлив гас, полупроводник од чад за готвење, PID способност против пречки
Ве молиме контактирајте ја Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Веб-страница на компанијата:www.hondetechco.com
Тел: +86-15210548582
Време на објавување: 11 јуни 2025 година