Типи датчиків газу та їх застосування в обладнанні для виявлення та моніторингу газу
З розвитком нафтохімічної промисловості розширилися типи і області застосування легкозаймистих, вибухонебезпечних і отруйних газів. Витік цих газів під час виробництва, транспортування та використання спричинить отруєння, пожежі та навіть вибухи, серйозно загрожуючи життю людей і безпеці майна. Завдяки дифузійності самого газу, після витоку газ буде дифундувати вздовж поверхні землі під дією зовнішньої сили вітру та внутрішнього градієнта концентрації, утворюючи вибух горіння або отруйну небезпечну зону на місці аварії та розширюючи небезпечна зона.
Після аварії з витоком газу необхідно якнайшвидше вжити відповідних заходів, щоб мінімізувати збитки від аварії. Своєчасне та надійне виявлення вмісту певних газів у повітрі, своєчасні та ефективні заходи з усунення несправностей, а також правильні методи утилізації для зменшення аварій, спричинених витоком, є необхідними умовами для уникнення значних матеріальних збитків та жертв. Це висуває підвищені вимоги до обладнання для виявлення та моніторингу газу. Як важливий детектор газу, газовий датчик отримав великий розвиток в останні роки. Розвиток датчика газу робить його застосування все більш широким.
Огляд датчика газу
Зарубіжні країни почали досліджувати та розробляти датчики газу в 1930-х роках. У минулому газові датчики в основному використовувалися для виявлення та сигналізації вугільного газу, зрідженого нафтового газу, природного газу та газу в шахтах. В даний час типи газів, які необхідно виявляти, розширилися від вихідних газів-відновників (H2, C4H10, CH4) до токсичних газів (CO, NO2, H2S, NO, NH3, PH3).
Існує багато типів датчиків газу. Відповідно до різних газочутливих матеріалів і використовуваних газочутливих характеристик, його можна розділити на напівпровідниковий тип, тип твердого електроліту, електрохімічний тип, тип контактного горіння, тип полімеру тощо.
Напівпровідниковий датчик газу
Цей датчик в основному використовує напівпровідникові матеріали, чутливі до газу. З моменту появи напівпровідникового датчика газу оксиду металу в 1962 році він широко використовувався завдяки своїм перевагам високої чутливості та швидкої реакції та став одним із найбільших і найпоширеніших датчиків у світі. Відповідно до різних способів виявлення характерної величини датчика газу, вона поділяється на два типи: резистивний тип і безрезистивний тип.
Резистивний напівпровідниковий датчик газу працює шляхом виявлення зміни вмісту газу в датчику газу. В основному використовуються металооксидні керамічні газочутливі матеріали. Завдяки дослідженням і розробкам нових матеріалів, таких як композитні оксиди металів і змішані оксиди металів за останні роки, характеристики та область застосування цього газового датчика були значно покращені. Наприклад: датчик газу WO3 може виявляти діапазон концентрації NH3 від 5 ppm до 50 ppm, датчик газу ZnO-CuO дуже чутливий до 200 ppm CO.
Безрезистивні напівпровідникові датчики газу працюють за принципом, що струм або напруга датчика газу змінюються залежно від вмісту газу. В основному існують МОП-діоди та сполучні діоди, а також газові датчики з польовою трубкою. Більшість газів для виявлення є горючими газами, такими як водень і силан.
Датчик газу твердого електроліту
Датчики газу з твердим електролітом використовують матеріали, що сприймають газ із твердого електроліту, як елементи для визначення газу. Принцип полягає в тому, що чутливий до газу матеріал генерує іони під час проходження через газ, тим самим утворюючи електрорушійну силу, і вимірювання електрорушійної сили для вимірювання концентрації газу. Завдяки високій провідності, добрій чутливості та селективності цього датчика він отримав широке застосування та ввійшов майже в усі галузі нафтохімії, захисту навколишнього середовища, гірничодобувної промисловості тощо, поступаючись лише датчикам газу з оксидів металів і напівпровідників. Наприклад, YST-Au-WO3 для вимірювання H2S, NH плюс 4CaCO3 для вимірювання NH3 тощо.
Контактний датчик димових газів
Його можна розділити на тип спалювання з прямим контактом і тип спалювання з каталітичним контактом. Його принцип роботи такий: коли чутливий до газу матеріал подається під напругу, горючий газ окислюється та згорає під дією каталізатора, а тепло, що виділяється, нагріває нагрівальний дріт, тим самим змінюючи значення його опору, і вимірюючи зміну опору для вимірювання концентрації газу. Цей датчик може вимірювати лише горючі гази та нечутливий до негорючих газів. Наприклад, датчики, виготовлені шляхом нанесення активних каталізаторів Rh і Pd на платиновий дріт, мають характеристики широкого спектру, тобто можуть виявляти різні горючі гази. Контактний датчик горіння дуже стабільний за температури навколишнього середовища та може виявляти більшість легкозаймистих газів із нижньою межею вибухонебезпечності. Він широко використовується для моніторингу та сигналізації про горючі гази на нафтохімічних заводах, верфях, шахтних тунелях, ванних кімнатах, кухнях тощо.
Полімерний датчик газу
Газові датчики з використанням полімерних газочутливих матеріалів отримали значний розвиток в останні роки. Коли полімерний газочутливий матеріал стикається з певним газом, змінюються його фізичні властивості, такі як опір, діелектрична проникність, швидкість і частота поширення акустичних хвиль на поверхні матеріалу та вага матеріалу. В основному це полімери фталоціаніну, плівка LB, фенілціанін ацетилен, полівініловий спирт-фосфорна кислота, поліізобутилен, аміноундецилсілан тощо. Полімерні газочутливі матеріали відіграють важливу роль у виявленні токсичних газів і свіжості їжі завдяки простоті їх експлуатації, простий процес, хороша селективність при кімнатній температурі, низька ціна та легке поєднання з датчиками мікроструктури та пристроями поверхневих акустичних хвиль. Відповідно до газочутливих властивостей матеріалів, що використовуються, цей тип датчиків можна розділити на: полімерні резистивні газові датчики, які вимірюють концентрацію газу шляхом вимірювання опору газочутливих матеріалів; газові датчики концентраційного типу, які вимірюють електрорушійну силу для визначення концентрації газу шляхом формування концентраційної комірки, коли газочутливий матеріал поглинає газ; газові датчики поверхневої акустичної хвилі, які виготовлені на основі принципу, згідно з яким швидкість поширення або частота звукових хвиль на поверхні матеріалу змінюється після того, як газочутливий полімер поглинає газ; Полімерний газовий датчик має високу чутливість до конкретних молекул газу, хорошу селективність, просту структуру, може використовуватися при нормальній температурі та може доповнити недоліки інших газових датчиків.
