Wraz z szybkim rozwojem technologii, takich jak Internet Rzeczy i sztuczna inteligencja, czujniki gazu, ważne urządzenia pomiarowe znane jako „pięć zmysłów elektrycznych”, otwierają się przed bezprecedensowymi możliwościami rozwoju. Od początkowego monitorowania toksycznych i szkodliwych gazów przemysłowych, po szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej, inteligentnym domu, monitorowaniu środowiska i innych dziedzinach, technologia czujników gazu przechodzi obecnie głęboką transformację – od jednofunkcyjnej do inteligentnej, miniaturyzującej i wielowymiarowej. Niniejszy artykuł kompleksowo przeanalizuje charakterystykę techniczną, najnowsze postępy badawcze oraz globalny stan zastosowań czujników gazu, ze szczególnym uwzględnieniem trendów rozwojowych w dziedzinie monitorowania gazów w takich krajach jak Chiny i Stany Zjednoczone.
Charakterystyka techniczna i trendy rozwojowe czujników gazu
Jako konwerter, który przekształca ułamek objętościowy danego gazu na odpowiadający mu sygnał elektryczny, czujnik gazu stał się niezbędnym i ważnym elementem nowoczesnej technologii detekcji. Tego typu urządzenia przetwarzają próbki gazu za pomocą głowic detekcyjnych, zazwyczaj obejmując takie etapy, jak filtrowanie zanieczyszczeń i gazów zakłócających, suszenie lub schładzanie, a ostatecznie przetwarzanie informacji o stężeniu gazu na mierzalne sygnały elektryczne. Obecnie na rynku dostępne są różne rodzaje czujników gazu, w tym czujniki półprzewodnikowe, elektrochemiczne, katalityczne, czujniki gazu na podczerwień i czujniki gazu z fotojonizacją (PID) itp. Każdy z nich ma swoje własne cechy charakterystyczne i jest szeroko stosowany w sektorze cywilnym, przemysłowym i w badaniach środowiskowych.
Stabilność i czułość to dwa podstawowe wskaźniki oceny działania czujników gazowych. Stabilność odnosi się do trwałości podstawowej odpowiedzi czujnika przez cały czas jego pracy, która zależy od dryftu zera i dryftu interwałowego. Idealnie, w przypadku czujników wysokiej jakości w ciągłych warunkach pracy, roczny dryft zera powinien być mniejszy niż 10%. Czułość odnosi się do stosunku zmiany sygnału wyjściowego czujnika do zmiany mierzonego sygnału wejściowego. Czułość różnych typów czujników znacznie się różni, głównie w zależności od przyjętych zasad technicznych i doboru materiałów. Ponadto selektywność (tj. czułość krzyżowa) i odporność na korozję są również ważnymi parametrami oceny działania czujników gazowych. Pierwszy z nich określa zdolność czujnika do rozpoznawania w środowisku mieszanych gazów, podczas gdy drugi jest związany z tolerancją czujnika w gazach docelowych o wysokim stężeniu.
Obecny rozwój technologii czujników gazowych prezentuje kilka oczywistych trendów. Przede wszystkim stale pogłębiają się badania i rozwój nowych materiałów i procesów. Tradycyjne materiały półprzewodnikowe z tlenków metali, takie jak ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ itp., stały się dojrzałe. Naukowcy domieszkują, modyfikują i modyfikują powierzchniowo istniejące materiały gazoczułe za pomocą metod modyfikacji chemicznej, jednocześnie ulepszając proces formowania warstw, aby zwiększyć stabilność i selektywność czujników. Jednocześnie aktywnie rozwija się rozwój nowych materiałów, takich jak kompozytowe i hybrydowe materiały półprzewodnikowe gazoczułe oraz polimerowe materiały gazoczułe. Materiały te charakteryzują się wyższą czułością, selektywnością i stabilnością w stosunku do różnych gazów.
Inteligencja czujników to kolejny ważny kierunek rozwoju. Dzięki skutecznemu zastosowaniu nowych technologii materiałowych, takich jak nanotechnologia i technologia cienkowarstwowa, czujniki gazu stają się coraz bardziej zintegrowane i inteligentne. Wykorzystując w pełni zintegrowane technologie multidyscyplinarne, takie jak mikromechanika i mikroelektronika, technologia komputerowa, technologia przetwarzania sygnałów, technologia czujników i technologia diagnostyki błędów, naukowcy opracowują w pełni automatyczne, cyfrowe, inteligentne czujniki gazu, zdolne do jednoczesnego monitorowania wielu gazów. Wielowymiarowy czujnik typu rezystancja-potencjał chemiczny, opracowany niedawno przez grupę badawczą docenta Yi Jianxina z Państwowego Laboratorium Nauk o Pożarnictwie na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Chinach, jest typowym przykładem tego trendu. Czujnik ten umożliwia trójwymiarowe wykrywanie i dokładną identyfikację wielu gazów i charakterystyk pożaru za pomocą jednego urządzenia 59.
Coraz większą uwagę zwraca się również na matrycowanie i optymalizację algorytmów. Ze względu na problem szerokiego spektrum odpowiedzi pojedynczego czujnika gazu, jest on podatny na zakłócenia, gdy jednocześnie występuje wiele gazów. Wykorzystanie wielu czujników gazu do utworzenia matrycy stało się skutecznym rozwiązaniem poprawiającym zdolność rozpoznawania. Zwiększając wymiary wykrywanego gazu, matryca czujników może uzyskać więcej sygnałów, co sprzyja ocenie większej liczby parametrów i poprawia zdolność oceny i rozpoznawania. Jednak wraz ze wzrostem liczby czujników w matrycy rośnie również złożoność przetwarzania danych. Dlatego optymalizacja matrycy czujników jest szczególnie ważna. W optymalizacji matryc powszechnie stosuje się metody takie jak współczynnik korelacji i analiza skupień, a algorytmy rozpoznawania gazów, takie jak analiza głównych składowych (PCA) i sztuczne sieci neuronowe (ANN), znacznie poprawiły zdolność czujników do rozpoznawania wzorców.
Tabela: Porównanie wydajności głównych typów czujników gazu
Typ czujnika, zasada działania, zalety i wady, typowa żywotność
Adsorpcja gazu typu półprzewodnikowego charakteryzuje się niskimi kosztami zmiany rezystancji półprzewodników, szybką reakcją, słabą selektywnością i dużym wpływem temperatury i wilgotności przez okres 2-3 lat.
Gaz elektrochemiczny ulega reakcjom redoks, generując prąd o dobrej selektywności i wysokiej czułości. Elektrolit charakteryzuje się jednak ograniczonym zużyciem i żywotnością 1-2 lat (w przypadku elektrolitu ciekłego).
Spalanie gazów palnych metodą katalityczną powoduje zmiany temperatury. Zostało ono zaprojektowane specjalnie do wykrywania gazów palnych i ma zastosowanie wyłącznie do gazów palnych przez około trzy lata.
Gazy podczerwone charakteryzują się wysoką dokładnością pochłaniania światła podczerwonego o określonych długościach fal, nie powodują zatruć, ale są drogie i mają stosunkowo dużą objętość przez 5 do 10 lat
Fotojonizacja (PID) w ultrafiolecie do wykrywania cząsteczek gazowych LZO charakteryzuje się wysoką czułością i nie pozwala na rozróżnienie typów związków przez okres od 3 do 5 lat
Warto zauważyć, że chociaż technologia czujników gazowych poczyniła znaczne postępy, nadal napotyka ona pewne typowe wyzwania. Żywotność czujników ogranicza ich zastosowanie w niektórych dziedzinach. Na przykład, żywotność czujników półprzewodnikowych wynosi około 2 do 3 lat, elektrochemicznych czujników gazowych wynosi około 1 do 2 lat z powodu utraty elektrolitu, podczas gdy elektrochemiczne czujniki elektrolityczne w stanie stałym mogą sięgać 5 lat. Ponadto, problemy z dryftem (zmiany w odpowiedzi czujnika w czasie) i problemy z spójnością (różnice w wydajności między czujnikami w tej samej partii) są również istotnymi czynnikami ograniczającymi szerokie zastosowanie czujników gazowych. W odpowiedzi na te problemy, naukowcy z jednej strony dążą do ulepszania materiałów wrażliwych na gaz i procesów produkcyjnych, a z drugiej strony kompensują lub eliminują wpływ dryftu czujnika na wyniki pomiarów poprzez opracowywanie zaawansowanych algorytmów przetwarzania danych.
Zróżnicowane scenariusze zastosowań czujników gazowych
Technologia czujników gazu przeniknęła każdy aspekt życia społecznego. Jej zastosowania od dawna wykraczają poza tradycyjny zakres monitorowania bezpieczeństwa przemysłowego i szybko rozszerzają się na wiele dziedzin, takich jak opieka zdrowotna, monitoring środowiska, inteligentny dom i bezpieczeństwo żywności. Ten trend zróżnicowanych zastosowań nie tylko odzwierciedla możliwości, jakie daje postęp technologiczny, ale także odzwierciedla rosnące zapotrzebowanie społeczne na detekcję gazu.
Bezpieczeństwo przemysłowe i monitorowanie gazów niebezpiecznych
W dziedzinie bezpieczeństwa przemysłowego czujniki gazu odgrywają niezastąpioną rolę, szczególnie w branżach wysokiego ryzyka, takich jak inżynieria chemiczna, przemysł naftowy i górnictwo. Chiński „14. Pięcioletni Plan Bezpieczeństwa Produkcji Niebezpiecznych Chemikaliów” wyraźnie nakłada na parki przemysłu chemicznego obowiązek utworzenia kompleksowego systemu monitorowania i wczesnego ostrzegania przed toksycznymi i szkodliwymi gazami oraz promowania budowy inteligentnych platform kontroli ryzyka. „Plan działania na rzecz bezpieczeństwa pracy w ramach Internetu Przemysłowego i Internetu Rzeczy” zachęca również parki do wdrażania czujników Internetu Rzeczy i platform analitycznych opartych na sztucznej inteligencji (AI) w celu zapewnienia monitorowania w czasie rzeczywistym i skoordynowanej reakcji na zagrożenia, takie jak wyciek gazu. Te kierunki polityki znacząco przyczyniły się do rozwoju stosowania czujników gazu w dziedzinie bezpieczeństwa przemysłowego.
Nowoczesne systemy monitoringu gazów przemysłowych rozwinęły szereg rozwiązań technicznych. Technologia obrazowania chmur gazowych wizualizuje wyciek gazu poprzez wizualne przedstawienie mas gazu jako zmian w poziomach szarości pikseli na obrazie. Jej zdolność detekcji zależy od takich czynników, jak stężenie i objętość wyciekającego gazu, różnica temperatur tła oraz odległość monitorowania. Technologia spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera umożliwia jakościowe i półilościowe monitorowanie ponad 500 rodzajów gazów, w tym nieorganicznych, organicznych, toksycznych i szkodliwych, a jednocześnie skanowanie 30 rodzajów gazów. System ten jest odpowiedni do złożonych wymagań monitoringu gazów w chemicznych parkach przemysłowych. Te zaawansowane technologie, w połączeniu z tradycyjnymi czujnikami gazu, tworzą wielopoziomową sieć monitoringu bezpieczeństwa gazów przemysłowych.
Na poziomie wdrożenia, przemysłowe systemy monitorowania gazów muszą spełniać szereg norm krajowych i międzynarodowych. Chińskie normy „Projektowanie norm wykrywania i alarmowania gazów palnych i toksycznych w przemyśle petrochemicznym” GB 50493-2019 oraz „Ogólna specyfikacja techniczna monitorowania bezpieczeństwa głównych źródeł niebezpiecznych substancji chemicznych” AQ 3035-2010 określają specyfikacje techniczne dla przemysłowego monitorowania gazów26. Na poziomie międzynarodowym, OSHA (Administracja Bezpieczeństwa i Higieny Pracy Stanów Zjednoczonych) opracowała szereg norm dotyczących wykrywania gazów, wymagających wykrywania gazu przed operacjami w przestrzeniach zamkniętych i zapewniających, że stężenie szkodliwych gazów w powietrzu jest poniżej bezpiecznego poziomu 610. Normy NFPA (Narodowego Stowarzyszenia Ochrony Przeciwpożarowej Stanów Zjednoczonych), takie jak NFPA 72 i NFPA 54, określają szczegółowe wymagania dotyczące wykrywania gazów palnych i toksycznych 610.
Zdrowie i diagnostyka chorób
Medycyna i zdrowie stają się jednymi z najbardziej obiecujących rynków zastosowań czujników gazu. Gaz wydychany przez organizm ludzki zawiera dużą liczbę biomarkerów związanych ze stanem zdrowia. Wykrywanie tych biomarkerów umożliwia wczesne badania przesiewowe i ciągłe monitorowanie chorób. Przenośne urządzenie do pomiaru stężenia acetonu w wydychanym powietrzu, opracowane przez zespół dr. Wanga Di z Centrum Badań Super Percepcji w Laboratorium Zhejiang, jest typowym przykładem tego zastosowania. Urządzenie to wykorzystuje technologię kolorymetryczną do pomiaru zawartości acetonu w wydychanym powietrzu poprzez wykrywanie zmiany koloru materiałów wrażliwych na gaz, umożliwiając tym samym szybkie i bezbolesne wykrywanie cukrzycy typu 1.
Gdy poziom insuliny w organizmie człowieka jest niski, nie jest on w stanie przekształcić glukozy w energię i zamiast tego rozkłada tłuszcz. Aceton, jeden z produktów ubocznych rozkładu tłuszczu, jest wydalany z organizmu poprzez oddychanie. Dr Wang Di wyjaśnił: 1. W porównaniu z tradycyjnymi badaniami krwi, ta metoda pomiaru oddechu oferuje lepsze doświadczenie diagnostyczne i terapeutyczne. Ponadto zespół opracowuje czujnik acetonu w plastrze o „codziennym uwalnianiu”. To niedrogie urządzenie przenośne może automatycznie mierzyć poziom acetonu wydzielanego przez skórę przez całą dobę. W przyszłości, w połączeniu z technologią sztucznej inteligencji, może ono wspomagać diagnozowanie, monitorowanie i leczenie cukrzycy.
Poza cukrzycą, czujniki gazowe wykazują również duży potencjał w leczeniu chorób przewlekłych i monitorowaniu chorób układu oddechowego. Krzywa stężenia dwutlenku węgla stanowi istotną podstawę oceny stanu wentylacji płuc pacjentów, a krzywe stężeń niektórych markerów gazowych odzwierciedlają trendy rozwojowe chorób przewlekłych. Tradycyjnie interpretacja tych danych wymagała udziału personelu medycznego. Jednak dzięki rozwojowi technologii sztucznej inteligencji, inteligentne czujniki gazowe mogą nie tylko wykrywać gazy i rysować krzywe, ale także określać stopień rozwoju choroby, znacznie zmniejszając obciążenie personelu medycznego.
W dziedzinie urządzeń przenośnych do monitorowania zdrowia, zastosowanie czujników gazu jest wciąż na wczesnym etapie, ale perspektywy są szerokie. Naukowcy z Zhuhai Gree Electric Appliances zwrócili uwagę, że chociaż urządzenia gospodarstwa domowego różnią się od urządzeń medycznych z funkcjami diagnostyki chorób, w dziedzinie codziennego monitorowania zdrowia w domu, matryce czujników gazu mają zalety, takie jak niski koszt, nieinwazyjność i miniaturyzacja. Oczekuje się, że będą one coraz częściej pojawiać się w urządzeniach gospodarstwa domowego, takich jak urządzenia do higieny jamy ustnej i inteligentne toalety, jako pomocnicze rozwiązania do monitorowania i monitorowania w czasie rzeczywistym. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na domowe systemy monitorowania zdrowia, monitorowanie stanu zdrowia ludzi za pomocą urządzeń gospodarstwa domowego stanie się ważnym kierunkiem rozwoju inteligentnych domów.
Monitorowanie środowiska oraz zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrola
Monitoring środowiska to jedna z dziedzin, w których czujniki gazowe znajdują najszersze zastosowanie. Wraz ze wzrostem globalnego nacisku na ochronę środowiska, zapotrzebowanie na monitorowanie różnych zanieczyszczeń w atmosferze rośnie z dnia na dzień. Czujniki gazowe mogą wykrywać szkodliwe gazy, takie jak tlenek węgla, dwutlenek siarki i ozon, stanowiąc skuteczne narzędzie do monitorowania jakości powietrza.
Elektrochemiczny czujnik gazu UGT-E4 firmy British Gas Shield Company to reprezentatywny produkt w dziedzinie monitoringu środowiska. Umożliwia on precyzyjny pomiar zawartości zanieczyszczeń w atmosferze oraz dostarczanie aktualnych i dokładnych danych dla służb ochrony środowiska. Czujnik ten, dzięki integracji z nowoczesnymi technologiami informatycznymi, oferuje funkcje takie jak zdalny monitoring, przesyłanie danych i inteligentny alarm, znacznie zwiększając wydajność i wygodę detekcji gazu. Użytkownicy mogą śledzić zmiany stężenia gazu w dowolnym czasie i miejscu za pomocą telefonów komórkowych lub komputerów, co stanowi naukową podstawę do zarządzania środowiskiem i kształtowania polityki.
W monitorowaniu jakości powietrza w pomieszczeniach, czujniki gazu również odgrywają istotną rolę. Norma EN 45544, wydana przez Europejski Komitet Normalizacyjny (EN), dotyczy badania jakości powietrza w pomieszczeniach i obejmuje wymagania dotyczące badań różnych szkodliwych gazów 610. Powszechnie dostępne na rynku czujniki dwutlenku węgla, czujniki formaldehydu itp. są szeroko stosowane w budynkach mieszkalnych, budynkach komercyjnych i miejscach rozrywki publicznej, pomagając ludziom stworzyć zdrowsze i bardziej komfortowe środowisko wewnętrzne. Szczególnie w czasie pandemii COVID-19, wentylacja wewnętrzna i jakość powietrza spotkały się z bezprecedensowym zainteresowaniem, co dodatkowo promuje rozwój i zastosowanie powiązanych technologii czujnikowych.
Monitorowanie emisji dwutlenku węgla to rozwijający się kierunek zastosowań czujników gazowych. W kontekście globalnej neutralności węglowej, precyzyjne monitorowanie gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, zyskało na znaczeniu. Czujniki dwutlenku węgla na podczerwień mają w tym obszarze wyjątkowe zalety, takie jak wysoka precyzja, dobra selektywność i długa żywotność. W chińskich „Wytycznych dotyczących budowy inteligentnych platform kontroli ryzyka bezpieczeństwa w parkach przemysłu chemicznego” monitoring gazów palnych/toksycznych oraz analiza lokalizacji źródeł wycieków zostały wymienione jako obowiązkowe elementy konstrukcyjne, co odzwierciedla nacisk na rolę monitorowania gazów w ochronie środowiska.
Inteligentny dom i bezpieczeństwo żywności
Inteligentny dom to najbardziej obiecujący rynek zastosowań konsumenckich czujników gazu. Obecnie czujniki gazu znajdują zastosowanie głównie w urządzeniach gospodarstwa domowego, takich jak oczyszczacze powietrza i klimatyzatory. Jednak wraz z wprowadzeniem matryc czujników i inteligentnych algorytmów, ich potencjał zastosowań w takich obszarach jak konserwacja żywności, gotowanie i monitorowanie stanu zdrowia jest stopniowo wykorzystywany.
W kontekście konserwacji żywności, czujniki gazu mogą monitorować nieprzyjemne zapachy uwalniane przez żywność podczas przechowywania, aby określić jej świeżość. Najnowsze wyniki badań pokazują, że niezależnie od tego, czy do monitorowania stężenia zapachów używany jest pojedynczy czujnik, czy też matryca czujników gazu w połączeniu z metodami rozpoznawania wzorców, do określania świeżości żywności osiągane są dobre rezultaty. Jednak ze względu na złożoność rzeczywistych scenariuszy użytkowania lodówki (takich jak zakłócenia spowodowane otwieraniem i zamykaniem drzwi przez użytkowników, uruchamianiem i zatrzymywaniem sprężarek, wewnętrzną cyrkulacją powietrza itp.), a także wzajemny wpływ różnych gazów lotnych pochodzących ze składników żywności, nadal istnieje pole do poprawy w zakresie dokładności określania świeżości żywności.
Zastosowania w gotowaniu to kolejny ważny scenariusz dla czujników gazu. Podczas gotowania powstają setki związków gazowych, w tym cząstki stałe, alkany, związki aromatyczne, aldehydy, ketony, alkohole, alkeny i inne lotne związki organiczne. W tak złożonym środowisku matryce czujników gazu wykazują bardziej oczywiste zalety niż pojedyncze czujniki. Badania pokazują, że matryce czujników gazu mogą być wykorzystywane do określania stopnia ugotowania potraw na podstawie indywidualnych preferencji lub jako pomocnicze narzędzie do monitorowania diety, regularnie informujące użytkowników o nawykach kulinarnych. Jednak czynniki środowiskowe, takie jak wysoka temperatura, opary kuchenne i para wodna, mogą łatwo spowodować „zatrucie” czujnika, co jest problemem technicznym wymagającym rozwiązania.
W dziedzinie bezpieczeństwa żywności, badania zespołu Wang Di wykazały potencjalną wartość zastosowania czujników gazów. Ich celem jest „jednoczesna identyfikacja kilkudziesięciu gazów za pomocą niewielkiej wtyczki do telefonu komórkowego” i dążenie do zapewnienia łatwego dostępu do informacji o bezpieczeństwie żywności. To wysoce zintegrowane urządzenie węchowe może wykrywać lotne składniki w żywności, określać świeżość i bezpieczeństwo żywności oraz dostarczać konsumentom informacji w czasie rzeczywistym.
Tabela: Główne obiekty detekcji i parametry techniczne czujników gazu w różnych obszarach zastosowań
Obszary zastosowań, główne obiekty wykrywania, powszechnie stosowane typy czujników, wyzwania techniczne, trendy rozwojowe
Bezpieczeństwo przemysłowe, gaz palny, gaz toksyczny, typ spalania katalitycznego, typ elektrochemiczny, odporność na trudne warunki, synchroniczny monitoring wielu gazów, śledzenie źródeł wycieków
Medyczny i zdrowotny aceton, CO₂, lotne związki organiczne typu półprzewodnikowego, selektywność i czułość typu kolorymetrycznego, diagnostyka noszona i inteligentna
Wdrażanie sieci zapewniającej długoterminową stabilność i transmisja danych w czasie rzeczywistym do monitorowania środowiska w zakresie zanieczyszczeń powietrza i gazów cieplarnianych w podczerwieni i w formie elektrochemicznej
Inteligentny dom, gaz lotny do żywności, półprzewodnikowy typ dymu kuchennego, funkcja przeciwzakłóceniowa PID
Prosimy o kontakt z Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Strona internetowa firmy:www.hondetechco.com
Tel.: +86-15210548582
Czas publikacji: 11-06-2025