Giới thiệu về cảm biến khí: Xây dựng, loại và làm việc

Cảm biến khí là các thiết bị tốt nhất trong công nghệ hiện đại, trong việc giám sát và phát hiện các loại khí khác nhau trên vô số môi trường.Khả năng chuyển đổi mức khí thành tín hiệu điện thông qua các phản ứng vật lý hoặc hóa học làm cho chúng có giá trị cho các ứng dụng từ an toàn công nghiệp đến an ninh hộ gia đình.

Bài viết này thảo luận về các loại cảm biến khí khác nhau, khám phá các nguyên tắc làm việc, lợi thế và giới hạn của họ.Kiểm tra các thành phần và chức năng của các cảm biến này, đặc biệt là các cảm biến khí oxit kim loại được sử dụng rộng rãi, chúng tôi có thể đánh giá cao tầm quan trọng của chúng trong việc đảm bảo an toàn, duy trì chất lượng không khí và hỗ trợ các quy trình công nghiệp khác nhau.Hiểu được việc sử dụng thực tế, hiệu chuẩn và duy trì các cảm biến này giúp tăng cường độ tin cậy và độ chính xác của chúng, khiến chúng trở thành công cụ hàng đầu trong cả môi trường chuyên nghiệp và trong nước.

Danh mục

Hình 1: Cảm biến khí

Cảm biến khí là gì?

Cảm biến khí là một thiết bị được thiết kế để phát hiện sự hiện diện hoặc nồng độ của khí trong môi trường.Nó hoạt động bằng cách đo lường các thay đổi trong điện trở của vật liệu bên trong của nó, tạo ra sự khác biệt điện áp.Sự khác biệt điện áp này giúp xác định và ước tính loại và lượng khí hiện tại.Các khí cụ thể Một cảm biến có thể phát hiện phụ thuộc vào vật liệu mà nó được làm từ đó.

Cảm biến khí chuyển đổi mức khí thành tín hiệu điện thông qua các phản ứng vật lý hoặc hóa học.Những tín hiệu này được xử lý để cung cấp dữ liệu có thể đọc được.Chúng đặc biệt hữu ích để phát hiện các loại khí độc hại và có hại, cũng như rò rỉ khí đốt tự nhiên.Các cảm biến khí đo được khí đốt, dễ cháy và khí độc, và thậm chí mức oxy, làm cho chúng tốt cho sự an toàn và giám sát chất lượng không khí.

Tiêu chuẩn cho hiệu suất cảm biến khí

Khi chọn cảm biến khí, việc đánh giá cẩn thận một số thông số kỹ thuật đo chính để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác của chúng trong các ứng dụng phát hiện khí.Các thông số kỹ thuật này là tiêu chí cho hiệu suất của cảm biến, đặc biệt là trong các cài đặt trong đó an toàn là ưu tiên hàng đầu và trong các hệ thống kiểm soát quá trình.

Thời gian phản hồi

Thời gian phản hồi là khoảng thời gian giữa tiếp xúc ban đầu của GAS với cảm biến và xử lý tín hiệu tiếp theo của cảm biến.Tham số này yêu cầu phát hiện khí ngay lập tức để ngăn chặn các sự cố nguy hiểm hoặc duy trì tính toàn vẹn của quá trình.Thời gian đáp ứng ngắn hơn được ưa thích trong các môi trường nơi phát hiện nhanh có thể làm giảm rủi ro, chẳng hạn như các nhà máy hóa học hoặc không gian hạn chế với rò rỉ khí tiềm năng.Trong các hoạt động thực tế, một cảm biến khí có thời gian phản hồi dưới 10 giây là lý tưởng để phát hiện rò rỉ đột ngột.Điều này cho phép các hành động phản hồi nhanh, như sơ tán hoặc tắt hệ thống.

Hình 2: Phản hồi và thời gian phục hồi của cảm biến khí

Khoảng cách phát hiện

Khoảng cách phát hiện là phạm vi tối đa mà tại đó cảm biến có thể phát hiện khí từ nguồn hoặc rò rỉ một cách hiệu quả.Thông số kỹ thuật này chỉ ra nơi các cảm biến nên được đặt để đảm bảo giám sát toàn diện.Trong các thiết lập công nghiệp lớn, các cảm biến phải được định vị một cách chiến lược để bao quát toàn bộ cơ sở, đảm bảo rằng ngay cả khí thải khí nhỏ được phát hiện trước khi leo thang đến mức nguy hiểm.Ví dụ, các cảm biến có khoảng cách phát hiện 1-2 mét thường được đặt gần các điểm rò rỉ tiềm năng, trong khi những cảm giác có phạm vi lớn hơn (tối đa 10 mét) có thể theo dõi các khu vực rộng hơn từ các vị trí trung tâm.

Tốc độ dòng chảy

Hình 3: Sơ đồ minh họa cảm biến dòng khí

Tốc độ dòng chảy biểu thị thể tích không khí hoặc khí phải chảy qua cảm biến để tạo ra tín hiệu có thể phát hiện được.Để đảm bảo các bài đọc chính xác về nồng độ khí, tốc độ này cần được đặt đúng.Tốc độ dòng chảy không đầy đủ có thể dẫn đến phát hiện bị trì hoãn hoặc dương tính giả, làm ảnh hưởng đến hiệu quả an toàn và hoạt động.Các nhà khai thác có thể điều chỉnh các hệ thống thông gió hoặc sử dụng quạt phụ trợ để duy trì tốc độ dòng chảy tối ưu trên các cảm biến.Đảm bảo tốc độ dòng chảy 0,5 đến 2 lít mỗi phút trên cảm biến có thể tăng cường đáng kể độ chính xác phát hiện trong môi trường với điều kiện luồng không khí thay đổi.

Tham số đầu ra cảm biến

Cảm biến khí đo lường và báo cáo các khí phát hiện ở các định dạng khác nhau để đáp ứng các nhu cầu giám sát khác nhau.

Phần trăm lel (giới hạn nổ thấp hơn)

Các biện pháp nồng độ nhỏ nhất của một loại khí dễ cháy có thể duy trì ngọn lửa khi trộn với không khí và đốt cháy.Cần thiết cho sự an toàn trong môi trường với khí nổ.Việc đọc 0% LEL cho thấy không có khí hiện có, trong khi LEL 100% có nghĩa là nồng độ khí đã đạt đến giới hạn dễ cháy, gây ra nguy cơ nổ đáng kể.Người vận hành giám sát LEL để đảm bảo mức khí ở dưới ngưỡng nguy hiểm.Kiểm tra thường xuyên và hành động ngay lập tức trên các bài đọc cao để ngăn ngừa tai nạn.

Phần trăm khối lượng

Tính toán thể tích của chất tan chia cho tổng thể tích của tất cả các thành phần, nhân với 100%.Ít phổ biến hơn để phát hiện khí nhưng hữu ích cho các ứng dụng liên quan đến tương tác khí-lỏng.Đo chính xác nồng độ khí trong hỗn hợp chất lỏng giúp kiểm soát chất lượng và tối ưu hóa quá trình.

Phần triệu (ppm)

Các biện pháp nồng độ khí trong ppm, cho phép giám sát chính xác mức khí rất thấp.Cần thiết để phát hiện khí theo dõi trong giám sát môi trường và kiểm soát chất lượng.Giám sát liên tục đảm bảo tuân thủ các quy định về an toàn và môi trường.Biến động nhỏ được theo dõi để xác định các vấn đề tiềm năng sớm.

Các phép đo rò rỉ (ML/phút)

Chỉ ra tốc độ khí thoát ra từ một hệ thống.Nó giúp xác định và định lượng rò rỉ.Bằng cách sử dụng thông tin này, các nhà khai thác có thể đảm bảo tính toàn vẹn của hệ thống, tránh tổn thất lớn và thực hiện bảo trì và sửa chữa đúng hạn.

Các phép đo tiêu thụ (ML/L/HR.)

Phản ánh tốc độ mà một khí được tiêu thụ trong một quá trình.Tuy nhiên, tuyệt vời để sử dụng trong các quy trình công nghiệp và nghiên cứu sinh học.Có thể xác định sự thiếu hiệu quả và tối ưu hóa các quy trình bằng cách để mắt đến tỷ lệ tiêu thụ khí.

Các phép đo mật độ (Mg/M³)

Cung cấp cái nhìn sâu sắc về các tính chất vật lý của khí trong một khối lượng nhất định.Hữu ích trong kiểm soát ô nhiễm và đánh giá chất lượng không khí.Đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường và hỗ trợ trong việc thiết kế các chiến lược kiểm soát ô nhiễm hiệu quả.

Chữ ký hoặc phép đo quang phổ

Cung cấp một chữ ký phổ của các khí có mặt, thường được hiển thị dưới dạng sắc ký đồ.Được sử dụng trong các kỹ thuật phân tích tiên tiến như sắc ký khí.Phân tích chi tiết thành phần và nồng độ khí giúp xác định các chất gây ô nhiễm và đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm.

Các tín hiệu này được xử lý để cung cấp dữ liệu thời gian thực về nồng độ GAS, hỗ trợ các hệ thống điều khiển tự động.

CHUNG Tín hiệu đầu ra từ cảm biến khí	Chức năng
Điện áp tương tự	tín hiệu điện liên tục đại diện cho thông tin biến
Tín hiệu xung	Các đợt năng lượng ngắn được sử dụng cho thời gian và đồng bộ hóa
Dòng tương tự	dòng điện khác nhau về cường độ để truyền đạt thông tin
Chuyển đổi hoặc chuyển tiếp đầu ra	các cơ chế mở hoặc đóng các mạch Kiểm soát dòng điện

Biểu đồ 1: Tín hiệu và chức năng đầu ra cảm biến khí

Các loại cảm biến khí dựa trên các nguyên tắc làm việc

Cảm biến khí được phân loại theo nguyên tắc hoạt động của họ.Mỗi loại có các đặc điểm, lợi thế và nhược điểm riêng biệt, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng và môi trường khác nhau.

Cảm biến khí dựa trên chất bán dẫn / kim loại oxit

Hình 4: Các bộ phận cảm biến khí dựa trên chất bán dẫn / kim loại sơ đồ

Hình 5: Cảm biến khí bán dẫn thực tế

Các cảm biến này xác định khí bằng cách theo dõi các biến thể trong điện trở của chất bán dẫn khi tiếp xúc với khí.Thông thường, chúng kết hợp một thành phần cảm biến oxit kim loại, như thiếc dioxide (SNO2), được đặt trên một chất nền được trang bị điện cực và một phần tử gia nhiệt.Bản chất xốp của lớp oxit kim loại làm tăng diện tích bề mặt có sẵn cho các tương tác khí.Khi các khí được hấp phụ vào lớp này, những thay đổi xảy ra trong độ dẫn điện của cảm biến, từ đó sửa đổi điện trở của nó.Các cảm biến này đặc biệt nhạy cảm với một loạt các loại khí khác nhau và có hiệu quả về chi phí để sản xuất.Tuy nhiên, họ yêu cầu hiệu chuẩn thường xuyên và hiệu suất của chúng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm.

Thuận lợi:

• Cấu trúc đơn giản

• Chi phí thấp

• Độ nhạy phát hiện cao

• Tốc độ phản ứng nhanh

Nhược điểm:

• Phạm vi đo lường nhỏ

• Bị ảnh hưởng bởi các khí và nhiệt độ khác

Cảm biến khí hóa

Hình 6: Các bộ phận cảm biến điện tử sơ đồ

Hình 7: Ví dụ về cảm biến điện hóa để phát hiện khí độc hại và dễ cháy

Các cảm biến điện hóa định lượng nồng độ khí bằng cách oxy hóa hoặc giảm khí mục tiêu tại một điện cực và ghi lại dòng điện mà quá trình này tạo ra.Các thiết bị này có tính năng hoạt động, bộ đếm và các điện cực tham chiếu chìm trong một chất điện phân, tất cả đều chứa trong một vỏ nhỏ bao gồm màng thấm khí.Khí đi qua màng này và tham gia vào phản ứng oxi hóa khử ở điện cực làm việc, tạo ra một dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độ khí.Được biết đến với tính đặc hiệu và độ chính xác đặc biệt của chúng, các cảm biến này có thể bị tổn hại bởi sự hiện diện của các loại khí khác và có xu hướng có tuổi thọ hoạt động hữu hạn do sự suy giảm dần dần các vật liệu hoạt động của chúng.

Thuận lợi:

• Thời gian phản hồi nhanh

• Sản lượng tuyến tính tốt

• Độ chính xác cao

Nhược điểm:

• Cần môi trường giàu oxy

• Tiêu thụ chất điện giải lỏng

• Khả năng thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và áp suất

Cảm biến khí hồng ngoại không phân tán (NDIR)

Hình 8: Các bộ phận cảm biến NDIR sơ đồ

Hình 9: Cảm biến NDIR thực tế

Cảm biến NDIR sử dụng đèn hồng ngoại nguồn và máy dò để xác định nồng độ khí thông qua hồng ngoại sự hấp thụ.Chúng được trang bị nguồn sáng hồng ngoại, buồng khí Các mẫu, bộ lọc bước sóng và máy dò hồng ngoại.Khi khí hấp thụ bước sóng cụ thể của ánh sáng hồng ngoại, máy dò của cảm biến định lượng Mức độ hấp thụ này để đánh giá nồng độ khí.Những cảm biến này tự hào Độ chính xác cao và tuổi thọ, và không dễ bị ngộ độc cảm biến. Tuy nhiên, chúng có xu hướng tốn kém và bị giới hạn trong việc phát hiện các khí hấp thụ Ánh sáng hồng ngoại.

Thuận lợi:

• Các biện pháp khí như CO2

• Không yêu cầu oxy

• Khả năng nồng độ đo cao

• Ổn định tốt và chi phí bảo trì thấp

Nhược điểm:

• Tiêu thụ năng lượng cao

• Đắt

• Cấu trúc phức tạp và yêu cầu phần mềm/phần cứng

Cảm biến khí xúc tác

Hình 10: Các bộ phận cảm biến xúc tác sơ đồ

Hình 11: Ví dụ cảm biến xúc tác

Cảm biến xúc tác xác định khí dễ cháy thông qua một hạt xúc tác làm thay đổi điện trở của nó trong quá trình oxy hóa khí.Những cái này Các cảm biến kết hợp hạt cảm biến được phủ chất xúc tác cùng với một tham chiếu yếu tố, được sắp xếp trong cấu hình cầu Wheatstone trong bảo vệ vỏ.Sự oxy hóa của các khí dễ cháy trên bề mặt chất xúc tác tạo ra Nhiệt, dẫn đến một sự thay đổi điện trở được phát hiện bởi mạch.Hiệu quả trong Phát hiện nhanh nồng độ khí thấp, các cảm biến này cần Sự hiện diện của oxy và có thể bị tổn hại bởi các chất hóa học cụ thể.

Thuận lợi:

• Kháng mạnh đối với khí hậu khắc nghiệt và khí độc

• Cuộc sống lâu dài

• Chi phí bảo trì thấp

Nhược điểm:

• Nguy cơ nổ hoặc lửa trong môi trường tối

• dễ bị ngộ độc bởi các hợp chất sunfua và halogen

• Lỗi lớn hơn trong môi trường oxy thấp

Máy dò quang hóa (PID)

Hình 12: Các bộ phận PID sơ đồ

Hình 13: Ví dụ PID

Máy dò quang hóa (PID) sử dụng Ánh sáng cực tím để ion hóa khí và đo dòng điện được tạo ra bởi các ion này để đánh giá nồng độ khí.Hệ thống bao gồm đèn UV, buồng ion hóa, và điện cực.Sự ion hóa của các phân tử khí kích hoạt một dòng điện trên các điện cực, tương quan trực tiếp với Nồng độ của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC).PIDS cung cấp độ nhạy cao đối với VOC và khả năng phát hiện nhanh chóng, mặc dù chúng rất đắt và hiệu suất của chúng Có thể bị ảnh hưởng bởi các biến môi trường như độ ẩm và nhiệt độ.

Thuận lợi:

• Độ nhạy cao

• Không có vấn đề ngộ độc

• Có thể phát hiện hơn 400 loại khí hữu cơ dễ bay hơi

Nhược điểm:

• Chi phí thay thế đèn cao

• Không thể đo không khí, khí độc hoặc khí tự nhiên

Cảm biến khí dẫn nhiệt

Hình 14: Các bộ phận cảm biến độ dẫn nhiệt sơ đồ

Hình 15: Ví dụ cảm biến độ dẫn nhiệt

Cảm biến dẫn độ dẫn nhiệt đánh giá Sự thay đổi độ dẫn nhiệt do các loại khí khác nhau.Những cảm biến này thường kết hợp hai phần tử nhiệt, chẳng hạn như nhiệt điện trở hoặc nhiệt dây dẫn, được sắp xếp trong một cấu hình mạch cầu.Một yếu tố bị lộ đến khí đích trong khi các giao diện khác với khí tham chiếu.Thay đổi trong Thành phần khí làm thay đổi độ dẫn nhiệt xung quanh cảm biến, ảnh hưởng Nhiệt độ và điện trở của nó.Sự thay đổi này sau đó được định lượng bởi mạch. Những thiết bị này đơn giản, mạnh mẽ và có khả năng phát hiện nhiều khí, mặc dù họ cung cấp ít nhạy cảm hơn và dễ bị thay đổi trong môi trường xung quanh nhiệt độ.

Thuận lợi:

• Phạm vi phát hiện rộng

• Sự ổn định làm việc tốt

• Cuộc sống lâu dài

• Không có vấn đề lão hóa chất xúc tác

Nhược điểm:

• Độ chính xác phát hiện kém

• Độ nhạy thấp

• dễ bị trôi dạt nhiệt độ

Phân tích sắc ký khí

Hình 16: Các bộ phận phân tích sắc ký khí sơ đồ

Hình 17: Phân tích sắc ký khí thực tế

Máy phân tích sắc ký khí phân biệt và định lượng các thành phần của hỗn hợp khí bằng các máy dò khác nhau.Họ bao gồm một kim phun, cột sắc ký, hệ thống khí mang và Máy dò, tất cả được đặt trong một cài đặt được kiểm soát.Các mẫu khí được giới thiệu thông qua kim phun vào cột, nơi chúng được tách ra theo cách Họ tương tác với vật liệu của cột.Các thành phần tách biệt sau đó được phát hiện và đo bằng máy dò.Những máy phân tích này cung cấp độ chính xác cao và có thể phân tích các hỗn hợp phức tạp, nhưng chúng rất tốn kém, yêu cầu xử lý chuyên gia, và cồng kềnh hơn so với các cảm biến khí khác.

Thuận lợi:

• Độ nhạy cao

• Thích hợp để phân tích vi mô và dấu vết

• Có thể phân tích các khí tách đa pha phức tạp

Nhược điểm:

• Không thể đạt được việc lấy mẫu và phân tích liên tục

• Thích hợp cho phân tích phòng thí nghiệm hơn giám sát khí công nghiệp

Cảm biến khí dựa trên điện dung

Hình 18: Các bộ phận cảm biến dựa trên điện dung sơ đồ

Hình 19: Cảm biến dựa trên điện dung thực tế

Cảm biến điện dung xác định sự thay đổi trong điện dung do sự thay đổi hằng số điện môi của khí được hấp thụ trên bề mặt của cảm biến.Các cảm biến này bao gồm một tụ điện Bao gồm một vật liệu điện môi phản ứng với khí đích, thường được thiết kế Trên một nền tảng MEMS để tăng cường sự nhỏ gọn.Sự hấp thụ của các phân tử khí sửa đổi hằng số điện môi, dẫn đến sự thay đổi điện dung đó là sau đó định lượng.Trong khi các cảm biến này đặc biệt nhạy cảm và lý tưởng cho Phát hiện độ ẩm, chúng dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường như nhiệt độ.

Thuận lợi:

• Độ nhạy cao

• Thời gian phản hồi nhanh, phù hợp để theo dõi thời gian thực

• Tiêu thụ năng lượng thấp

Nhược điểm:

• Các vấn đề ổn định lâu dài

• Độ nhạy chéo với các khí khác

• Phạm vi phát hiện hạn chế

Cảm biến khí dựa trên âm thanh

Hình 20: Các bộ phận cảm biến khí dựa trên âm thanh

Hình 21: Cảm biến khí dựa trên âm thanh thực tế

Cảm biến âm thanh hoạt động dựa trên khái niệm thay đổi thành phần khí ảnh hưởng đến tốc độ của âm thanh trong Hỗn hợp.Chúng được trang bị máy phát sóng và máy thu âm thanh, bộ trong một buồng hoặc dọc theo một con đường mà hỗn hợp khí có thể tương tác với Sóng âm.Các biến thể trong các tính chất âm thanh do sự tương tác này được ghi lại và phân tích.Các cảm biến này cung cấp giám sát không xâm lấn và Phát hiện nhanh những thay đổi, nhưng chúng có thể phải đối mặt với những thách thức với độ chính xác và Thường cần hiệu chuẩn thường xuyên.

Thuận lợi:

• Phát hiện các tác nhân thần kinh và phồng rộp

• Không có pin, phù hợp cho các ứng dụng không dây

• Có thể sử dụng trong các bộ phận khắc nghiệt và xoay

Nhược điểm:

• Khó xử lý trong quá trình chế tạo do kích thước nhỏ

Cảm biến khí nhiệt lượng

Nhân vật 22: (a) Minh họa sơ đồ về cấu trúc thiết bị và nguyên tắc làm việc và (b) ảnh của thiết bị TGS nhiệt lượng.(c) Sơ đồ và hình ảnh của hệ thống đo lường cho các thiết bị TGS Calorimetric.

Cảm biến nhiệt lượng phát hiện các biến thể nhiệt kết quả từ các phản ứng hóa học giữa khí mục tiêu và một cụ thể thuốc thử.Các thiết bị này được trang bị buồng phản ứng có chứa Chất xúc tác hoặc thuốc thử, khi phản ứng với khí, tạo ra nhiệt.Cái này tăng hoặc giảm nhiệt độ sau đó được đo bằng một tích hợp Cảm biến nhiệt độ.Trong khi các cảm biến này đặc biệt hiệu quả đối với Phát hiện một số khí, chúng có xu hướng thể hiện thời gian phản ứng chậm hơn và ít hơn Độ nhạy hơn các loại cảm biến khác.

Thuận lợi:

• Thời gian phản hồi nhanh để theo dõi thời gian thực

• Thiết kế đơn giản

• Sự ổn định và độ tin cậy lâu dài

• Tiêu thụ năng lượng thấp

Nhược điểm:

• Chất xúc tác có tuổi thọ hạn chế và có thể xuống cấp

• Thời gian đáp ứng chậm hơn cho nồng độ khí rất thấp

Cảm biến khí từ tính

Nhân vật 23: Hiệu ứng từ tính được sử dụng cho chế tạo thiết bị cảm biến khí.(Một) Hiệu ứng Hall, (b) Hiệu ứng Kerr.(C) Hiệu ứng cộng hưởng sắt từ (FMR). (d) Hiệu ứng mageto-plasmonic.(E) Thời điểm từ tính hoặc hiệu ứng spin.(f) Hiệu ứng sóng spin từ từ (MSW).

Hình 24: Cảm biến từ tính thực tế

Cảm biến từ tính sử dụng từ tính đặc điểm của các loại khí cụ thể, chẳng hạn như oxy, để xác định sự tập trung.Các thiết bị này có vật liệu từ tính thay đổi tính chất từ ​​tính khi tiếp xúc với một số khí.Những thay đổi này được phát hiện bởi một cảm biến từ trường được tích hợp trong đơn vị.Sự sửa đổi trong tính chất từ ​​tính gây ra bởi sự hiện diện của khí mục tiêu được đo và phân tích.Cảm biến từ tính mang lại sự ổn định cao và phần lớn không thấm nước sự can thiệp từ các khí khác.Tuy nhiên, chúng chỉ có thể phát hiện khí từ tính và có xu hướng tinh vi hơn và tốn kém hơn.

Thuận lợi:

• Hoạt động không xâm lấn

• Phát hiện nhanh và giám sát thời gian thực

• Một số loại không yêu cầu sức mạnh bên ngoài

Nhược điểm:

• phức tạp và đắt tiền

• Yêu cầu hiệu chuẩn thường xuyên

• Chỉ có thể đo các khí có tính chất từ ​​tính cụ thể

• Không có khả năng đối với từ trường bên ngoài và thay đổi nhiệt độ

Các thành phần của cảm biến khí oxit kim loại

Hình 25: Các thành phần sơ đồ của cảm biến khí oxit kim loại

Lớp cảm biến khí: Lớp cảm biến khí là lõi của cảm biến, phát hiện sự thay đổi nồng độ khí.Nó hoạt động như một hóa học, thay đổi sức đề kháng khi tiếp xúc với các loại khí cụ thể.Thường được làm bằng thiếc dioxide (SNO₂), có các electron dư thừa (các yếu tố của nhà tài trợ), nó làm thay đổi tính kháng với sự hiện diện của khí độc hại.Sự thay đổi điện trở này ảnh hưởng đến dòng chảy, tương quan với nồng độ khí, làm cho lớp cảm biến khí, để phát hiện khí chính xác.

Cuộn dây nóng: Cuộn dây lò sưởi giúp tăng độ nhạy và hiệu quả của lớp cảm biến khí bằng cách giữ nó ở nhiệt độ cao.Được làm từ nhiễm trùng niken, được biết đến với điểm nóng chảy cao, nó vẫn ổn định dưới nhiệt độ không đổi.Việc sưởi ấm này kích hoạt lớp cảm biến khí, cho phép nó đáp ứng tốt hơn với khí.Cuộn dây nóng đảm bảo hiệu suất cảm biến tối ưu bằng cách cung cấp năng lượng nhiệt một cách nhất quán.

Dòng điện cực: Đường điện cực truyền hiệu quả các dòng nhỏ từ lớp cảm biến khí.Được xây dựng bằng bạch kim, được đánh giá cao cho độ dẫn của nó, nó đảm bảo truyền và đo dòng chính xác.Chuyển động điện tử hiệu quả này tốt cho độ chính xác của cảm biến trong phát hiện khí.

Điện cực: Điện cực kết nối đầu ra của lớp cảm biến khí với đường điện cực.Được làm bằng vàng (AU - Aurum), một dây dẫn vượt trội, nó đảm bảo điện trở tối thiểu và truyền dòng điện hiệu quả.Kết nối này rất quan trọng đối với các phép đo nồng độ khí chính xác, cho phép truyền tín hiệu điện liền mạch từ phần tử cảm biến sang các đầu ra đầu ra.

Gốm hình ống: Gốm hình ống, thường được làm từ oxit nhôm (Al₂O₃), nằm giữa cuộn dây nóng và lớp cảm biến khí.Điểm nóng chảy cao của nó hỗ trợ quá trình đốt cháy của lớp cảm biến, duy trì độ nhạy cao và dòng điện đầu ra hiệu quả.Gốm hình ống cung cấp độ ổn định cấu trúc và cách nhiệt, bảo vệ các bộ phận bên trong của cảm biến và tăng cường độ bền và hiệu suất.

Lưới trên phần tử cảm biến: Một lưới kim loại bao phủ phần tử cảm biến, che chắn các thành phần nhạy cảm từ bụi và các hạt ăn mòn.Lưới này bảo vệ cảm biến khỏi các chất gây ô nhiễm bên ngoài và duy trì tính toàn vẹn và tuổi thọ của lớp cảm biến khí.Bằng cách lọc các hạt có hại, lưới đảm bảo cảm biến hoạt động chính xác và đáng tin cậy trong thời gian dài.

Cảm biến khí hoạt động như thế nào?

Công nghệ cơ bản

Cảm biến khí sử dụng một hóa học, thường được làm từ tin dioxide (SNO2).SNO2 là một chất bán dẫn loại N có nhiều electron miễn phí, rất tốt để dẫn điện.

Chức năng trong không khí sạch

Trong không khí sạch, các phân tử oxy từ khí quyển gắn vào bề mặt SNO2.Các phân tử oxy này thu được các electron tự do từ SNO2, tạo ra một rào cản ngăn chặn dòng chảy.Do đó, đầu ra cảm biến bằng 0 hoặc tại đường cơ sở.

Phản ứng với các khí độc hại hoặc dễ cháy

Khi tiếp xúc với các khí độc hại hoặc dễ cháy, các khí này phản ứng với oxy trên bề mặt SNO2, giải phóng các electron bị mắc kẹt.Sự gia tăng này trong các electron tự do làm tăng độ dẫn của SNO2.Mức độ thay đổi độ dẫn này phù hợp với nồng độ của khí.

Làm thế nào để sử dụng một cảm biến khí?

Hình 26: Mô -đun cảm biến khí và 4 thiết bị đầu cuối

Một cảm biến khí cơ bản có sáu thiết bị đầu cuối: bốn cho đầu vào/đầu ra (được dán nhãn A, A, B, B) và hai đầu để làm nóng cuộn dây (được dán nhãn H, H).Các thiết bị đầu cuối đầu vào/đầu ra có thể được sử dụng thay thế cho nhau.Cảm biến khí thường đến dưới dạng các mô -đun bao gồm chính cảm biến và IC so sánh.Các mô -đun này thường có bốn thiết bị đầu cuối: VCC (nguồn điện), GND (mặt đất), đầu ra kỹ thuật số (tín hiệu cho thấy sự hiện diện của khí) và đầu ra tương tự (điện áp liên tục biểu thị nồng độ khí).

Tăng đầu ra cảm biến

Vì chỉ riêng cảm biến khí tạo ra một đầu ra nhỏ (tính bằng millivolts), một mạch bên ngoài là cần thiết để chuyển đổi đầu ra này thành tín hiệu kỹ thuật số.Chuyển đổi này sử dụng bộ so sánh (thường là LM393), một chiết áp có thể điều chỉnh, và các điện trở và tụ điện bổ sung.Bộ so sánh LM393 lấy đầu ra của cảm biến, so sánh nó với điện áp tham chiếu và cung cấp đầu ra kỹ thuật số.Các chiết áp đặt mức nồng độ khí kích hoạt công suất cao.

Biểu đồ mạch cơ bản của mô -đun cảm biến khí

Hình 27: Sơ đồ mạch cơ bản của cảm biến khí trong mô -đun cảm biến khí

Mạch cảm biến khí bao gồm các đầu nối đầu vào/đầu ra (A và B) và các đầu cuối nóng (H).Cuộn dây nóng phải nhận đủ điện áp để kích hoạt cảm biến.Không có điện áp đầu vào này, dòng điện đầu ra là không đáng kể.Sau khi được cấp nguồn, lớp cảm biến có thể phát hiện khí.

Không có khí hiện tại:

Điện trở của lớp cảm biến vẫn không thay đổi, dẫn đến dòng đầu ra tối thiểu.

Gas hiện tại:

Cuộn dây được làm nóng trước tạo điều kiện cho việc phát hiện bằng cách thay đổi điện trở của vật liệu, thay đổi dòng điện ở điện trở tải (RL).

Giá trị của RL, thường từ 10kΩ đến 47kΩ, được hiệu chỉnh dựa trên độ nhạy mong muốn đối với nồng độ khí.Giá trị điện trở thấp hơn làm giảm độ nhạy, trong khi giá trị điện trở cao hơn làm tăng độ nhạy.Mạch cũng bao gồm LM393 OP-AMP, chuyển đổi tín hiệu tương tự thành một tín hiệu kỹ thuật số.Một chiết áp 10K trên tàu cho phép điều chỉnh độ nhạy của mô -đun cảm biến.Hai đèn LED cung cấp các chỉ số trực quan: một cho nguồn (biểu thị bảng được cấp nguồn) và một cho kích hoạt (cho biết đã đạt được ngưỡng tập hợp).Các tụ điện tách rời làm giảm nhiễu, đảm bảo các chỉ số cảm biến ổn định và chính xác.

Cảm biến khí phổ biến nhất

Một loạt các cảm biến khí bán dẫn MQ, bao gồm các mô hình như 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 và MQ-309A, được đánh giá cao về độ tin cậy và độ chính xác của chúng trong các ứng dụng khác nhau.Những cảm biến này đáp ứng một loạt các yêu cầu môi trường và công nghiệp.

Hình 28: Bảng các loại cảm biến khí khác nhau

MQ-2: Phát hiện khí dễ cháy và khói.

Làm nóng trước cảm biến trong 24 giờ.Hiệu chỉnh với nồng độ đã biết của khí mục tiêu, chẳng hạn như 1000 ppm metan.Điều chỉnh điện trở tải dựa trên điện áp đầu ra.

Quan sát sự gia tăng chậm trong điện trở khi lò sưởi bên trong ổn định.Đảm bảo cảm biến đã được làm nóng hoàn toàn trước khi đọc các bài đọc để tránh không chính xác.

MQ-3: Phát hiện hơi nước, thường được sử dụng trong hơi thở.

Làm ấm cảm biến trong ít nhất 48 giờ trước khi sử dụng ban đầu.Hiệu chỉnh với rượu 0,4 mg/L trong không khí.Điều chỉnh điện trở tải để phù hợp với nhu cầu ứng dụng cụ thể.

Giám sát độ lệch độ nhạy trong quá trình hiệu chuẩn và điều chỉnh khoảng thời gian dựa trên độ ổn định.Ghi lại nhiệt độ và độ ẩm môi trường khi chúng ảnh hưởng đến độ chính xác.

MQ-4: Phát hiện khí mê -tan và khí tự nhiên.

Làm nóng trước trong 24 giờ.Hiệu chỉnh trong môi trường được kiểm soát với metan 5000 ppm.Điều chỉnh điện trở tải cho phù hợp.

Giám sát chặt chẽ thời gian phản hồi.Phản ứng chậm có thể chỉ ra các vấn đề với độ ổn định của lò sưởi hoặc nhiệt độ trong môi trường.

MQ-5: LPG, khí tự nhiên và phát hiện khí than.

Tương tự như MQ-4 nhưng hiệu chỉnh cho nhiều loại khí sử dụng nồng độ cụ thể.

Duy trì một môi trường ổn định trong quá trình hiệu chuẩn.Biến động nhiệt độ có thể gây ra sự thay đổi đáng kể trong bài đọc.

MQ-6: Phát hiện LPG, butane, isobutane và propane.

Làm nóng trước và hiệu chỉnh như với MQ-5.Đảm bảo thông gió thích hợp để tránh nồng độ khí nguy hiểm trong quá trình hiệu chuẩn.

Hãy chú ý đến thời gian phục hồi của cảm biến sau khi tiếp xúc với nồng độ khí cao.Phơi nhiễm kéo dài có thể bão hòa cảm biến, đòi hỏi thời gian phục hồi dài hơn.

MQ-7: Phát hiện carbon monoxide.

Làm nóng trước trong 48 giờ.Hiệu chỉnh trong môi trường CO 100 ppm.Điều chỉnh điện trở tải để phù hợp với độ nhạy mong muốn.

Quan sát hành vi dưới nhiệt độ biến động vì các cảm biến CO rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ.Thực hiện một thuật toán bồi thường nếu cần.

MQ-8: Phát hiện khí hydro.

Làm nóng trước trong 24 giờ.Hiệu chỉnh trong môi trường hydro 1000 ppm.Điều chỉnh điện trở tải cho hiệu suất tối ưu.

Đảm bảo môi trường hiệu chuẩn không có khí và chất gây ô nhiễm khác, vì các cảm biến hydro rất nhạy cảm với ô nhiễm.

MQ-9: Phát hiện carbon monoxide và khí dễ cháy.

Làm nóng trước trong 48 giờ.Hiệu chỉnh riêng cho CO và khí dễ cháy sử dụng nồng độ đã biết.Điều chỉnh điện trở tải cho mỗi phát hiện khí.

Đảm bảo rằng việc hiệu chuẩn cho một khí không can thiệp vào độ nhạy với cái kia.Tập trung vào khả năng phát hiện khí kép.

MQ-131: Phát hiện ozone.

Làm nóng trước trong 24 giờ.Hiệu chỉnh trong môi trường ozone 0,1 ppm.Điều chỉnh điện trở tải cho phù hợp.

Thường xuyên kiểm tra độ nhạy cảm của cảm biến và hiệu chỉnh lại vì cảm biến ozone có thể giảm dần theo thời gian khi tiếp xúc với nồng độ cao.

MQ-135: Cảm biến chất lượng không khí phát hiện NH3, NOx, rượu, benzen, khói và CO2.

Làm nóng trước trong 24 giờ.Sử dụng các môi trường khí được kiểm soát khác nhau để hiệu chỉnh cho từng loại khí cụ thể.

Duy trì một bản ghi chi tiết về cài đặt hiệu chuẩn cho từng loại khí.Tái hiệu chuẩn thường xuyên là tốt để duy trì độ chính xác do phạm vi rộng của các khí có thể phát hiện được.

MQ-136 đến MQ-309A: Mỗi cảm biến nhắm mục tiêu các khí cụ thể và có hiệu chuẩn tương tự như được mô tả là MQ-135.

Làm nóng trước trong 24 giờ và sử dụng các môi trường khí được kiểm soát khác nhau để hiệu chỉnh cho từng loại khí cụ thể.

Hiểu độ nhạy cảm cụ thể và độ nhạy cảm chéo của từng cảm biến.Bảo trì thường xuyên, hiệu chuẩn và kiểm soát môi trường là chìa khóa cho hiệu suất tối ưu.

Ứng dụng của cảm biến khí

An toàn công nghiệp: Trong môi trường công nghiệp, các cảm biến khí theo dõi các loại khí độc hại như carbon monoxide, metan và hydro sunfua.Các cảm biến này được lắp đặt trong các khu vực dễ bị rò rỉ, chẳng hạn như nhà máy hóa chất, đơn vị sản xuất và các cơ sở lưu trữ.Họ hoạt động liên tục, gửi dữ liệu thời gian thực đến một hệ thống điều khiển trung tâm.Khi các mức khí vượt quá ngưỡng đặt, hệ thống sẽ kích hoạt báo động và tắt máy tự động để ngăn ngừa các mối nguy hiểm.Các nhà khai thác thường xuyên hiệu chỉnh các cảm biến này, thực hiện kiểm tra trường và hiệu chuẩn không nhịp để đảm bảo độ chính xác.

An toàn hộ gia đình: Ở nhà, cảm biến khí phát hiện rò rỉ khí đốt tự nhiên hoặc propan, ngăn ngừa vụ nổ hoặc ngộ độc.Các cảm biến này thường là một phần của hệ thống nhà thông minh, cảnh báo chủ nhà thông qua điện thoại thông minh hoặc liên hệ với các dịch vụ khẩn cấp.Chúng thường được lắp đặt trong nhà bếp, tầng hầm hoặc gần các thiết bị khí.Chủ nhà nên thường xuyên kiểm tra các thiết bị này và thay thế pin khi cần thiết để giữ cho chúng hoạt động.

Ngành dầu khí: Trên các giàn khoan dầu, cảm biến khí giám sát các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và các loại khí nguy hiểm khác.Các cảm biến này được xây dựng để chịu được các điều kiện ngoài khơi khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ khắc nghiệt và độ ẩm.Chúng là một phần của một hệ thống an toàn lớn hơn bao gồm các điều khiển thông gió và cơ chế tắt máy khẩn cấp.Kiểm tra hàng ngày đảm bảo các cảm biến không có chất gây ô nhiễm và hoạt động chính xác, với các điều chỉnh tại chỗ được thực hiện bằng các thiết bị hiệu chuẩn di động.

Ngành khách sạn: Trong các khách sạn, các cảm biến khí thực thi các chính sách không hút thuốc bằng cách phát hiện khói thuốc lá và kích hoạt hệ thống thông gió hoặc báo động.Được cài đặt kín đáo trong phòng khách và các khu vực chung, các cảm biến này giúp quản lý khách sạn nhanh chóng giải quyết các vi phạm và duy trì môi trường không khói thuốc.Kiểm tra bảo trì thường xuyên cảm biến sạch và xác minh độ nhạy của chúng đối với các hạt khói.

Môi trường văn phòng: Trong các tòa nhà văn phòng, cảm biến khí giám sát chất lượng không khí trong nhà, tập trung vào các chất ô nhiễm như carbon dioxide, VOC và vật chất hạt.Được tích hợp với các hệ thống HVAC, các cảm biến này điều chỉnh luồng không khí để đảm bảo không gian làm việc lành mạnh.Các nhà quản lý cơ sở phân tích dữ liệu cảm biến để tối ưu hóa thông gió, giảm chi phí năng lượng trong khi vẫn duy trì chất lượng không khí.Hiệu chuẩn định kỳ và cập nhật phần mềm được thực hiện để tăng cường hiệu suất cảm biến.

Hệ thống điều hòa không khí: Cảm biến khí trong điều hòa không khí quản lý mức CO2, cải thiện chất lượng không khí trong nhà.Một phần của hệ thống tự động, họ điều chỉnh tốc độ thông gió dựa trên nồng độ CO2 thời gian thực.Kỹ thuật viên kiểm tra chức năng cảm biến trong quá trình bảo trì thường xuyên để đảm bảo đọc chính xác và chất lượng không khí tối ưu.

Hệ thống phát hiện lửa: Cảm biến khí trong hệ thống phát hiện lửa xác định khói và khí độc như carbon monoxide sớm.Họ cung cấp các cảnh báo, cho phép sơ tán kịp thời và các biện pháp kiểm soát hỏa lực.Nhân viên an toàn hỏa hoạn thường xuyên kiểm tra các hệ thống này bằng cách mô phỏng các điều kiện khói để đảm bảo khả năng đáp ứng và độ tin cậy của cảm biến.

Hoạt động khai thác: Trong khai thác, các cảm biến khí phát hiện các loại khí nguy hiểm như metan và carbon monoxide, vì sự an toàn của công nhân.Các cảm biến này là một phần của hệ thống an toàn được nối mạng, cung cấp các điều chỉnh thông gió và giám sát tự động liên tục.Thợ mỏ cũng mang theo máy dò khí cầm tay như một biện pháp an toàn bổ sung.Đào tạo thường xuyên về sử dụng cảm biến và quy trình ứng phó khẩn cấp đảm bảo sự chuẩn bị.

Máy phân tích hơi thở: Cảm biến khí trong máy phân tích hơi thở đo nồng độ cồn trong máu (BAC) bằng cách phát hiện ethanol trong hơi thở.Được sử dụng bởi thực thi pháp luật và các cá nhân để giám sát, các thiết bị này yêu cầu hiệu chuẩn với các tiêu chuẩn ethanol đã biết để duy trì độ chính xác.Người dùng tuân theo các giao thức nghiêm ngặt, chẳng hạn như đảm bảo thiết bị ở nhiệt độ chính xác và tránh ô nhiễm, để đảm bảo kết quả đáng tin cậy.

Phần kết luận

Khi công nghệ tiến triển, các cảm biến khí đang trở nên mạnh mẽ và rộng hơn, nâng cao hiệu suất của chúng và khiến chúng cần thiết trong nhiều lĩnh vực, bao gồm an toàn công nghiệp và an ninh hộ gia đình.Hiểu cách các cảm biến khí hoạt động và cách duy trì chúng làm nổi bật tầm quan trọng kỹ thuật của họ và đóng góp đáng kể của họ để bảo vệ cuộc sống và cải thiện chất lượng môi trường xung quanh chúng ta.Cho dù trong các nhà máy, nhà cửa, hoặc không gian công cộng, cảm biến khí là chìa khóa cho một tương lai an toàn hơn, lành mạnh hơn.Khi công nghệ phát triển, các cảm biến khí đang trở nên tiến bộ và phát triển tốt hơn, nâng cao hiệu suất của chúng và làm cho chúng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, bao gồm an toàn công nghiệp và an ninh hộ gia đình.

Câu hỏi thường gặp [Câu hỏi thường gặp]

1. Cảm biến khí là gì?

Cảm biến khí là một thiết bị phát hiện sự hiện diện và nồng độ của khí trong không khí.Nó chuyển đổi thông tin hóa học từ khí thành tín hiệu điện tử có thể được đo lường và phân tích.

2. Mục đích của cảm biến khí là gì?

Mục đích chính của cảm biến khí là theo dõi và phát hiện rò rỉ khí hoặc sự hiện diện của khí nguy hiểm.Nó giúp đảm bảo an toàn bằng cách đưa ra những cảnh báo sớm về mức khí nguy hiểm, ngăn ngừa tai nạn và đảm bảo tuân thủ các quy định an toàn.

3. Ưu điểm của cảm biến khí là gì?

Cảm biến khí là các thiết bị phát hiện và đo nồng độ khí trong không khí, đảm bảo an toàn bằng cách cung cấp các cảnh báo sớm về khí nguy hiểm.Chúng là chính xác, cung cấp các phép đo chính xác và tăng cường an toàn trong các môi trường khác nhau thông qua phát hiện sớm.Cảm biến khí có thể được tích hợp vào các hệ thống tự động để giám sát liên tục, giảm nhu cầu kiểm tra thủ công và giảm chi phí lao động.Tính linh hoạt của chúng cho phép họ phát hiện một loạt các loại khí, làm cho chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng, từ các nhà máy công nghiệp và giám sát môi trường đến các môi trường y tế và an toàn dân cư.Một ví dụ là một cảm biến carbon monoxide trong các ngôi nhà cảnh báo cho người cư ngụ về mức độ nguy hiểm của khí CO.

4. Cảm biến khí được sử dụng ở đâu?

Cảm biến khí được sử dụng rộng rãi trên các ngành công nghiệp và môi trường khác nhau, bao gồm giám sát khí trong các nhà máy sản xuất, nhà máy lọc dầu và nhà máy hóa chất để đảm bảo an toàn công nghiệp.Đo lường chất lượng không khí và phát hiện mức độ ô nhiễm để bảo vệ môi trường.Phát hiện carbon monoxide và rò rỉ khí đốt tự nhiên trong nhà để an toàn cho khu dân cư.Giám sát khí hô hấp trong môi trường chăm sóc sức khỏe.Và phát hiện khí thải khí trong xe để đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường.

5. Một ví dụ về cảm biến khí là gì?

Một ví dụ phổ biến về cảm biến khí là cảm biến carbon monoxide (CO) được sử dụng trong nhà.Cảm biến này phát hiện khí CO, không màu và không mùi, cung cấp báo động khi có mức độ nguy hiểm để ngăn ngừa ngộ độc.

6. Làm thế nào để làm việc một cảm biến khí?

Một cảm biến khí hoạt động bằng cách tiếp xúc với khí đích, tương tác với vật liệu phát hiện của cảm biến, gây ra phản ứng hóa học làm thay đổi tính chất của cảm biến.Thay đổi này được chuyển đổi thành tín hiệu điện tử, sau đó được xử lý và đo lường để cung cấp đầu ra có thể đọc được, chẳng hạn như giá trị số hoặc báo động.Ví dụ, một cảm biến carbon monoxide trong nhà liên tục theo dõi không khí.Nếu khí CO được phát hiện, nó phản ứng với cảm biến, tạo ra tín hiệu điện tử kích hoạt báo động nếu mức CO quá cao, cảnh báo bạn về mối nguy hiểm.