Typy plynových senzorů a jejich aplikace v zařízeních pro detekci a monitorování plynů
S rozvojem petrochemického průmyslu se rozšířily typy a rozsahy použití hořlavých, výbušných a toxických plynů. Jakmile tyto plyny uniknou během výroby, přepravy a používání, způsobí otravy, požáry a dokonce i výbuchy a vážně ohrozí životy lidí a bezpečnost majetku. Vzhledem k difuzibilitě samotného plynu dojde po vzniku úniku k jeho difúzi po povrchu země působením vnější síly větru a vnitřního koncentračního gradientu, čímž vznikne v místě havárie výbuch hoření nebo jedovatá nebezpečná zóna a rozšíří se nebezpečná oblast.
Jakmile dojde k havárii s únikem plynu, musí být co nejdříve přijata odpovídající opatření, aby se minimalizovaly ztráty způsobené havárií. Včasná a spolehlivá detekce obsahu určitých plynů v ovzduší, včasná a účinná nápravná opatření a správné metody likvidace ke snížení nehod způsobených únikem jsou nezbytnými podmínkami pro zamezení většímu majetku a obětem na životech. To klade vyšší požadavky na zařízení pro detekci a monitorování plynů. Jako důležitý detektor plynu byl plynový senzor v posledních letech značně vyvinut. Vývoj plynového senzoru činí jeho aplikaci stále širší.
Přehled senzoru plynu
Zahraniční země začaly zkoumat a vyvíjet senzory plynu ve 30. letech 20. století. V minulosti se senzory plynu používaly především pro detekci a alarm uhelného plynu, zkapalněného ropného plynu, zemního plynu a plynu v dolech. V současnosti se druhy plynů, které je třeba detekovat, rozšířily z původních redukčních plynů (H2, C4H10, CH4) na plyny toxické (CO, NO2, H2S, NO, NH3, PH3).
Existuje mnoho typů plynových senzorů. Podle různých použitých materiálů pro snímání plynu a charakteristik snímání plynu je lze rozdělit na typ polovodiče, typ pevného elektrolytu, elektrochemický typ, typ kontaktního spalování, typ polymeru atd.
Polovodičový senzor plynu
Tento senzor používá převážně polovodičové materiály citlivé na plyn. Od té doby, co byl v roce 1962 uveden polovodičový plynový senzor na bázi oxidu kovu, je široce používán pro své výhody vysoké citlivosti a rychlé odezvy a stal se jedním z největších a nejpoužívanějších senzorů na světě. Podle různých způsobů detekce charakteristické veličiny snímající plyn se dělí na dva typy: odporový typ a bezodporový typ.
Odporový polovodičový senzor plynu funguje tak, že detekuje změnu senzoru plynu s obsahem plynu. Používají se hlavně keramické materiály citlivé na plyny. S výzkumem a vývojem nových materiálů, jako jsou kompozitní oxidy kovů a smíšené oxidy kovů v posledních letech, se vlastnosti a rozsah použití tohoto plynového senzoru výrazně zlepšily. Například: senzor plynu WO3 dokáže detekovat rozsah koncentrace NH3 od 5 ppm do 50 ppm, senzor plynu ZnO-CuO je velmi citlivý na 200 ppm CO.
Bezodporové polovodičové senzory plynů pracují na principu, že proud nebo napětí plynového senzoru se mění s obsahem plynu. Existuje hlavně typ diody MOS a typ spojovací diody a senzor plynu typu trubice s efektem pole. Většina detekčních plynů jsou hořlavé plyny, jako je vodík a silan.
Senzor plynu s pevným elektrolytem
Senzory plynu s pevným elektrolytem používají jako prvky pro snímání plynu materiály pro snímání plynu s pevným elektrolytem. Princip spočívá v tom, že materiál citlivý na plyn generuje při průchodu plynem ionty, čímž vytváří elektromotorickou sílu a měří elektromotorickou sílu pro měření koncentrace plynu. Díky vysoké vodivosti, dobré citlivosti a selektivitě tohoto senzoru byl široce používán a pronikl téměř do všech oblastí petrochemie, ochrany životního prostředí, hornictví atd., na druhém místě po senzorech polovodičových plynů na bázi oxidů kovů. Například YST-Au-WO3 pro měření H2S, NH plus 4CaCO3 pro měření NH3 atd.
Kontaktní snímač spalin
Lze jej rozdělit na typ přímého kontaktního spalování a typ katalytického kontaktního spalování. Jeho pracovní princip je: když je materiál citlivý na plyn pod napětím, hořlavý plyn se oxiduje a hoří působením katalyzátoru a generované teplo zahřívá topný drát, čímž se mění jeho hodnota odporu a měří se změna odporu k měření koncentrace plynu. Tento senzor dokáže měřit pouze hořlavé plyny a je necitlivý na nehořlavé plyny. Například senzory vyrobené nanesením aktivních katalyzátorů Rh a Pd na Pt drát mají širokospektrální charakteristiky, to znamená, že mohou detekovat různé hořlavé plyny. Kontaktní senzor spalin je velmi stabilní při okolní teplotě a dokáže detekovat většinu hořlavých plynů se spodní hranicí výbušnosti. Je široce používán při monitorování a alarmu hořlavých plynů v petrochemických závodech, loděnicích, důlních tunelech, koupelnách, kuchyních atd.
Polymerový senzor plynu
Plynové senzory využívající polymerní materiály pro snímání plynů byly v posledních letech značně vyvinuty. Když polymerní materiál snímající plyn narazí na specifický plyn, změní se jeho fyzikální vlastnosti, jako je odpor, dielektrická konstanta, rychlost a frekvence šíření akustické vlny materiálu a hmotnost materiálu. Jedná se především o ftalocyaninové polymery, LB fólie, fenylkyanacetylen, polyvinylalkohol-kyselina fosforečná, polyisobutylen, aminoundecyl silan aj. Polymerní plyny snímající materiály hrají důležitou roli při detekci toxických plynů a čerstvosti potravin pro snadnou obsluhu, jednoduchý proces, dobrá selektivita při pokojové teplotě, nízká cena a snadná kombinace s mikrostrukturními senzory a zařízeními s povrchovými akustickými vlnami. Podle vlastností použitých materiálů snímajících plyn lze tento typ senzoru rozdělit na: polymerní odporové senzory plynu, které měří koncentraci plynu měřením odporu materiálů snímajících plyn; snímače plynu typu koncentrační baterie, které měří elektromotorickou sílu pro stanovení koncentrace plynu vytvořením koncentračního článku, když materiál snímající plyn absorbuje plyn; snímače plynu s povrchovou akustickou vlnou, které jsou vyrobeny na principu, že rychlost šíření nebo frekvence zvukových vln na povrchu materiálu se mění poté, co polymer snímající plyn absorbuje plyn; Polymerní plynový senzor má vysokou citlivost na specifické molekuly plynu, dobrou selektivitu, jednoduchou strukturu, lze jej použít při normální teplotě a může doplnit nedostatky jiných plynových senzorů.
