Các loại cảm biến khí và ứng dụng của chúng trong thiết bị phát hiện và giám sát khí
Với sự phát triển của ngành hóa dầu, các loại và phạm vi ứng dụng của các loại khí dễ cháy, nổ và độc hại đã tăng lên. Các loại khí này một khi bị rò rỉ trong quá trình sản xuất, vận chuyển, sử dụng sẽ gây ngộ độc, cháy, thậm chí là cháy nổ, gây nguy hiểm nghiêm trọng đến tính mạng con người và an toàn tài sản. Do khả năng khuếch tán của bản thân khí, sau khi xảy ra rò rỉ, khí sẽ khuếch tán dọc theo bề mặt đất dưới tác động của lực gió bên ngoài và gradient nồng độ bên trong, tạo thành vụ nổ đốt hoặc vùng nguy hiểm độc hại tại nơi xảy ra tai nạn và mở rộng diện tích. khu vực nguy hiểm.
Khi xảy ra tai nạn rò rỉ gas, phải thực hiện các biện pháp tương ứng càng sớm càng tốt để giảm thiểu tổn thất do tai nạn. Việc phát hiện kịp thời và đáng tin cậy hàm lượng của một số loại khí nhất định trong không khí, các biện pháp khắc phục kịp thời và hiệu quả cũng như các phương pháp xử lý đúng cách để giảm thiểu tai nạn do rò rỉ là những điều kiện cần thiết để tránh gây thiệt hại lớn về tài sản và thương vong. Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với thiết bị giám sát và phát hiện khí. Là một máy dò khí quan trọng, cảm biến khí đã được phát triển rất nhiều trong những năm gần đây. Sự phát triển của cảm biến khí làm cho ứng dụng của nó ngày càng mở rộng.
Tổng quan về cảm biến khí
Nước ngoài bắt đầu nghiên cứu và phát triển cảm biến khí từ những năm 1930. Trước đây, cảm biến khí chủ yếu được sử dụng để phát hiện và báo động khí than, khí dầu mỏ hóa lỏng, khí tự nhiên và khí đốt trong các mỏ. Hiện nay, các loại khí cần phát hiện đã mở rộng từ khí khử ban đầu (H2, C4H10, CH4) sang khí độc (CO, NO2, H2S, NO, NH3, PH3).
Có nhiều loại cảm biến khí. Theo các vật liệu cảm biến khí khác nhau và đặc tính cảm biến khí được sử dụng, nó có thể được chia thành loại bán dẫn, loại chất điện phân rắn, loại điện hóa, loại đốt tiếp xúc, loại polymer, v.v.
Cảm biến khí bán dẫn
Cảm biến này chủ yếu sử dụng vật liệu bán dẫn nhạy cảm với khí. Kể từ khi cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn ra đời vào năm 1962, nó đã được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm là độ nhạy cao và phản ứng nhanh, đồng thời trở thành một trong những cảm biến lớn nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Theo các cách khác nhau để phát hiện đại lượng đặc tính cảm nhận khí, nó được chia thành hai loại: loại điện trở và loại không điện trở.
Cảm biến khí bán dẫn điện trở hoạt động bằng cách phát hiện sự thay đổi của cảm biến khí với hàm lượng khí. Vật liệu nhạy cảm với khí gốm oxit kim loại chủ yếu được sử dụng. Với việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới như oxit kim loại tổng hợp và oxit kim loại hỗn hợp trong những năm gần đây, các đặc tính và phạm vi ứng dụng của cảm biến khí này đã được cải thiện rất nhiều. Ví dụ: Cảm biến khí WO3 có thể phát hiện dải nồng độ NH3 từ 5ppm đến 50ppm, cảm biến khí ZnO-CuO rất nhạy với 200ppm CO.
Cảm biến khí bán dẫn không điện trở hoạt động trên nguyên tắc dòng điện hoặc điện áp của cảm biến khí thay đổi theo hàm lượng khí. Chủ yếu có loại diode MOS và loại diode tiếp giáp, và cảm biến khí loại ống hiệu ứng trường. Hầu hết các khí phát hiện là các khí dễ cháy như hydro và silan.
Cảm biến khí điện phân rắn
Cảm biến khí điện phân rắn sử dụng vật liệu cảm biến khí điện phân rắn làm bộ phận cảm biến khí. Nguyên lý là vật liệu nhạy cảm với khí tạo ra các ion khi đi qua khí, từ đó hình thành suất điện động và đo lực điện động để đo nồng độ khí. Do độ dẫn điện cao, độ nhạy và độ chọn lọc tốt của cảm biến này nên nó đã được sử dụng rộng rãi và đi vào hầu hết các lĩnh vực hóa dầu, bảo vệ môi trường, khai thác mỏ, v.v., chỉ đứng sau cảm biến khí bán dẫn oxit kim loại. Ví dụ YST-Au-WO3 để đo H2S, NH cộng 4CaCO3 để đo NH3, v.v.
Cảm biến khí đốt tiếp xúc
Nó có thể được chia thành loại đốt tiếp xúc trực tiếp và loại đốt tiếp xúc xúc tác. Nguyên lý làm việc của nó là: khi vật liệu nhạy cảm với khí được cung cấp năng lượng, khí dễ cháy bị oxy hóa và đốt cháy dưới tác dụng của chất xúc tác, và nhiệt sinh ra làm nóng dây đốt nóng, từ đó thay đổi giá trị điện trở của nó và đo sự thay đổi của điện trở để đo nồng độ khí. Cảm biến này chỉ có thể đo các loại khí dễ cháy và không nhạy cảm với các loại khí không cháy. Ví dụ, các cảm biến được chế tạo bằng cách phủ các chất xúc tác hoạt tính Rh và Pd lên dây Pt có đặc tính phổ rộng, nghĩa là chúng có thể phát hiện các loại khí dễ cháy khác nhau. Cảm biến khí đốt tiếp xúc rất ổn định ở nhiệt độ môi trường và có thể phát hiện hầu hết các loại khí dễ cháy với giới hạn nổ thấp hơn. Nó được sử dụng rộng rãi trong việc giám sát và báo động các loại khí dễ cháy trong các nhà máy hóa dầu, nhà máy đóng tàu, hầm mỏ, phòng tắm, nhà bếp, v.v.
Cảm biến khí polyme
Cảm biến khí sử dụng vật liệu cảm biến khí polymer đã được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Khi vật liệu cảm biến khí polymer gặp một loại khí cụ thể, các tính chất vật lý của nó như điện trở, hằng số điện môi, tốc độ và tần số truyền sóng âm bề mặt vật liệu và trọng lượng vật liệu sẽ thay đổi. Chủ yếu có các polyme phthalocyanine, màng LB, phenylcyanine acetylene, polyvinyl rượu-axit photphoric, polyisobutylene, aminoundecyl silane, v.v. Vật liệu cảm biến khí polymer đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện khí độc và độ tươi của thực phẩm do chúng dễ vận hành, quy trình đơn giản, độ chọn lọc tốt ở nhiệt độ phòng, giá thành thấp và dễ dàng kết hợp với các cảm biến cấu trúc vi mô và thiết bị sóng âm bề mặt. Theo đặc tính cảm biến khí của vật liệu được sử dụng, loại cảm biến này có thể được chia thành: cảm biến khí điện trở polymer đo nồng độ khí bằng cách đo điện trở của vật liệu cảm biến khí; cảm biến nồng độ khí loại pin đo lực điện động để xác định nồng độ khí bằng cách hình thành một tế bào nồng độ khi vật liệu cảm biến khí hấp thụ khí; cảm biến khí sóng âm bề mặt được chế tạo dựa trên nguyên tắc tốc độ lan truyền hoặc tần số của sóng âm trên bề mặt vật liệu thay đổi sau khi polyme cảm biến khí hấp thụ khí; Cảm biến khí polymer có độ nhạy cao đối với các phân tử khí cụ thể, độ chọn lọc tốt, cấu trúc đơn giản, có thể sử dụng ở nhiệt độ bình thường và có thể bổ sung những thiếu sót của các cảm biến khí khác.
