Vďaka rýchlemu rozvoju technológií, ako je internet vecí a umelá inteligencia, plynové senzory, dôležité snímacie zariadenia známe ako „päť elektrických zmyslov“, prijímajú nebývalé rozvojové príležitosti. Od počiatočného monitorovania priemyselných toxických a škodlivých plynov až po ich široké uplatnenie v lekárskej diagnostike, inteligentných domácnostiach, monitorovaní životného prostredia a ďalších oblastiach, technológia plynových senzorov prechádza hlbokou transformáciou z jednej funkcie na inteligenciu, miniaturizáciu a viacrozmernosť. Tento článok komplexne analyzuje technické charakteristiky, najnovší pokrok vo výskume a globálny stav aplikácie plynových senzorov, s osobitným dôrazom na vývojové trendy v oblasti monitorovania plynov v krajinách ako Čína a Spojené štáty.
Technické charakteristiky a vývojové trendy plynových senzorov
Ako prevodník, ktorý premieňa objemový podiel špecifického plynu na zodpovedajúci elektrický signál, sa plynový senzor stal nevyhnutnou a dôležitou súčasťou modernej senzorickej technológie. Tento typ zariadenia spracováva vzorky plynu pomocou detekčných hlavíc, čo zvyčajne zahŕňa kroky, ako je filtrovanie nečistôt a rušivých plynov, sušenie alebo chladenie a nakoniec premena informácií o koncentrácii plynu na merateľné elektrické signály. V súčasnosti sú na trhu rôzne typy plynových senzorov, vrátane polovodičových, elektrochemických, katalytických, infračervených a fotoionizačných (PID) plynových senzorov atď. Každý z nich má svoje vlastné charakteristiky a je široko používaný v civilnom, priemyselnom a environmentálnom testovaní.
Stabilita a citlivosť sú dva základné ukazovatele na hodnotenie výkonu plynových senzorov. Stabilita sa vzťahuje na zachovanie základnej odozvy senzora počas celej jeho pracovnej doby, ktorá závisí od nulové odchýlky a intervalovej odchýlky. V ideálnom prípade by pre vysokokvalitné senzory v nepretržitých prevádzkových podmienkach mal byť ročný nulová odchýlka menšia ako 10 %. Citlivosť sa vzťahuje na pomer zmeny výstupu senzora k zmene meraného vstupu. Citlivosť rôznych typov senzorov sa výrazne líši, najmä v závislosti od technických princípov a výberu materiálu, ktorý používajú. Okrem toho sú dôležitými parametrami na hodnotenie výkonu plynových senzorov aj selektivita (t. j. krížová citlivosť) a odolnosť voči korózii. Prvá určuje schopnosť senzora rozpoznávať v prostredí zmiešaných plynov, zatiaľ čo druhá súvisí s toleranciou senzora vo vysoko koncentrovaných cieľových plynoch.
Súčasný vývoj technológie plynových senzorov predstavuje niekoľko zjavných trendov. V prvom rade sa výskum a vývoj nových materiálov a nových procesov neustále prehlbuje. Tradičné polovodičové materiály na báze oxidov kovov, ako sú ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ atď., dosiahli vyspelosť. Výskumníci dopujú, modifikujú a povrchovo upravujú existujúce materiály citlivé na plyn metódami chemickej modifikácie a zároveň zlepšujú proces tvorby filmu, aby sa zvýšila stabilita a selektivita senzorov. Zároveň sa aktívne rozvíja aj vývoj nových materiálov, ako sú kompozitné a hybridné polovodičové materiály citlivé na plyn a polymérne materiály citlivé na plyn. Tieto materiály vykazujú vyššiu citlivosť, selektivitu a stabilitu voči rôznym plynom.
Inteligencia senzorov je ďalším dôležitým smerom vývoja. Vďaka úspešnému využitiu nových materiálových technológií, ako sú nanotechnológie a tenkovrstvové technológie, sa plynové senzory stávajú integrovanejšími a inteligentnejšími. Vďaka plnému využitiu multidisciplinárnych integrovaných technológií, ako sú mikromechanická a mikroelektronická technológia, počítačová technológia, technológia spracovania signálov, senzorová technológia a technológia diagnostiky porúch, výskumníci vyvíjajú plne automatické digitálne inteligentné plynové senzory schopné súčasne monitorovať viacero plynov. Typickým predstaviteľom tohto trendu je viacrozmerný senzor typu chemickej odolnosti a potenciálu, ktorý nedávno vyvinula výskumná skupina docenta Yi Jianxina zo Štátneho kľúčového laboratória požiarnej vedy na Univerzite vedy a techniky v Číne. Tento senzor realizuje trojrozmernú detekciu a presnú identifikáciu viacerých plynov a charakteristík požiaru pomocou jediného zariadenia 59.
Optimalizácia poľa a algoritmov sa tiež teší čoraz väčšej pozornosti. Vzhľadom na problém so širokospektrálnou odozvou jedného plynového senzora je náchylný na rušenie, keď sa súčasne vyskytuje viacero plynov. Použitie viacerých plynových senzorov na vytvorenie poľa sa stalo účinným riešením na zlepšenie schopnosti rozpoznávania. Zväčšením rozmerov detekovaného plynu môže pole senzorov získať viac signálov, čo vedie k vyhodnoteniu viacerých parametrov a zlepšeniu schopnosti úsudku a rozpoznávania. S rastúcim počtom senzorov v poli sa však zvyšuje aj zložitosť spracovania údajov. Preto je optimalizácia poľa senzorov obzvlášť dôležitá. Pri optimalizácii poľa sa široko používajú metódy ako korelačný koeficient a klastrová analýza, zatiaľ čo algoritmy na rozpoznávanie plynov, ako je analýza hlavných komponentov (PCA) a umelá neurónová sieť (ANN), výrazne zlepšili schopnosť senzorov rozpoznávať vzory.
Tabuľka: Porovnanie výkonu hlavných typov plynových senzorov
Typ senzora, princíp fungovania, výhody a nevýhody, typická životnosť
Adsorpcia plynu polovodičovým typom má nízke náklady na zmenu odporu polovodičov, rýchlu odozvu, nízku selektivitu a je výrazne ovplyvnená teplotou a vlhkosťou počas 2 až 3 rokov.
Elektrochemický plyn podlieha REDOX reakciám za vzniku prúdu, ktorý má dobrú selektivitu a vysokú citlivosť. Elektrolyt má však obmedzené opotrebovanie a životnosť 1 – 2 roky (pre kvapalný elektrolyt).
Katalytické spaľovanie horľavého plynu spôsobuje zmeny teploty. Je špeciálne navrhnuté na detekciu horľavého plynu a je použiteľné pre horľavý plyn iba približne tri roky.
Infračervené plyny majú vysokú presnosť pri absorpcii infračerveného svetla špecifických vlnových dĺžok, nespôsobujú otravu, ale majú vysoké náklady a relatívne veľký objem po dobu 5 až 10 rokov.
Fotoionizačná (PID) ultrafialová fotoionizácia na detekciu plynných molekúl prchavých organických zlúčenín má vysokú citlivosť a nedokáže rozlíšiť typy zlúčenín po dobu 3 až 5 rokov.
Stojí za zmienku, že hoci technológia plynových senzorov dosiahla značný pokrok, stále čelí niektorým bežným výzvam. Životnosť senzorov obmedzuje ich použitie v určitých oblastiach. Napríklad životnosť polovodičových senzorov je približne 2 až 3 roky, životnosť elektrochemických plynových senzorov je približne 1 až 2 roky v dôsledku straty elektrolytu, zatiaľ čo životnosť elektrochemických senzorov s pevným elektrolytom môže dosiahnuť 5 rokov. Okrem toho sú dôležitými faktormi obmedzujúcimi široké použitie plynových senzorov aj problémy s driftom (zmeny v odozve senzora v priebehu času) a problémy s konzistenciou (rozdiely vo výkone medzi senzormi v tej istej dávke). V reakcii na tieto problémy sa výskumníci na jednej strane zaväzujú zlepšovať materiály a výrobné procesy citlivé na plyn a na druhej strane kompenzujú alebo potláčajú vplyv driftu senzora na výsledky merania vývojom pokročilých algoritmov spracovania údajov.
Rôznorodé scenáre použitia plynových senzorov
Technológia plynových senzorov prenikla do každého aspektu spoločenského života. Jej aplikačné scenáre už dávno prekročili tradičný rozsah monitorovania priemyselnej bezpečnosti a rýchlo sa rozširujú do viacerých oblastí, ako je zdravotníctvo, monitorovanie životného prostredia, inteligentná domácnosť a bezpečnosť potravín. Tento trend diverzifikovaných aplikácií nielen odráža možnosti, ktoré prináša technologický pokrok, ale stelesňuje aj rastúci spoločenský dopyt po detekcii plynov.
Priemyselná bezpečnosť a monitorovanie nebezpečných plynov
V oblasti priemyselnej bezpečnosti zohrávajú plynové senzory nenahraditeľnú úlohu, najmä vo vysoko rizikových odvetviach, ako je chemické inžinierstvo, ropa a baníctvo. Čínsky „14. päťročný plán pre bezpečnú výrobu nebezpečných chemikálií“ jasne vyžaduje, aby chemické priemyselné parky zaviedli komplexný systém monitorovania a včasného varovania pred toxickými a škodlivými plynmi a podporovali výstavbu inteligentných platforiem na kontrolu rizík. „Akčný plán pre priemyselný internet a bezpečnosť práce“ tiež nabáda parky k nasadeniu senzorov internetu vecí a platforiem pre analýzu umelej inteligencie s cieľom dosiahnuť monitorovanie v reálnom čase a koordinovanú reakciu na riziká, ako je únik plynu. Tieto politické smerovania výrazne podporili používanie plynových senzorov v oblasti priemyselnej bezpečnosti.
Moderné systémy monitorovania priemyselných plynov vyvinuli rôzne technické postupy. Technológia zobrazovania plynového oblaku vizualizuje únik plynu vizuálnym znázornením hmotnosti plynu ako zmien v úrovniach sivej v pixeloch na obraze. Jej detekčná schopnosť súvisí s faktormi, ako je koncentrácia a objem unikajúceho plynu, rozdiel teplôt pozadia a monitorovacia vzdialenosť. Technológia infračervenej spektroskopie s Fourierovou transformáciou dokáže kvalitatívne a semikvantitatívne monitorovať viac ako 500 typov plynov vrátane anorganických, organických, toxických a škodlivých a dokáže súčasne skenovať 30 typov plynov. Je vhodná pre komplexné požiadavky na monitorovanie plynov v chemických priemyselných parkoch. Tieto pokročilé technológie v kombinácii s tradičnými plynovými senzormi tvoria viacúrovňovú sieť monitorovania bezpečnosti priemyselných plynov.
Na úrovni konkrétnej implementácie musia priemyselné systémy monitorovania plynov spĺňať sériu národných a medzinárodných noriem. Čínska „Norma pre návrh a signalizáciu horľavých a toxických plynov v petrochemickom priemysle“ GB 50493-2019 a „Všeobecná technická špecifikácia pre bezpečnostné monitorovanie hlavných zdrojov nebezpečných chemikálií“ AQ 3035-2010 poskytujú technické špecifikácie pre priemyselné monitorovanie plynov 26. Na medzinárodnej úrovni OSHA (Úrad pre bezpečnosť a ochranu zdravia pri práci Spojených štátov) vyvinul sériu noriem pre detekciu plynov, ktoré vyžadujú detekciu plynu pred prevádzkou v uzavretých priestoroch a zabezpečujú, aby koncentrácia škodlivých plynov vo vzduchu bola pod bezpečnou úrovňou 610. Normy NFPA (Národná asociácia protipožiarnej ochrany Spojených štátov), ako napríklad NFPA 72 a NFPA 54, stanovujú špecifické požiadavky na detekciu horľavých a toxických plynov 610.
Zdravotné poistenie a diagnostika chorôb
Oblasť medicíny a zdravotníctva sa stáva jedným z najsľubnejších trhov s aplikáciami plynových senzorov. Vydychovaný plyn ľudského tela obsahuje veľké množstvo biomarkerov súvisiacich so zdravotnými problémami. Detekciou týchto biomarkerov je možné dosiahnuť včasný skríning a priebežné monitorovanie chorôb. Typickým predstaviteľom tejto aplikácie je ručné zariadenie na detekciu acetónu v dýchaní, ktoré vyvinul tím Dr. Wang Di z Výskumného centra superpercepcie v laboratóriu Zhejiang. Toto zariadenie využíva kolorimetrickú technológiu na meranie obsahu acetónu vo vydychovanom ľudskom dychu detekciou zmeny farby materiálov citlivých na plyn, čím sa dosahuje rýchla a bezbolestná detekcia cukrovky 1. typu.
Keď je hladina inzulínu v ľudskom tele nízka, nedokáže premieňať glukózu na energiu a namiesto toho rozkladá tuky. Ako jeden z vedľajších produktov po rozklade tukov sa z tela dýchaním vylučuje acetón. Dr. Wang Di vysvetlil: 1. V porovnaní s tradičnými krvnými testami ponúka táto metóda dychového testu lepší diagnostický a terapeutický zážitok. Tím navyše vyvíja acetónový senzor s „denným uvoľňovaním“. Toto lacné nositeľné zariadenie dokáže automaticky merať acetónový plyn uvoľňovaný z pokožky nepretržite. V budúcnosti môže v kombinácii s technológiou umelej inteligencie pomôcť pri diagnostike, monitorovaní a liečebnom postupe pri cukrovke.
Okrem cukrovky vykazujú plynové senzory veľký potenciál aj v liečbe chronických ochorení a monitorovaní respiračných ochorení. Krivka koncentrácie oxidu uhličitého je dôležitým základom pre posúdenie stavu pľúcnej ventilácie pacientov, zatiaľ čo koncentračné krivky určitých plynových markerov odrážajú trend vývoja chronických ochorení. Interpretácia týchto údajov si tradične vyžadovala účasť zdravotníckeho personálu. S posilnením technológie umelej inteligencie však inteligentné plynové senzory dokážu nielen detekovať plyny a kresliť krivky, ale aj určiť stupeň vývoja ochorenia, čím výrazne znižujú tlak na zdravotnícky personál.
V oblasti nositeľných zdravotníckych zariadení je aplikácia plynových senzorov stále v počiatočnom štádiu, ale vyhliadky sú široké. Výskumníci zo spoločnosti Zhuhai Gree Electric Appliances poukázali na to, že hoci sa domáce spotrebiče líšia od zdravotníckych zariadení s funkciami diagnostiky chorôb, v oblasti každodenného monitorovania zdravia domácností majú polia plynových senzorov výhody, ako sú nízke náklady, neinvazívnosť a miniaturizácia, vďaka čomu sa očakáva ich čoraz častejšie objavovanie v domácich spotrebičoch, ako sú spotrebiče na starostlivosť o ústnu dutinu a inteligentné toalety, ako pomocné monitorovacie riešenia a riešenia monitorovania v reálnom čase. S rastúcim dopytom po domácom zdraví sa monitorovanie ľudského zdravia prostredníctvom domácich spotrebičov stane dôležitým smerom pre rozvoj inteligentných domácností.
Monitorovanie životného prostredia a prevencia a kontrola znečistenia
Monitorovanie životného prostredia je jednou z oblastí, kde sa plynové senzory najširšie uplatňujú. S rastúcim globálnym dôrazom na ochranu životného prostredia rastie aj dopyt po monitorovaní rôznych znečisťujúcich látok v atmosfére. Plynové senzory dokážu detekovať škodlivé plyny, ako je oxid uhoľnatý, oxid siričitý a ozón, a poskytujú tak účinný nástroj na monitorovanie kvality ovzdušia.
Elektrochemický plynový senzor UGT-E4 od spoločnosti British Gas Shield Company je reprezentatívnym produktom v oblasti monitorovania životného prostredia. Dokáže presne merať obsah znečisťujúcich látok v atmosfére a poskytovať včasnú a presnú dátovú podporu pre oddelenia ochrany životného prostredia. Tento senzor vďaka integrácii s modernými informačnými technológiami dosahuje funkcie, ako je diaľkové monitorovanie, nahrávanie údajov a inteligentný alarm, čím výrazne zvyšuje efektivitu a pohodlie detekcie plynov. Používatelia môžu sledovať zmeny koncentrácie plynu kedykoľvek a kdekoľvek jednoducho prostredníctvom svojich mobilných telefónov alebo počítačov, čo poskytuje vedecký základ pre environmentálny manažment a tvorbu politík.
Pokiaľ ide o monitorovanie kvality vnútorného ovzdušia, dôležitú úlohu zohrávajú aj plynové senzory. Norma EN 45544 vydaná Európskym výborom pre normalizáciu (EN) je určená špeciálne pre testovanie kvality vnútorného ovzdušia a pokrýva požiadavky na testovanie rôznych škodlivých plynov 610. Bežné senzory oxidu uhličitého, formaldehydu atď. na trhu sa široko používajú v občianskych rezidenciách, komerčných budovách a verejných zábavných zariadeniach a pomáhajú ľuďom vytvárať zdravšie a pohodlnejšie vnútorné prostredie. Najmä počas pandémie COVID-19 sa vnútornému vetraniu a kvalite ovzdušia venovala nebývalá pozornosť, čo ďalej podporuje vývoj a aplikáciu súvisiacich senzorových technológií.
Monitorovanie emisií uhlíka je novým smerom aplikácie plynových senzorov. Vzhľadom na globálnu uhlíkovú neutralitu sa presné monitorovanie skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, stalo obzvlášť dôležitým. Infračervené senzory oxidu uhličitého majú v tejto oblasti jedinečné výhody vďaka svojej vysokej presnosti, dobrej selektivite a dlhej životnosti. „Pokyny pre výstavbu inteligentných platforiem na riadenie bezpečnostných rizík v chemických priemyselných parkoch“ v Číne uvádzajú monitorovanie horľavých/toxických plynov a analýzu sledovania zdrojov úniku ako povinnú náplň stavby, čo odráža dôraz kladený na politickej úrovni na úlohu monitorovania plynov v oblasti ochrany životného prostredia.
Inteligentná domácnosť a bezpečnosť potravín
Inteligentná domácnosť je najsľubnejším trhom s aplikáciami plynových senzorov pre spotrebiteľov. V súčasnosti sa plynové senzory používajú hlavne v domácich spotrebičoch, ako sú čističky vzduchu a klimatizácie. So zavedením polí senzorov a inteligentných algoritmov sa však postupne využíva ich aplikačný potenciál v scenároch, ako je konzervovanie, varenie a monitorovanie zdravia.
Pokiaľ ide o konzerváciu potravín, plynové senzory dokážu monitorovať nepríjemné pachy uvoľňované potravinami počas skladovania, aby sa určila ich čerstvosť. Výsledky nedávneho výskumu ukazujú, že či už sa na monitorovanie koncentrácie pachu použije jeden senzor alebo pole plynových senzorov v kombinácii s metódami rozpoznávania vzorov na určenie čerstvosti potravín, dosiahli sa dobré výsledky. Avšak vzhľadom na zložitosť skutočných scenárov používania chladničky (ako je rušenie od otvárania a zatvárania dverí používateľmi, spúšťanie a vypínanie kompresorov a vnútorná cirkulácia vzduchu atď.), ako aj vzájomný vplyv rôznych prchavých plynov z potravinových zložiek, stále existuje priestor na zlepšenie presnosti určovania čerstvosti potravín.
Aplikácie varenia sú ďalším dôležitým scenárom pre plynové senzory. Počas procesu varenia vznikajú stovky plynných zlúčenín vrátane pevných častíc, alkánov, aromatických zlúčenín, aldehydov, ketónov, alkoholov, alkénov a iných prchavých organických zlúčenín. V takomto komplexnom prostredí vykazujú polia plynových senzorov zreteľnejšie výhody ako jednotlivé senzory. Štúdie ukazujú, že polia plynových senzorov sa môžu použiť na určenie stavu varenia jedla na základe osobnej chuti alebo ako pomocný nástroj na monitorovanie stravovania na pravidelné hlásenie varných návykov používateľom. Faktory prostredia varenia, ako sú vysoká teplota, výpary z varenia a vodná para, však môžu ľahko spôsobiť „otravu“ senzora, čo je technický problém, ktorý je potrebné vyriešiť.
V oblasti bezpečnosti potravín výskum tímu Wang Di preukázal potenciálnu aplikačnú hodnotu plynových senzorov. Ich cieľom je „identifikovať desiatky plynov súčasne pomocou malého pluginu pre mobilný telefón“ a sú odhodlaní sprístupniť informácie o bezpečnosti potravín. Toto vysoko integrované olfaktorické zariadenie dokáže detekovať prchavé zložky v potravinách, určiť čerstvosť a bezpečnosť potravín a poskytovať spotrebiteľom informácie v reálnom čase.
Tabuľka: Hlavné detekčné objekty a technické charakteristiky plynových senzorov v rôznych oblastiach použitia
Oblasti použitia, hlavné detekčné objekty, bežne používané typy senzorov, technické výzvy, vývojové trendy
Priemyselná bezpečnosť horľavých plynov, toxických plynov katalytickým spaľovaním, elektrochemickým spaľovaním, tolerancia drsného prostredia, synchrónne monitorovanie viacerých plynov, sledovanie zdroja úniku
Lekárske a zdravotnícke polovodičové prevedenie acetónu, CO₂, VOC, kolorimetrického typu, selektivity a citlivosti, nositeľná a inteligentná diagnostika
Dlhodobé nasadenie stabilnej siete a prenos údajov v reálnom čase na monitorovanie životného prostredia znečisťujúcich látok ovzdušia a skleníkových plynov v infračervenej a elektrochemickej forme
Prchavý plyn z jedla pre inteligentné domácnosti, polovodičový typ dymu na varenie, PID ochrana proti rušeniu
Kontaktujte, prosím, spoločnosť Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Webová stránka spoločnosti:www.hondetechco.com
Tel.: +86-15210548582
Čas uverejnenia: 11. júna 2025