eng
Где применяют газоанализаторы? В системах непрерывного мониторинга окружающей среды, а также для автоматического измерения концентрации угарного газа и объема горючих газов в атмосфере коммунально-бытовых и промышленных помещений. Они своевременно подают сигнал опасности, когда превышаются предельные отметки концентрации газов, находящихся под контролем.
При выборе датчиков газа необходимо учитывать диапазон рабочих температур, принцип действия (определяет время реакции на концентрацию газа), срок службы (время наработки на отказ) и линейность характеристик измеряемых параметров (зависимость между измеряемой концентрацией и выходным параметром датчика).
На быстрорастущем мировом рынке газового оборудования в последнее время появились надежные и недорогие предложения. Производят их во многих странах – от Великобритании и США до Китая и Японии.
На российском рынке широко представлена продукция таких ведущих компаний, как Nemoto (Япония), Dynament, Alphasense, Sixth Sense (Великобритания), Membrapor (Швейцария). Также предлагаются аксессуары и дополнительное оборудование к газовым сенсорам, датчикам и газоанализаторам. Краткое описание перечисленных производителей и основные серии выпускаемых ими датчиков приведены ниже.
Компания Nemoto
Компания Nemoto – один из мировых лидеров по изготовлению недорогих термокаталитических и электрохимических сенсоров и датчиков для детектирования и определения концентрации горючих, токсичных газов и газовых примесей в составе воздуха. Она имеет 65-летний опыт производства своих устройств.
Газовые сенсоры Nemoto применяют в таких областях, как безопасность труда, контроль технологических параметров, пожарно-охранная безопасность, вентиляция и кондиционирование помещений, контроль качества воздуха, в бытовых устройствах. Благодаря низким ценам и качеству наибольшую известность получили газовые датчики на метан и угарный газ для промышленного и бытового применения: электрохимический NAP-505 (CO) и каталитический NAP-55A (CH4) (рис.1, 2).
Отравление угарным газом очень опасно и нередко приводит к смерти. Дело в том, что окись углерода вырабатывается при неполном сгорании топлива. При вдыхании угарного газа он объединяется с гемоглобином в крови и блокирует его функцию в организме, таким кислород перестает поступать в клетки. Поскольку многие семьи в Европе и Америке имеют в домах камины и пристроенные гаражи, UL-стандарт требует обязательного использования детекторов утечки СО в жилых помещениях. Также очень важно контролировать уровень угарного газа в салоне автомобиля.
Традиционные детекторы выпускаются по устаревшей технологии с использованием полупроводниковых датчиков газа. Их чувствительность достаточно мала для быстрого реагирования на утечку. В связи с этим, стандарты UL ужесточаются с каждым годом (в Европе используется стандарт EN50291), что делает применение полупроводниковых датчиков невозможным.
Японская компания Nemoto работает сегодня над новым поколением датчиков СО, которые удовлетворяли бы современным требованиям безопасности UL и EN. Таким образом, появился электрохимический датчик угарного газа NAP-505, который имеет полностью отличный от полупроводниковых компонентов принцип обнаружения утечки. Новые датчики высокоэффективны, надежны и недороги.
Электрохимические датчики детектируют газы посредством измерения электрических параметров, создаваемых химической реакцией (окисление). В случае с угарным газом протекает следующая химическая реакция (рис.3):
CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e-.
Монооксид углерода окисляется на детекторном электроде, и возникают ионы водорода. На противоэлектроде ионы водорода (на двух электродах образуется равное количество ионов) вступают в реакцию с кислородом, поступающим из окружающей среды, и образуют воду. В результате такой цепной реакции образуется электрический заряд, пропорциональный концентрации газа.
Отличительные особенности электрохимических датчиков угарного газа: линейный выходной сигнал, пропорциональный концентрации газа; отличная повторяемость; высокая чувствительность; стабилизированный выходной сигнал; не чувствительны к влажности; не требуют нагрева, малое энергопотребление, возможность батарейного питания; малые габаритные размеры и масса, возможность применения в портативной электронике; механически прочная конструкция, стойкость к вибрации и ударам.
Сегодня для анализа горючих компонентов воздуха широко применяют и термокаталитические методы. Основные преимущества данных методов и созданных на их основе приборов – это простота эксплуатации, портативность, повышенный ресурс работы, высокая точность и быстродействие. Все это позволяет легко автоматизировать технологический процесс, а также собирать и накапливать необходимую аналитическую информацию.
Принцип действия термокаталитического сенсора NAP-55-A (CH4) основан на измерении концентрации определяемого компонента газовой смеси по количеству тепла, выделяющегося при химической реакции каталитического окисления. Сенсор представляет собой два чувствительных элемента, находящихся в реакционной камере, и два резистора. При попадании паров бензина или метана в реакционную камеру происходит их сгорание на обоих чувствительных элементах. На чувствительном элементе, покрытом слоем катализатора, горючий компонент сгорает с большей скоростью. Это приводит к более сильному разогреванию данного элемента, и соответственно, к большему изменению его сопротивления. Вследствие этого возникает разность сопротивлений между двумя чувствительными элементами и разбаланс мостовой схемы, который регистрируется. Разность сопротивлений является сигналом сенсора, она регистрируется в виде напряжения, величина которого пропорциональна концентрации углеводорода в анализируемой смеси. Чувствительные элементы в зависимости от назначения подразделяют на измерительный и компенсационный. В рабочем чувствительном элементе, изготовленном, как и компенсационный, в виде спирали из литого платинового микропровода в стеклоизоляции, на поверхность наносят в виде шарика оксид алюминия и катализатор. Слой из оксида алюминия выполняет роль пористого носителя для катализатора.
Модели датчиков компании Nemoto и основные характеристики приведены в табл.1.
Компания Alphasense
Alphasense – независимый разработчик и производитель газовых сенсоров и датчиков. Газовые сенсоры под маркой Alphasense быстро получили международное признание. Компанией был введен в эксплуатацию современный завод, расположенный в городе Грейт Нотли, Великобритания. Аlphasense предлагает широкий ассортимент электрохимических газовых сенсоров кислорода O2 и токсичных газов (рис.4). Все сенсоры имеют гарантию от протечки. а их параметры можно проверить по штрих-коду.
Электрохимические датчики не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации (как правило, он составляет несколько лет). Они отличаются низким потреблением электроэнергии, что особенно актуально при питании от батарей или аккумуляторов в мобильных устройствах газового контроля. С подобными устройствами легко передавать данные с подвижных объектов на центральные станции обработки экологической информации. Основные модели датчиков и перечень детектируемых газов приведены в табл.2.
Компания Dynament
Английская компания Dynament специализируется в области разработки и производства инфракрасных (оптических) газовых датчиков и сенсоров.
Оптические сенсоры основаны на принципе инфракрасной спектроскопии NDIR (non-dispersive infrared). Приборы на основе этой технологии появились во второй половине ХХ века. В то время оптические газоаналитические датчики были достаточно громоздкими, так как требовали использования механических деталей – обтюратора: вращающегося диска со смонтированными в нем интерференционными фильтрами, обеспечивающего модуляцию сигнала от лампочки накаливания. Но уже к середине 1990-х годов технический прогресс позволил сделать значительный шаг вперед, оптические датчики приобрели ряд существенных улучшений.
Первый усовершенствованный вариант был разработан в середине 1990-х годов специалистами фирмы E2V. В качестве источника ИК-излучения была предложена новейшая по тем временам импульсная лампа накаливания, а в качестве приемника – пироэлектрические фотодетекторы. Использование импульсной лампы позволило избавиться от механического обтюратора, существенно уменьшить габариты и повысить надежность. Применение пироэлектрических приемников дало высокую стабильность характеристик при изменении температуры, так как приемники этого типа имеют одинаковую чувствительность во всем спектральном диапазоне. Кроме того, высокая мощность излучения лампы в полосе измерения дала возможность получить требуемые характеристики чувствительности датчика без использования системы зеркал; мощности сигнала лампы оказалось достаточно, чтобы эффективное измерение концентрации газа обеспечивалось светом, отраженным от стенок газовой ячейки и принятым пироэлектрическим фотодетектором.
Данная технология оптического ИК-датчика оказалась удачной и надежной, поэтому с различными модификациями была воспроизведена еще несколькими производителями (в частности Dynament, Clair Air, CTL, т.д.). Сегодня она широко используется многими фирмами по всему миру. В качестве источника света в современных инфракрасных датчиках работают крептоновые и аргоновые лампы.
Однако существенный минус этих датчиков газа – высокое энергопотребление (не менее 200 мВт). Это серьезная преграда для его дальнейшей адаптации к нуждам современного производства: созданию автономных и необслуживаемых газоанализаторов с беспроводным интерфейсом.
Продукция Dynament представлена в трех основных категориях: газовые сенсоры метана CH4, газовые сенсоры углекислого газа CO2, газовые сенсоры диоксида азота N2O. Она производится в двух сериях (табл.3): серия Premier — сенсор, в который встроена плата, содержащая АЦП, микроконтроллер, RS232 (на выход подает откалиброванный сигнал); серия Standard — сенсор, к которому подключается отдельная плата и калибруется по газу.
По желанию заказчика изготавливают сенсоры во взрывозащищенном исполнении. Инновационный подход компании был отмечен многочисленными патентами на продукцию в США и Великобритании.
В июне 2010 года компания Dynament анонсировала расширение температурного диапазона выпускаемых оптических сенсоров серии Standart от -50 до 70оС.
Компания Sixth Sense
Компания Sixth Sense (Великобритания) выпускает электрохимические, термокаталитические и оптические датчики газа промышленного и бытового применения, предназначенные для обнаружения широкого диапазона ядовитых и горючих газов. Годовое производство Sixth Sense — более 1 млн. газовых датчиков. В номенклатуре компании выделяют следующие сенсоров:
SureCell. Газовые сенсоры. Эти датчики последнего поколения используются в системах безопасности и газоанализаторах. Сенсоры SureCell способны детектировать такие газы, как оксид углерода CO, диоксид азота NO2, оксид азота NO, хлор CL2, диоксид серы SO2, сероводород H2S. Они способны долго работать при высокой влажности и имеют срок службы от двух лет.
ECO-Sure. Сенсоры угарного газа. Специально разработаны для обеспечения безопасности в жилых помещениях, обнаружения огня (пожара) и общего контроля угарного газа CO, например, на автостоянках.
Micro Toxic. Малогабаритные газовые сенсоры предназначены для портативной аппаратуры. Планируется и в дальнейшем сокращать габариты этих изделий.
SL. Сенсоры кислорода. Разработаны специально, чтобы преодолеть проблемы, связанные со стандартными металлическими газовыми сенсорами кислорода О2.
Основные модели датчиков и перечень детектируемых газов приведены в табл.4.
Компания Мembrapor
Меmbrapor – инновационно-технологическое предприятие, расположенное в городе Цюрих, Швейцария. На протяжении 15 лет компания производит газовые датчики и сенсоры токсичных газов. Все газовые сенсоры спроектированы непосредственно компанией Меmbrapor и изготовлены на заводе компании в Цюрихе. Газовые сенсоры Membrapor представлены в основных индустриальных стандартах, способных определять концентрацию таких газов, как аммиак NH3, хлорид водорода HCL, озон O3, фосфин PH3, силан SiH4, формальдегид CH2O, этилен C2H2, оксид углерода CO, водород H2, диоксид азота NO2, оксид азота NO, хлор CL2, диоксид серы SO2, цианистый водород HCN, сероводород H2S (табл.5).
Компания Membrapor разработала полностью инновационные газодиффузионные электроды и электрохимические датчики токсичных газов, высоконадежные и чувствительные.
Датчики газа Membrapor широко используются в стационарных и портативных приборах, в том числе в системах обнаружения, детекторах персональной безопасности, анализаторах газов сгорания и устройствах контроля выдыхаемых газов. Принцип работы датчика прост, надежен и недорог. Их применяют в основном для высокочувствительного измерения концентрации токсичных газов. Современная технология позволяет производить не только относительно простые газодиффузионные электроды для этих датчиков, покрытые одним катализатором на политетрафторэтиленовой основе, но и сложные электроды, содержащие несколько катализаторов или несколько слоев электрода. Благодаря этому газовые датчики Membrapor являются прочными, точными, оптимально настроенными на измеряемый газ и с их помощью можно производить измерения на низких уровнях ррт и в агрессивной окружающей среде.
Использована информация с сайтов: www.nemoto.com, www.alphasense.com, www.sixthsense.com, www. membrapor.com, www.dynament.com
На быстрорастущем мировом рынке газового оборудования в последнее время появились надежные и недорогие предложения. Производят их во многих странах – от Великобритании и США до Китая и Японии.
На российском рынке широко представлена продукция таких ведущих компаний, как Nemoto (Япония), Dynament, Alphasense, Sixth Sense (Великобритания), Membrapor (Швейцария). Также предлагаются аксессуары и дополнительное оборудование к газовым сенсорам, датчикам и газоанализаторам. Краткое описание перечисленных производителей и основные серии выпускаемых ими датчиков приведены ниже.
Компания Nemoto
Компания Nemoto – один из мировых лидеров по изготовлению недорогих термокаталитических и электрохимических сенсоров и датчиков для детектирования и определения концентрации горючих, токсичных газов и газовых примесей в составе воздуха. Она имеет 65-летний опыт производства своих устройств.
Газовые сенсоры Nemoto применяют в таких областях, как безопасность труда, контроль технологических параметров, пожарно-охранная безопасность, вентиляция и кондиционирование помещений, контроль качества воздуха, в бытовых устройствах. Благодаря низким ценам и качеству наибольшую известность получили газовые датчики на метан и угарный газ для промышленного и бытового применения: электрохимический NAP-505 (CO) и каталитический NAP-55A (CH4) (рис.1, 2).
Отравление угарным газом очень опасно и нередко приводит к смерти. Дело в том, что окись углерода вырабатывается при неполном сгорании топлива. При вдыхании угарного газа он объединяется с гемоглобином в крови и блокирует его функцию в организме, таким кислород перестает поступать в клетки. Поскольку многие семьи в Европе и Америке имеют в домах камины и пристроенные гаражи, UL-стандарт требует обязательного использования детекторов утечки СО в жилых помещениях. Также очень важно контролировать уровень угарного газа в салоне автомобиля.
Традиционные детекторы выпускаются по устаревшей технологии с использованием полупроводниковых датчиков газа. Их чувствительность достаточно мала для быстрого реагирования на утечку. В связи с этим, стандарты UL ужесточаются с каждым годом (в Европе используется стандарт EN50291), что делает применение полупроводниковых датчиков невозможным.
Японская компания Nemoto работает сегодня над новым поколением датчиков СО, которые удовлетворяли бы современным требованиям безопасности UL и EN. Таким образом, появился электрохимический датчик угарного газа NAP-505, который имеет полностью отличный от полупроводниковых компонентов принцип обнаружения утечки. Новые датчики высокоэффективны, надежны и недороги.
Электрохимические датчики детектируют газы посредством измерения электрических параметров, создаваемых химической реакцией (окисление). В случае с угарным газом протекает следующая химическая реакция (рис.3):
CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e-.
Монооксид углерода окисляется на детекторном электроде, и возникают ионы водорода. На противоэлектроде ионы водорода (на двух электродах образуется равное количество ионов) вступают в реакцию с кислородом, поступающим из окружающей среды, и образуют воду. В результате такой цепной реакции образуется электрический заряд, пропорциональный концентрации газа.
Отличительные особенности электрохимических датчиков угарного газа: линейный выходной сигнал, пропорциональный концентрации газа; отличная повторяемость; высокая чувствительность; стабилизированный выходной сигнал; не чувствительны к влажности; не требуют нагрева, малое энергопотребление, возможность батарейного питания; малые габаритные размеры и масса, возможность применения в портативной электронике; механически прочная конструкция, стойкость к вибрации и ударам.
Сегодня для анализа горючих компонентов воздуха широко применяют и термокаталитические методы. Основные преимущества данных методов и созданных на их основе приборов – это простота эксплуатации, портативность, повышенный ресурс работы, высокая точность и быстродействие. Все это позволяет легко автоматизировать технологический процесс, а также собирать и накапливать необходимую аналитическую информацию.
Принцип действия термокаталитического сенсора NAP-55-A (CH4) основан на измерении концентрации определяемого компонента газовой смеси по количеству тепла, выделяющегося при химической реакции каталитического окисления. Сенсор представляет собой два чувствительных элемента, находящихся в реакционной камере, и два резистора. При попадании паров бензина или метана в реакционную камеру происходит их сгорание на обоих чувствительных элементах. На чувствительном элементе, покрытом слоем катализатора, горючий компонент сгорает с большей скоростью. Это приводит к более сильному разогреванию данного элемента, и соответственно, к большему изменению его сопротивления. Вследствие этого возникает разность сопротивлений между двумя чувствительными элементами и разбаланс мостовой схемы, который регистрируется. Разность сопротивлений является сигналом сенсора, она регистрируется в виде напряжения, величина которого пропорциональна концентрации углеводорода в анализируемой смеси. Чувствительные элементы в зависимости от назначения подразделяют на измерительный и компенсационный. В рабочем чувствительном элементе, изготовленном, как и компенсационный, в виде спирали из литого платинового микропровода в стеклоизоляции, на поверхность наносят в виде шарика оксид алюминия и катализатор. Слой из оксида алюминия выполняет роль пористого носителя для катализатора.
Модели датчиков компании Nemoto и основные характеристики приведены в табл.1.
Компания Alphasense
Alphasense – независимый разработчик и производитель газовых сенсоров и датчиков. Газовые сенсоры под маркой Alphasense быстро получили международное признание. Компанией был введен в эксплуатацию современный завод, расположенный в городе Грейт Нотли, Великобритания. Аlphasense предлагает широкий ассортимент электрохимических газовых сенсоров кислорода O2 и токсичных газов (рис.4). Все сенсоры имеют гарантию от протечки. а их параметры можно проверить по штрих-коду.
Электрохимические датчики не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации (как правило, он составляет несколько лет). Они отличаются низким потреблением электроэнергии, что особенно актуально при питании от батарей или аккумуляторов в мобильных устройствах газового контроля. С подобными устройствами легко передавать данные с подвижных объектов на центральные станции обработки экологической информации. Основные модели датчиков и перечень детектируемых газов приведены в табл.2.
Компания Dynament
Английская компания Dynament специализируется в области разработки и производства инфракрасных (оптических) газовых датчиков и сенсоров.
Оптические сенсоры основаны на принципе инфракрасной спектроскопии NDIR (non-dispersive infrared). Приборы на основе этой технологии появились во второй половине ХХ века. В то время оптические газоаналитические датчики были достаточно громоздкими, так как требовали использования механических деталей – обтюратора: вращающегося диска со смонтированными в нем интерференционными фильтрами, обеспечивающего модуляцию сигнала от лампочки накаливания. Но уже к середине 1990-х годов технический прогресс позволил сделать значительный шаг вперед, оптические датчики приобрели ряд существенных улучшений.
Первый усовершенствованный вариант был разработан в середине 1990-х годов специалистами фирмы E2V. В качестве источника ИК-излучения была предложена новейшая по тем временам импульсная лампа накаливания, а в качестве приемника – пироэлектрические фотодетекторы. Использование импульсной лампы позволило избавиться от механического обтюратора, существенно уменьшить габариты и повысить надежность. Применение пироэлектрических приемников дало высокую стабильность характеристик при изменении температуры, так как приемники этого типа имеют одинаковую чувствительность во всем спектральном диапазоне. Кроме того, высокая мощность излучения лампы в полосе измерения дала возможность получить требуемые характеристики чувствительности датчика без использования системы зеркал; мощности сигнала лампы оказалось достаточно, чтобы эффективное измерение концентрации газа обеспечивалось светом, отраженным от стенок газовой ячейки и принятым пироэлектрическим фотодетектором.
Данная технология оптического ИК-датчика оказалась удачной и надежной, поэтому с различными модификациями была воспроизведена еще несколькими производителями (в частности Dynament, Clair Air, CTL, т.д.). Сегодня она широко используется многими фирмами по всему миру. В качестве источника света в современных инфракрасных датчиках работают крептоновые и аргоновые лампы.
Однако существенный минус этих датчиков газа – высокое энергопотребление (не менее 200 мВт). Это серьезная преграда для его дальнейшей адаптации к нуждам современного производства: созданию автономных и необслуживаемых газоанализаторов с беспроводным интерфейсом.
Продукция Dynament представлена в трех основных категориях: газовые сенсоры метана CH4, газовые сенсоры углекислого газа CO2, газовые сенсоры диоксида азота N2O. Она производится в двух сериях (табл.3): серия Premier — сенсор, в который встроена плата, содержащая АЦП, микроконтроллер, RS232 (на выход подает откалиброванный сигнал); серия Standard — сенсор, к которому подключается отдельная плата и калибруется по газу.
По желанию заказчика изготавливают сенсоры во взрывозащищенном исполнении. Инновационный подход компании был отмечен многочисленными патентами на продукцию в США и Великобритании.
В июне 2010 года компания Dynament анонсировала расширение температурного диапазона выпускаемых оптических сенсоров серии Standart от -50 до 70оС.
Компания Sixth Sense
Компания Sixth Sense (Великобритания) выпускает электрохимические, термокаталитические и оптические датчики газа промышленного и бытового применения, предназначенные для обнаружения широкого диапазона ядовитых и горючих газов. Годовое производство Sixth Sense — более 1 млн. газовых датчиков. В номенклатуре компании выделяют следующие сенсоров:
SureCell. Газовые сенсоры. Эти датчики последнего поколения используются в системах безопасности и газоанализаторах. Сенсоры SureCell способны детектировать такие газы, как оксид углерода CO, диоксид азота NO2, оксид азота NO, хлор CL2, диоксид серы SO2, сероводород H2S. Они способны долго работать при высокой влажности и имеют срок службы от двух лет.
ECO-Sure. Сенсоры угарного газа. Специально разработаны для обеспечения безопасности в жилых помещениях, обнаружения огня (пожара) и общего контроля угарного газа CO, например, на автостоянках.
Micro Toxic. Малогабаритные газовые сенсоры предназначены для портативной аппаратуры. Планируется и в дальнейшем сокращать габариты этих изделий.
SL. Сенсоры кислорода. Разработаны специально, чтобы преодолеть проблемы, связанные со стандартными металлическими газовыми сенсорами кислорода О2.
Основные модели датчиков и перечень детектируемых газов приведены в табл.4.
Компания Мembrapor
Меmbrapor – инновационно-технологическое предприятие, расположенное в городе Цюрих, Швейцария. На протяжении 15 лет компания производит газовые датчики и сенсоры токсичных газов. Все газовые сенсоры спроектированы непосредственно компанией Меmbrapor и изготовлены на заводе компании в Цюрихе. Газовые сенсоры Membrapor представлены в основных индустриальных стандартах, способных определять концентрацию таких газов, как аммиак NH3, хлорид водорода HCL, озон O3, фосфин PH3, силан SiH4, формальдегид CH2O, этилен C2H2, оксид углерода CO, водород H2, диоксид азота NO2, оксид азота NO, хлор CL2, диоксид серы SO2, цианистый водород HCN, сероводород H2S (табл.5).
Компания Membrapor разработала полностью инновационные газодиффузионные электроды и электрохимические датчики токсичных газов, высоконадежные и чувствительные.
Датчики газа Membrapor широко используются в стационарных и портативных приборах, в том числе в системах обнаружения, детекторах персональной безопасности, анализаторах газов сгорания и устройствах контроля выдыхаемых газов. Принцип работы датчика прост, надежен и недорог. Их применяют в основном для высокочувствительного измерения концентрации токсичных газов. Современная технология позволяет производить не только относительно простые газодиффузионные электроды для этих датчиков, покрытые одним катализатором на политетрафторэтиленовой основе, но и сложные электроды, содержащие несколько катализаторов или несколько слоев электрода. Благодаря этому газовые датчики Membrapor являются прочными, точными, оптимально настроенными на измеряемый газ и с их помощью можно производить измерения на низких уровнях ррт и в агрессивной окружающей среде.
Использована информация с сайтов: www.nemoto.com, www.alphasense.com, www.sixthsense.com, www. membrapor.com, www.dynament.com
Отзывы читателей
