eng
Выпуск #2/2014
А.Большаков, И.Сердюк, М.Карякин
Газовая и пожарная безопасность. Сенсоры и приборы ОАО "Авангард"
Газовая и пожарная безопасность. Сенсоры и приборы ОАО "Авангард"
Просмотры: 4106
Приводятся результаты разработки ОАО "Авангард" полупроводниковых газовых сенсоров и приборов на их основе, проводимой в кооперации с Минским НИИРМ.
Теги: fire sensors gas analyzers gas sensors газовые анализаторы газовые сенсоры пожарные извещатели
Источниками информации в системах, обеспечивающих газовую и пожарную безопасность, являются газовые датчики, газосигнализаторы и пожарные извещатели, которые совместно с аппаратурой сбора, передачи и обработки информации определяют основные эксплуатационные характеристики системы. Основу таких систем должна составлять широкая номенклатура газовых сенсоров, технологически совместимых с микроэлектронными средствами обработки данных.
Анализ развития газовых сенсоров, выполненный ведущими специалистами Института теоретической и физической химии Тюбингенского университета (Германия) еще в конце 80-х годов ХХ века, показал, что наиболее перспективные для массового применения – полупроводниковые газовые сенсоры, изготовленные на основе металлооксидных структур с применением микроэлектронных технологий [1].
Газовые сенсоры
Приборы для обеспечения газовой безопасности, создаваемые ОАО "Авангард", выпускаются на основе твердотельных хемосорбционных первичных преобразователей (сенсоров) собственной разработки – ТКС-2АМ, ПГС-1А, ПГС-2А – и разработки Минского НИИРМ – СП-1.
Термокаталитический сенсор серии ТКС-2АМ
Принцип действия термокаталитического сенсо-
ра ТКС-2АМ (рис.1) основан на беспламенном окислении метана и горючих газов на мелкодисперсных катализаторах – металлах платиновой группы. Выделяющееся при реакции окисления тепло способствует изменению сопротивления газочувствительного элемента пропорционально концентрации газа.
Термокаталитические сенсоры могут быть применены для обнаружения различных горючих веществ, таких как углеводороды ряда метана, непредельные углеводороды, водород, пары нефтепродуктов, растворителей, спиртов и др. Основным преимуществом термокаталитического сенсора в сравнении с полупроводниковым является более низкая чувствительность к воздействию температуры и влажности. Она обусловлена наличием компенсационного элемента, встраиваемого непосредственно в реакционную камеру сенсора.
Термокаталитические сенсоры более устойчивы к отравлению (загрязнению), имеют быстрый отклик и высокую линейность сигнала на концентрации газа до 60% НКПР.
К недостаткам термокаталитических сенсоров можно отнести малую чувствительность к низким концентрациям горючих газов (например, сенсор нечувствителен к концентрации СН4 ниже 0,1 об.%) [2, 3].
Технические характеристики газового сенсора серии ТКС-2АМ приведены в табл.1.
Полупроводниковые сенсоры ПГС-1А и ПГС-2А
Сенсоры предназначены для контроля горючих и токсичных газов. Основа полупроводниковых газовых сенсоров – первичный чувствительный элемент (ПЧЭ), в качестве которого обычно используются металлооксидные полупроводниковые соединения, такие как SnO2, In2O3, ZnO, Ga2O3. Среди них наиболее распространен диоксид олова, благодаря своей более высокой технологичности и совместимости с другими конструктивными элементами ПЧЭ (нагревательными элементами, металлическими межсоединениями, изоляционными слоями и т.д.). Активный слой SnO2 образует резистивный элемент, который при контакте с контролируемым газом изменяет свою проводимость вследствие хемосорбционных реакций на поверхности металлооксида или в его объеме на глубине волны Дебая. Для активации реакции на поверхности SnO2 формируются предусмотренные для этого катализаторы, в качестве которых чаще всего используются такие элементы, как Pt, Pd, Ag и др. [4].
Преимущества полупроводниковых сенсоров – высокая чувствительность к малым концентрациям газа, высокое быстродействие и широкий диапазон определяемых газов (сенсор обнаруживает как горючие, так и токсичные газы).
Один из недостатков полупроводниковых сенсоров – дрейф характеристик из-за ускорения процессов диффузии в газочувствительных слоях сенсора при воздействии высокой рабочей температуры (400–450°С). Другие недостатки – высокая чувствительность к изменениям температуры и влажности, что требует применения дополнительных средств компенсации, и высокая чувствительность к парам используемых в быту веществ (алкоголя, косметических веществ и др.), что требует применения специальных фильтров [5].
Перечень определяемых газов и другие технические характеристики газовых сенсоров серии ПГС-1А (рис.2) и ПГС-2А приведены в табл.2.
Полупроводниковый сенсор серии СП-1
Полупроводниковый сенсор СП-1 (рис.3) изготавливается Минским НИИРМ и содержит в своей конструкции подложку из анодированного оксида алюминия [6]. Характеристики газового сенсора СП-1 приведены в табл.3.
Приборы для обеспечения газовой безопасности
Приборы изготавливаются на основе полупроводниковых газовых сенсоров производства ОАО "Авангард".
Газосигнализатор АВУС-КОМБИ
Это одна из наиболее востребованных разработок ОАО "Авангард" (рис.4). Компактный современный корпус органично вписывается в административное, промышленное либо жилое помещение. Внешний дизайн позволил максимально отойти от прямоугольных и громоздких газосигнализаторов. Круглый пластиковый корпус выполнен в стиле датчиков охранно-пожарной сигнализации. Разработчики ОАО "Авангард", руководствуясь современной тенденцией развития комплексных систем безопасности, создали газосигнализатор АВУС-КОМБИ так, чтобы он мог быть встроен в любой существующий интерфейс передачи данных по проводному и беспроводному типу (современные системы комплексной безопасности, умный дом и др.). АВУС-КОМБИ – многофункциональный газосигнализатор на основе модульной конструкции с дополнительными функциями: самотестирование, сигнализация о превышении температуры окружающей среды, проводное и беспроводное взаимодействие с другими газосигнализаторами и внешними системами сбора, обработки и индикации информации [7].
Контролируемые газы: метан, пропан-бутановые смеси, углекислый газ.
Технические характеристики газосигнализаторов серии АВУС-КОМБИ приведены в табл.4.
Газоанализатор АВУС-ДГ
Основу промышленных систем газовой безопасности производства ОАО "Авангард" составляют стационарные газосигнализаторы АВУС-ДГ-СО и АВУС-ДГ-CH4 (рис.5). Они предназначены для автоматического непрерывного контроля концентрации угарного газа (CO) и метана (CH4) в воздухе промышленных (взрывоопасных) и жилых объектов. Газоанализаторы позволяют не только обнаружить превышение допустимых концентраций, но и своевременно принять эффективные меры по снижению загазованности. Анализируемая среда – воздух рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005.
Газосигнализаторы АВУС-ДГ-СО и АВУС-ДГ-CH4 могут работать как самостоятельно, так и в составе комплекса "Система мониторинга окружающей среды АВУС-СКЗ" или иного оборудования. Обмен информацией по RS-485 обеспечивается в соответствии с протоколами АВУС-СКЗ или MODBUS.
Технические характеристики газосигнализаторов серии АВУС-ДГ приведены в табл.5.
Датчик АВУС-ДШ
Одна из последних разработок ОАО "Авангард" – газовый датчик АВУС-ДШ (рис.6). Корпус датчика выполнен из нержавеющей стали во взрывозащищенном конструктиве, соответствующем международному стандарту (высота 16 мм, диаметр 20 мм). Контактная группа, схема включения, диапазон питающих напряжений и протокол выходного сигнала датчика АВУС-ДШ соответствуют аналогичным параметрам оптического газового датчика компании Dynament. Это позволяет устанавливать датчики АВУС-ДШ в существующие приборы без внесения изменений в конструкцию приборов. Газовый датчик АВУС-ДШ предназначен для непрерывного контроля концентрации горючих (CH4, С3Н8, Н2, С2Н2, С2Н4) и токсичных (СО, NO2, NH3) газов в воздухе промышленных (взрывоопасных) и жилых объектов. Он имеет два варианта исполнения: с термокаталитическим сенсором (на горючие газы) и с полупроводниковым сенсором (на горючие и токсичные газы).
Основные характеристики газового датчика серии АВУС-ДШ приведены в табл.6.
Приборы для обеспечения пожарной безопасности
Одним из опасных сопутствующих факторов пожара, характерных для процесса любого пиролиза (тление, горение), является CO (угарный газ). Также характерно, что CO в концентрациях, пригодных для его обнаружения и выделения над фоновой концентрацией, проявляется намного раньше, чем другие сопутствующие факторы пожара, по которым чаще всего производится обнаружение, – дым, температура, открытое пламя [8, 9]. Примерный график развития пожара приведен на рис.7.
Временной интервал Δ между появлением угарного газа на уровне 5–10 ppm и появлением частиц дыма в зависимости от вида горючих веществ и других факторов может составлять до 2 ч. Таким образом, применение газовых пожарных извещателей, предназначенных для контроля концентрации CO в воздухе, дает весомое преимущество в обнаружении пожара на ранних стадиях, его локализации и тушении до причинения существенного ущерба зданиям, помещениям и здоровью людей.
Модуль пожарного извещателя
Для раннего обнаружения пожара на начальной его стадии по газовым составляющим, характерным для процессов пиролиза, специалистами ОАО "Авангард" на базе полупроводникового газового сенсора ПГС-1А был разработан модуль газового пожарного извещателя с низким энергопотреблением (менее 10 мВт) (рис.8). Он имеет два исполнения: для работы в диапазоне температур от –20 до 50°С (рис.8а) и в диапазоне от –65 до 75°С (рис.8б).
Технические характеристики газового модуля приведены в табл.7.
Пожарный извещатель АВУС-КПИ
Развивая направление систем пожарной безопасности, ОАО "Авангард" разработало комбинированный (газодымовой) пожарный извещатель (КПИ) – АВУС-КПИ (рис.9). Это надежное средство раннего обнаружения пожаров. Контроль атмо-
сферы защищаемых помещений производится газовым датчиком оксида углерода и чувствительным оптикоэлектронным датчиком дыма. Двухканальный контроль позволяет обнаружить пожар на ранних стадиях возгорания при одновременной минимизации ложных тревог, вызванных наличием в атмосфере помещения пыли, паров и других газов.
Применение датчиков в адресных системах дает возможность отслеживать состояние воздушной среды по целевым параметрам, а также превышение концентрации по каждому из контролируемых каналов.
Основные характеристики комбинированного пожарного извещателя АВУС-КПИ приведены в табл.8.
В России практически отсутствуют регламентирующие документы для установки КПИ. Однако, несмотря на текущую нормативную недостаточность и относительно высокую стоимость (от 1500 руб.), будущее рынка пожарных извещателей связывается с мультисенсорными КПИ. Использование КПИ в составе систем пожарной сигнализации и автоматизированного пожаротушения позволит снизить затраты организаций-потребителей в расчете на период эксплуатации (меньшие потери от нарушений работы объектов из-за ложных срабатываний традидиционных ПИ). Поэтому серийное производство КПИ для реализации систем раннего обнаружения пожара является актуальной задачей.
Литература
Göpel W., Hesse J., Zewel J. Sensors. A Curehensive Surveg, vol.1. Fundamentals and General Acts, VSH, Weinheim, 1989.
Сердюк И.В. Термокаталитические газовые сенсоры ТКС-2А и ТКС-2АМ и газосигнализаторы на их основе. – Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской подготовки ОАО "Авангард", 2012, вып. 4, с.215–228.
Патент РФ №2460064 от 20.05.2011. Способ изготовления чувствительного каталитического элемента термохимического датчика. Сердюк И.В. Шубарев В.А.
Бубнов Ю., Голиков А., Казак А. Полупроводниковые сенсоры и газоаналитические приборы на их основе. – Электроника:НТБ, 2008, спецвыпуск, с.72–76.
Сердюк И.В., Смирнов М.С. Полупроводниковые газовые сенсоры для контроля кон-
центраций горючих и токсичных газов. – Вопросы радиоэлектроники, 2013, вып.1, с.131–142.
Таратын И.А., Сердюк И.В., Смирнов М.С., Гринчук А.П. Датчики пожарных извещателей на основе низкоэнергопотребляющих газовых сенсоров для раннего предупреждения возгораний. – Нано- и микросистемная техника, 2012, №8.
Миняков О.Л., Михайлов А.Н. ОАО "Авангард" – инновационные решения в области газовой безопасности. – Сфера нефтегаз, промышленная безопасность, 2011, №4, с.96–99.
Васильев.А., Олихов И., Соколов А. Газовые сенсоры для пожарных извещателей. – Электроника:НТБ, 2005, №2.
Голиков А.В., Шубарев В.А. Системы пожарной безопасности с газовыми сенсорными модулями. – Электроника:НТБ, 2008, №10.
Анализ развития газовых сенсоров, выполненный ведущими специалистами Института теоретической и физической химии Тюбингенского университета (Германия) еще в конце 80-х годов ХХ века, показал, что наиболее перспективные для массового применения – полупроводниковые газовые сенсоры, изготовленные на основе металлооксидных структур с применением микроэлектронных технологий [1].
Газовые сенсоры
Приборы для обеспечения газовой безопасности, создаваемые ОАО "Авангард", выпускаются на основе твердотельных хемосорбционных первичных преобразователей (сенсоров) собственной разработки – ТКС-2АМ, ПГС-1А, ПГС-2А – и разработки Минского НИИРМ – СП-1.
Термокаталитический сенсор серии ТКС-2АМ
Принцип действия термокаталитического сенсо-
ра ТКС-2АМ (рис.1) основан на беспламенном окислении метана и горючих газов на мелкодисперсных катализаторах – металлах платиновой группы. Выделяющееся при реакции окисления тепло способствует изменению сопротивления газочувствительного элемента пропорционально концентрации газа.
Термокаталитические сенсоры могут быть применены для обнаружения различных горючих веществ, таких как углеводороды ряда метана, непредельные углеводороды, водород, пары нефтепродуктов, растворителей, спиртов и др. Основным преимуществом термокаталитического сенсора в сравнении с полупроводниковым является более низкая чувствительность к воздействию температуры и влажности. Она обусловлена наличием компенсационного элемента, встраиваемого непосредственно в реакционную камеру сенсора.
Термокаталитические сенсоры более устойчивы к отравлению (загрязнению), имеют быстрый отклик и высокую линейность сигнала на концентрации газа до 60% НКПР.
К недостаткам термокаталитических сенсоров можно отнести малую чувствительность к низким концентрациям горючих газов (например, сенсор нечувствителен к концентрации СН4 ниже 0,1 об.%) [2, 3].
Технические характеристики газового сенсора серии ТКС-2АМ приведены в табл.1.
Полупроводниковые сенсоры ПГС-1А и ПГС-2А
Сенсоры предназначены для контроля горючих и токсичных газов. Основа полупроводниковых газовых сенсоров – первичный чувствительный элемент (ПЧЭ), в качестве которого обычно используются металлооксидные полупроводниковые соединения, такие как SnO2, In2O3, ZnO, Ga2O3. Среди них наиболее распространен диоксид олова, благодаря своей более высокой технологичности и совместимости с другими конструктивными элементами ПЧЭ (нагревательными элементами, металлическими межсоединениями, изоляционными слоями и т.д.). Активный слой SnO2 образует резистивный элемент, который при контакте с контролируемым газом изменяет свою проводимость вследствие хемосорбционных реакций на поверхности металлооксида или в его объеме на глубине волны Дебая. Для активации реакции на поверхности SnO2 формируются предусмотренные для этого катализаторы, в качестве которых чаще всего используются такие элементы, как Pt, Pd, Ag и др. [4].
Преимущества полупроводниковых сенсоров – высокая чувствительность к малым концентрациям газа, высокое быстродействие и широкий диапазон определяемых газов (сенсор обнаруживает как горючие, так и токсичные газы).
Один из недостатков полупроводниковых сенсоров – дрейф характеристик из-за ускорения процессов диффузии в газочувствительных слоях сенсора при воздействии высокой рабочей температуры (400–450°С). Другие недостатки – высокая чувствительность к изменениям температуры и влажности, что требует применения дополнительных средств компенсации, и высокая чувствительность к парам используемых в быту веществ (алкоголя, косметических веществ и др.), что требует применения специальных фильтров [5].
Перечень определяемых газов и другие технические характеристики газовых сенсоров серии ПГС-1А (рис.2) и ПГС-2А приведены в табл.2.
Полупроводниковый сенсор серии СП-1
Полупроводниковый сенсор СП-1 (рис.3) изготавливается Минским НИИРМ и содержит в своей конструкции подложку из анодированного оксида алюминия [6]. Характеристики газового сенсора СП-1 приведены в табл.3.
Приборы для обеспечения газовой безопасности
Приборы изготавливаются на основе полупроводниковых газовых сенсоров производства ОАО "Авангард".
Газосигнализатор АВУС-КОМБИ
Это одна из наиболее востребованных разработок ОАО "Авангард" (рис.4). Компактный современный корпус органично вписывается в административное, промышленное либо жилое помещение. Внешний дизайн позволил максимально отойти от прямоугольных и громоздких газосигнализаторов. Круглый пластиковый корпус выполнен в стиле датчиков охранно-пожарной сигнализации. Разработчики ОАО "Авангард", руководствуясь современной тенденцией развития комплексных систем безопасности, создали газосигнализатор АВУС-КОМБИ так, чтобы он мог быть встроен в любой существующий интерфейс передачи данных по проводному и беспроводному типу (современные системы комплексной безопасности, умный дом и др.). АВУС-КОМБИ – многофункциональный газосигнализатор на основе модульной конструкции с дополнительными функциями: самотестирование, сигнализация о превышении температуры окружающей среды, проводное и беспроводное взаимодействие с другими газосигнализаторами и внешними системами сбора, обработки и индикации информации [7].
Контролируемые газы: метан, пропан-бутановые смеси, углекислый газ.
Технические характеристики газосигнализаторов серии АВУС-КОМБИ приведены в табл.4.
Газоанализатор АВУС-ДГ
Основу промышленных систем газовой безопасности производства ОАО "Авангард" составляют стационарные газосигнализаторы АВУС-ДГ-СО и АВУС-ДГ-CH4 (рис.5). Они предназначены для автоматического непрерывного контроля концентрации угарного газа (CO) и метана (CH4) в воздухе промышленных (взрывоопасных) и жилых объектов. Газоанализаторы позволяют не только обнаружить превышение допустимых концентраций, но и своевременно принять эффективные меры по снижению загазованности. Анализируемая среда – воздух рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005.
Газосигнализаторы АВУС-ДГ-СО и АВУС-ДГ-CH4 могут работать как самостоятельно, так и в составе комплекса "Система мониторинга окружающей среды АВУС-СКЗ" или иного оборудования. Обмен информацией по RS-485 обеспечивается в соответствии с протоколами АВУС-СКЗ или MODBUS.
Технические характеристики газосигнализаторов серии АВУС-ДГ приведены в табл.5.
Датчик АВУС-ДШ
Одна из последних разработок ОАО "Авангард" – газовый датчик АВУС-ДШ (рис.6). Корпус датчика выполнен из нержавеющей стали во взрывозащищенном конструктиве, соответствующем международному стандарту (высота 16 мм, диаметр 20 мм). Контактная группа, схема включения, диапазон питающих напряжений и протокол выходного сигнала датчика АВУС-ДШ соответствуют аналогичным параметрам оптического газового датчика компании Dynament. Это позволяет устанавливать датчики АВУС-ДШ в существующие приборы без внесения изменений в конструкцию приборов. Газовый датчик АВУС-ДШ предназначен для непрерывного контроля концентрации горючих (CH4, С3Н8, Н2, С2Н2, С2Н4) и токсичных (СО, NO2, NH3) газов в воздухе промышленных (взрывоопасных) и жилых объектов. Он имеет два варианта исполнения: с термокаталитическим сенсором (на горючие газы) и с полупроводниковым сенсором (на горючие и токсичные газы).
Основные характеристики газового датчика серии АВУС-ДШ приведены в табл.6.
Приборы для обеспечения пожарной безопасности
Одним из опасных сопутствующих факторов пожара, характерных для процесса любого пиролиза (тление, горение), является CO (угарный газ). Также характерно, что CO в концентрациях, пригодных для его обнаружения и выделения над фоновой концентрацией, проявляется намного раньше, чем другие сопутствующие факторы пожара, по которым чаще всего производится обнаружение, – дым, температура, открытое пламя [8, 9]. Примерный график развития пожара приведен на рис.7.
Временной интервал Δ между появлением угарного газа на уровне 5–10 ppm и появлением частиц дыма в зависимости от вида горючих веществ и других факторов может составлять до 2 ч. Таким образом, применение газовых пожарных извещателей, предназначенных для контроля концентрации CO в воздухе, дает весомое преимущество в обнаружении пожара на ранних стадиях, его локализации и тушении до причинения существенного ущерба зданиям, помещениям и здоровью людей.
Модуль пожарного извещателя
Для раннего обнаружения пожара на начальной его стадии по газовым составляющим, характерным для процессов пиролиза, специалистами ОАО "Авангард" на базе полупроводникового газового сенсора ПГС-1А был разработан модуль газового пожарного извещателя с низким энергопотреблением (менее 10 мВт) (рис.8). Он имеет два исполнения: для работы в диапазоне температур от –20 до 50°С (рис.8а) и в диапазоне от –65 до 75°С (рис.8б).
Технические характеристики газового модуля приведены в табл.7.
Пожарный извещатель АВУС-КПИ
Развивая направление систем пожарной безопасности, ОАО "Авангард" разработало комбинированный (газодымовой) пожарный извещатель (КПИ) – АВУС-КПИ (рис.9). Это надежное средство раннего обнаружения пожаров. Контроль атмо-
сферы защищаемых помещений производится газовым датчиком оксида углерода и чувствительным оптикоэлектронным датчиком дыма. Двухканальный контроль позволяет обнаружить пожар на ранних стадиях возгорания при одновременной минимизации ложных тревог, вызванных наличием в атмосфере помещения пыли, паров и других газов.
Применение датчиков в адресных системах дает возможность отслеживать состояние воздушной среды по целевым параметрам, а также превышение концентрации по каждому из контролируемых каналов.
Основные характеристики комбинированного пожарного извещателя АВУС-КПИ приведены в табл.8.
В России практически отсутствуют регламентирующие документы для установки КПИ. Однако, несмотря на текущую нормативную недостаточность и относительно высокую стоимость (от 1500 руб.), будущее рынка пожарных извещателей связывается с мультисенсорными КПИ. Использование КПИ в составе систем пожарной сигнализации и автоматизированного пожаротушения позволит снизить затраты организаций-потребителей в расчете на период эксплуатации (меньшие потери от нарушений работы объектов из-за ложных срабатываний традидиционных ПИ). Поэтому серийное производство КПИ для реализации систем раннего обнаружения пожара является актуальной задачей.
Литература
Göpel W., Hesse J., Zewel J. Sensors. A Curehensive Surveg, vol.1. Fundamentals and General Acts, VSH, Weinheim, 1989.
Сердюк И.В. Термокаталитические газовые сенсоры ТКС-2А и ТКС-2АМ и газосигнализаторы на их основе. – Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской подготовки ОАО "Авангард", 2012, вып. 4, с.215–228.
Патент РФ №2460064 от 20.05.2011. Способ изготовления чувствительного каталитического элемента термохимического датчика. Сердюк И.В. Шубарев В.А.
Бубнов Ю., Голиков А., Казак А. Полупроводниковые сенсоры и газоаналитические приборы на их основе. – Электроника:НТБ, 2008, спецвыпуск, с.72–76.
Сердюк И.В., Смирнов М.С. Полупроводниковые газовые сенсоры для контроля кон-
центраций горючих и токсичных газов. – Вопросы радиоэлектроники, 2013, вып.1, с.131–142.
Таратын И.А., Сердюк И.В., Смирнов М.С., Гринчук А.П. Датчики пожарных извещателей на основе низкоэнергопотребляющих газовых сенсоров для раннего предупреждения возгораний. – Нано- и микросистемная техника, 2012, №8.
Миняков О.Л., Михайлов А.Н. ОАО "Авангард" – инновационные решения в области газовой безопасности. – Сфера нефтегаз, промышленная безопасность, 2011, №4, с.96–99.
Васильев.А., Олихов И., Соколов А. Газовые сенсоры для пожарных извещателей. – Электроника:НТБ, 2005, №2.
Голиков А.В., Шубарев В.А. Системы пожарной безопасности с газовыми сенсорными модулями. – Электроника:НТБ, 2008, №10.
Отзывы читателей
