Az olyan technológiák gyors fejlődésével, mint a dolgok internete és a mesterséges intelligencia, a gázérzékelők, az „öt elektromos érzék” néven ismert fontos érzékelőeszközök, példátlan fejlesztési lehetőségeket kínálnak. Az ipari mérgező és káros gázok kezdeti monitorozásától kezdve a széles körű orvosi diagnosztikában, az okosotthonokban, a környezeti monitorozásban és más területeken való alkalmazásáig a gázérzékelő technológia mélyreható átalakuláson megy keresztül, az egyetlen funkciótól az intelligenciáig, a miniatürizálásig és a többdimenziós funkciókig. Ez a cikk átfogóan elemzi a gázérzékelők műszaki jellemzőit, a legújabb kutatási eredményeket és a globális alkalmazási helyzetét, különös tekintettel a gázmonitorozás területének fejlesztési trendjeire olyan országokban, mint Kína és az Egyesült Államok.
Gázérzékelők műszaki jellemzői és fejlesztési trendjei
A gázérzékelő, mint egy adott gáz térfogatarányát a megfelelő elektromos jellé alakító átalakító, nélkülözhetetlen és fontos alkotóelemévé vált a modern érzékelési technológiának. Ez a típusú berendezés gázmintákat dolgoz fel érzékelőfejeken keresztül, jellemzően olyan lépéseket foglal magában, mint a szennyeződések és zavaró gázok kiszűrése, szárítás vagy hűtéses kezelés, és végül a gázkoncentráció-információk mérhető elektromos jelekké alakítása. Jelenleg különféle típusú gázérzékelők kaphatók a piacon, beleértve a félvezető típusú, elektrokémiai típusú, katalitikus égésű típusú, infravörös gázérzékelőket és fotoionizációs (PID) gázérzékelőket stb. Mindegyiknek megvannak a saját jellemzői, és széles körben használják őket polgári, ipari és környezeti tesztelési területeken.
A gázérzékelők teljesítményének értékeléséhez a stabilitás és az érzékenység a két fő mutató. A stabilitás az érzékelő alapválaszának fennmaradását jelenti a teljes működési ideje alatt, amely a nullpont-eltolódástól és az intervallum-eltolódástól függ. Ideális esetben a folyamatos működés mellett működő, kiváló minőségű érzékelők esetében az éves nullpont-eltolódásnak kevesebbnek kell lennie, mint 10%. Az érzékenység az érzékelő kimenetének változásának és a mért bemenet változásának arányát jelenti. A különböző típusú érzékelők érzékenysége jelentősen eltér, főként az általuk alkalmazott műszaki elvektől és anyagválasztástól függően. Ezenkívül a szelektivitás (azaz a keresztérzékenység) és a korrózióállóság is fontos paraméterek a gázérzékelők teljesítményének értékeléséhez. Az előbbi határozza meg az érzékelő felismerési képességét kevert gázkörnyezetben, míg az utóbbi az érzékelő nagy koncentrációjú célgázokban mutatott toleranciájához kapcsolódik.
A gázérzékelő technológia jelenlegi fejlődése számos nyilvánvaló trendet mutat. Először is, az új anyagok és eljárások kutatása és fejlesztése folyamatosan mélyül. A hagyományos fém-oxid félvezető anyagok, mint például a ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ stb. kiforrottá váltak. A kutatók kémiai módosítási módszerekkel adalékolják, módosítják és felületmódosítják a meglévő gázérzékeny anyagokat, és egyidejűleg javítják a filmképző folyamatot az érzékelők stabilitásának és szelektivitásának fokozása érdekében. Eközben az új anyagok, például a kompozit és hibrid félvezető gázérzékeny anyagok, valamint a polimer gázérzékeny anyagok fejlesztése is aktívan előrehalad. Ezek az anyagok nagyobb érzékenységet, szelektivitást és stabilitást mutatnak a különböző gázokkal szemben.
Az érzékelők intelligenciája egy másik fontos fejlesztési irány. Az új anyagtechnológiák, például a nanotechnológia és a vékonyréteg-technológia sikeres alkalmazásával a gázérzékelők integráltabbá és intelligensebbé válnak. A multidiszciplináris integrált technológiák, például a mikromechanikai és mikroelektronikai technológia, a számítástechnika, a jelfeldolgozási technológia, az érzékelőtechnológia és a hibadiagnosztikai technológia teljes kihasználásával a kutatók teljesen automatikus, digitális, intelligens gázérzékelőket fejlesztenek, amelyek képesek több gáz egyidejű monitorozására. A Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem Tűztudományi Állami Kulcslaboratóriumának Yi Jianxin docensének kutatócsoportja által nemrégiben kifejlesztett kémiai ellenállás-potenciál típusú többváltozós érzékelő tipikus képviselője ennek a trendnek. Ez az érzékelő egyetlen eszközzel valósítja meg több gáz és tűzjellemző háromdimenziós érzékelését és pontos azonosítását 59.
Az érzékelőtömbök és az algoritmusok optimalizálása is egyre nagyobb figyelmet kap. Az egyetlen gázérzékelő széles spektrumú válaszideje miatt hajlamos az interferenciára, ha több gáz van jelen egyszerre. Több gázérzékelő tömbből álló érzékelőtömb használata hatékony megoldássá vált a felismerési képesség javítására. A detektált gáz méreteinek növelésével az érzékelőtömb több jelet képes fogadni, ami elősegíti több paraméter kiértékelését, valamint javítja az ítélőképességet és a felismerést. Azonban a tömbben lévő érzékelők számának növekedésével az adatfeldolgozás összetettsége is növekszik. Ezért az érzékelőtömb optimalizálása különösen fontos. A tömboptimalizálás során széles körben alkalmazzák az olyan módszereket, mint a korrelációs együttható és a klaszteranalízis, míg a gázfelismerő algoritmusok, mint például a főkomponens-analízis (PCA) és a mesterséges neurális hálózat (ANN), jelentősen javították az érzékelők mintázatfelismerési képességét.
Táblázat: A főbb gázérzékelő típusok teljesítmény-összehasonlítása
Érzékelő típusa, működési elv, előnyök és hátrányok, tipikus élettartam
A félvezető típusú gázadszorpció alacsony költséggel változtatja meg a félvezetők ellenállását, gyors reagálást mutat, gyenge szelektivitást mutat, és 2-3 évig nagymértékben befolyásolja a hőmérséklet és a páratartalom.
Az elektrokémiai gáz REDOX reakciókon megy keresztül áram előállításához, amely jó szelektivitással és nagy érzékenységgel rendelkezik. Az elektrolit azonban korlátozott kopással és 1-2 éves élettartammal rendelkezik (folyékony elektrolit esetén).
A katalitikus égésű típusú éghető gázok égése hőmérséklet-változásokat okoz. Kifejezetten éghető gázok érzékelésére tervezték, és körülbelül három évig csak éghető gázokra alkalmazható.
Az infravörös gázok nagy pontossággal nyelik el a meghatározott hullámhosszú infravörös fényt, nem okoznak mérgezést, de magasak az áruk és viszonylag nagy térfogatuk 5-10 évig is eltartható.
A fotoionizációs (PID) ultraibolya fotoionizáció a VOC-k gázmolekuláinak kimutatására nagy érzékenységgel rendelkezik, és 3-5 évig nem képes megkülönböztetni a vegyületek típusait.
Érdemes megjegyezni, hogy bár a gázérzékelő technológia jelentős fejlődésen ment keresztül, még mindig szembesül néhány közös kihívással. Az érzékelők élettartama bizonyos területeken korlátozza alkalmazásukat. Például a félvezető érzékelők élettartama körülbelül 2-3 év, az elektrokémiai gázérzékelőké az elektrolitveszteség miatt körülbelül 1-2 év, míg a szilárdtest elektrolit elektrokémiai érzékelőké elérheti az 5 évet. Ezenkívül a sodródási problémák (az érzékelő válaszának időbeli változásai) és a konzisztenciaproblémák (teljesítménybeli különbségek az azonos tételben lévő érzékelők között) szintén fontos tényezők, amelyek korlátozzák a gázérzékelők széles körű alkalmazását. Ezekre a problémákra válaszul a kutatók egyrészt elkötelezettek a gázérzékeny anyagok és gyártási folyamatok fejlesztése iránt, másrészt pedig fejlett adatfeldolgozó algoritmusok fejlesztésével kompenzálják vagy elnyomják az érzékelő sodródásának a mérési eredményekre gyakorolt hatását.
A gázérzékelők változatos alkalmazási lehetőségei
A gázérzékelő technológia áthatotta a társadalmi élet minden aspektusát. Alkalmazási lehetőségei már régóta túlmutatnak a hagyományos ipari biztonsági felügyelet keretein, és gyorsan bővülnek számos területre, mint például az egészségügy, a környezeti monitoring, az intelligens otthon és az élelmiszerbiztonság. Ez a diverzifikált alkalmazások trendje nemcsak a technológiai fejlődés által teremtett lehetőségeket tükrözi, hanem a gázérzékelés iránti növekvő társadalmi igényt is megtestesíti.
Ipari biztonság és veszélyes gázok monitorozása
Az ipari biztonság területén a gázérzékelők pótolhatatlan szerepet játszanak, különösen a magas kockázatú iparágakban, mint például a vegyipar, a kőolajipar és a bányászat. Kína „14. ötéves terve a veszélyes vegyi anyagok biztonságos előállítására” egyértelműen előírja a vegyipari ipari parkok számára, hogy átfogó monitoring és korai figyelmeztető rendszert hozzanak létre a mérgező és káros gázok észlelésére, és támogassák az intelligens kockázatkezelési platformok kiépítését. Az „Ipari Internet Plusz Munkabiztonsági Akcióterv” arra is ösztönzi a parkokat, hogy a dolgok internetének érzékelőit és mesterséges intelligencián alapuló elemző platformokat telepítsenek a valós idejű monitorozás és az olyan kockázatokra adott összehangolt reagálás érdekében, mint a gázszivárgás. Ezek a politikai irányvonalak nagymértékben elősegítették a gázérzékelők alkalmazását az ipari biztonság területén.
A modern ipari gázmonitorozó rendszerek számos technikai megoldást fejlesztettek ki. A gázfelhő-képalkotó technológia a gázszivárgást a gáztömegek képpont-szürkeárnyalat-változásként történő vizuális megjelenítésével vizualizálja a képen. Észlelési képessége olyan tényezőkhöz kapcsolódik, mint a szivárgott gáz koncentrációja és térfogata, a háttérhőmérséklet-különbség és a megfigyelési távolság. A Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiai technológia több mint 500 típusú gázt képes kvalitatívan és szemikvantitatívan monitorozni, beleértve a szervetlen, szerves, mérgező és káros gázokat, és egyidejűleg 30 típusú gázt képes szkennelni. Alkalmas a vegyipari ipari parkok összetett gázmonitorozási követelményeinek kielégítésére. Ezek a fejlett technológiák a hagyományos gázérzékelőkkel kombinálva többszintű ipari gázbiztonsági monitorozó hálózatot alkotnak.
A konkrét megvalósítási szinten az ipari gázfelügyeleti rendszereknek számos nemzeti és nemzetközi szabványnak kell megfelelniük. Kína „Gyúlékony és mérgező gázok észlelésére és riasztására vonatkozó tervezési szabvány a petrolkémiai iparban” (GB 50493-2019) és „Általános műszaki előírások a veszélyes vegyi anyagok főbb veszélyforrásainak biztonsági ellenőrzésére” (AQ 3035-2010) tartalmazza az ipari gázok monitorozására vonatkozó műszaki előírásokat 26. Nemzetközi szinten az OSHA (az Egyesült Államok Munkahelyi Biztonsági és Egészségügyi Hivatala) kidolgozott egy sor gázérzékelési szabványt, amelyek előírják a gázérzékelést zárt térben végzett műveletek előtt, és biztosítják, hogy a levegőben lévő káros gázok koncentrációja a 610-es biztonságos szint alatt legyen. Az NFPA (az Egyesült Államok Nemzeti Tűzvédelmi Szövetsége) szabványai, mint például az NFPA 72 és az NFPA 54, konkrét követelményeket írnak elő a gyúlékony és mérgező gázok 610-es érzékelésére vonatkozóan.
Orvosi egészség és betegségdiagnózis
Az orvostudomány és az egészségügy területén egyre nagyobb a kereslet a gázérzékelők egyik legígéretesebb alkalmazási piacára. Az emberi test kilélegzett gáza nagyszámú biomarkert tartalmaz, amelyek az egészségügyi állapottal kapcsolatosak. Ezen biomarkerek kimutatásával elérhető a betegségek korai szűrése és folyamatos monitorozása. A Dr. Wang Di csapata által a Zhejiang Laboratórium Super Perception Kutatóközpontjában kifejlesztett kézi légzési acetonérzékelő eszköz tipikus képviselője ennek az alkalmazásnak. Ez az eszköz egy kolorimetriás technológiát alkalmaz az emberi kilélegzett levegő acetontartalmának mérésére a gázérzékeny anyagok színváltozásának detektálásával, ezáltal gyors és fájdalommentes kimutatást biztosítva az 1-es típusú cukorbetegség számára.
Amikor az emberi szervezetben alacsony az inzulinszint, a szervezet nem képes a glükózt energiává alakítani, és ehelyett a zsírt bontja le. A zsírlebontás egyik melléktermékeként az aceton a légzés révén ürül ki a szervezetből. Dr. Wang Di elmagyarázta az 1. pontot. A hagyományos vérvizsgálatokhoz képest ez a kilégzési tesztmódszer jobb diagnosztikai és terápiás élményt nyújt. Ezenkívül a csapat egy „napi kibocsátású” tapaszos acetonérzékelőt fejleszt. Ez az alacsony költségű, viselhető eszköz automatikusan, a nap 24 órájában képes mérni a bőrből kibocsátott acetongázt. A jövőben, mesterséges intelligencia technológiával kombinálva, segíthet a cukorbetegség diagnosztizálásában, monitorozásában és gyógyszeres irányításában.
A cukorbetegség mellett a gázérzékelők nagy potenciált mutatnak a krónikus betegségek kezelésében és a légzőszervi betegségek monitorozásában is. A szén-dioxid koncentrációgörbéje fontos alap a betegek tüdőventilációs állapotának megítéléséhez, míg bizonyos gázmarkerek koncentrációgörbéi a krónikus betegségek fejlődési trendjét tükrözik. Hagyományosan ezeknek az adatoknak az értelmezése az egészségügyi személyzet részvételét igényelte. A mesterséges intelligencia technológia elterjedésével azonban az intelligens gázérzékelők nemcsak a gázokat képesek érzékelni és görbéket rajzolni, hanem a betegség kialakulásának mértékét is meghatározni, jelentősen csökkentve az egészségügyi személyzetre nehezedő terhet.
Az egészségügyi viselhető eszközök területén a gázérzékelők alkalmazása még korai szakaszban van, de a kilátások széleskörűek. A Zhuhai Gree Electric Appliances kutatói rámutattak, hogy bár a háztartási készülékek különböznek a betegségdiagnosztikai funkciókkal rendelkező orvostechnikai eszközöktől, a napi otthoni egészségügyi monitorozás területén a gázérzékelő tömbök olyan előnyökkel rendelkeznek, mint az alacsony költség, a non-invazív jelleg és a miniatürizálás, így várhatóan egyre inkább megjelennek majd a háztartási készülékekben, például a szájápolási készülékekben és az okos WC-kben, kiegészítő monitorozási és valós idejű monitorozási megoldásként. Az otthoni egészség iránti növekvő kereslettel az emberi egészségi állapot háztartási készülékeken keresztüli monitorozása az okosotthonok fejlesztésének fontos irányává válik.
Környezeti monitoring, szennyezésmegelőzés és -szabályozás
A környezeti monitoring az egyik olyan terület, ahol a gázérzékelőket a legszélesebb körben alkalmazzák. Ahogy a környezetvédelemre fordított globális hangsúly folyamatosan növekszik, a légkörben lévő különféle szennyező anyagok monitorozására irányuló igény is napról napra növekszik. A gázérzékelők képesek kimutatni a káros gázokat, például a szén-monoxidot, a kén-dioxidot és az ózont, hatékony eszközt biztosítva a környezeti levegőminőség monitorozására.
A British Gas Shield Company UGT-E4 elektrokémiai gázérzékelője a környezeti monitoring területének reprezentatív terméke. Pontosan képes mérni a légkörben lévő szennyező anyagok tartalmát, és időszerű, pontos adattámogatást nyújt a környezetvédelmi szervek számára. Ez az érzékelő a modern információtechnológiával való integráció révén olyan funkciókat valósított meg, mint a távfelügyelet, az adatfeltöltés és az intelligens riasztás, jelentősen növelve a gázérzékelés hatékonyságát és kényelmét. A felhasználók bármikor és bárhol nyomon követhetik a gázkoncentráció változásait egyszerűen mobiltelefonjukon vagy számítógépükön keresztül, ami tudományos alapot biztosít a környezetgazdálkodáshoz és a környezetvédelmi politikaalkotáshoz.
A beltéri levegőminőség ellenőrzése szempontjából a gázérzékelők is fontos szerepet játszanak. Az Európai Szabványügyi Bizottság (EN) által kiadott EN 45544 szabvány kifejezetten a beltéri levegőminőség vizsgálatára vonatkozik, és a különféle káros gázok vizsgálati követelményeit is lefedi. A piacon kapható elterjedt szén-dioxid-érzékelőket, formaldehid-érzékelőket stb. széles körben használják lakóépületekben, kereskedelmi épületekben és nyilvános szórakozóhelyeken, segítve az embereket egy egészségesebb és kényelmesebb beltéri környezet megteremtésében. Különösen a COVID-19 világjárvány idején a beltéri szellőztetés és a levegőminőség példátlan figyelmet kapott, ami tovább elősegíti a kapcsolódó érzékelőtechnológiák fejlesztését és alkalmazását.
A szén-dioxid-kibocsátás monitorozása a gázérzékelők egyik feltörekvő alkalmazási iránya. A globális karbonsemlegesség hátterében az üvegházhatású gázok, például a szén-dioxid pontos monitorozása különösen fontossá vált. Az infravörös szén-dioxid-érzékelők egyedülálló előnyökkel rendelkeznek ezen a területen nagy pontosságuk, jó szelektivitásuk és hosszú élettartamuk miatt. A kínai „Intelligens biztonsági kockázatkezelő platformok építésére vonatkozó irányelvek vegyipari ipari parkokban” az éghető/mérgező gázok monitorozását és a szivárgásforrás-követési elemzést kötelező építési tartalomként sorolta fel, ami tükrözi a politikai szintű hangsúlyt a gázmonitorozás szerepére a környezetvédelem területén.
Okosotthon és élelmiszerbiztonság
Az okosotthon a gázérzékelők legígéretesebb fogyasztói alkalmazási piaca. Jelenleg a gázérzékelőket főként háztartási készülékekben, például légtisztítókban és friss levegőt tároló légkondicionálókban alkalmazzák. Az érzékelőrendszerek és az intelligens algoritmusok bevezetésével azonban fokozatosan kiaknázzák alkalmazási potenciáljukat olyan területeken, mint a tartósítás, a főzés és az egészségügyi monitorozás.
Az élelmiszer-tartósítás szempontjából a gázérzékelők képesek figyelni az élelmiszerek tárolás során kibocsátott kellemetlen szagokat, és ezáltal meghatározni az élelmiszer frissességét. A legújabb kutatási eredmények azt mutatják, hogy akár egyetlen érzékelőt használnak a szagkoncentráció monitorozására, akár egy gázérzékelő tömböt mintázatfelismerő módszerekkel kombinálva az élelmiszerek frissességének meghatározására, jó eredményeket értek el. A tényleges hűtőszekrény-használati forgatókönyvek összetettsége (például az ajtók nyitása és zárása, a kompresszorok indítása és leállítása, valamint a belső légkeringés stb. által okozott interferencia), valamint az élelmiszer-összetevőkből származó különböző illékony gázok kölcsönös hatása miatt azonban még van mit javítani az élelmiszerek frissességének meghatározásának pontosságán.
A gázérzékelők másik fontos területe a főzés. A főzési folyamat során több száz gáznemű vegyület keletkezik, beleértve a részecskéket, alkánokat, aromás vegyületeket, aldehideket, ketonokat, alkoholokat, alkéneket és más illékony szerves vegyületeket. Ilyen összetett környezetben a gázérzékelő tömbök nyilvánvalóbb előnyöket mutatnak, mint az egyes érzékelők. Tanulmányok kimutatták, hogy a gázérzékelő tömbök felhasználhatók az ételek főzési állapotának meghatározására a személyes ízlés alapján, vagy kiegészítő étrend-ellenőrző eszközként a felhasználók főzési szokásainak rendszeres jelentésére. Az olyan főzési környezeti tényezők, mint a magas hőmérséklet, a főzési füst és a vízgőz azonban könnyen „mérgezhetik” az érzékelőt, ami egy megoldandó technikai probléma.
Az élelmiszerbiztonság területén Wang Di csapatának kutatása igazolta a gázérzékelők potenciális alkalmazási értékét. Céljuk, hogy „egy kis mobiltelefon-bővítménnyel egyszerre több tucat gázt azonosítsanak”, és elkötelezettek az élelmiszer-biztonsági információk könnyen elérhetővé tétele mellett. Ez a magasan integrált szaglókészülék képes érzékelni az élelmiszerekben található illékony összetevőket, meghatározni az élelmiszerek frissességét és biztonságosságát, és valós idejű referenciákat nyújtani a fogyasztók számára.
Táblázat: Fő érzékelési objektumok és a gázérzékelők műszaki jellemzői különböző alkalmazási területeken
Alkalmazási területek, főbb érzékelési objektumok, gyakran használt érzékelőtípusok, technikai kihívások, fejlesztési trendek
Ipari biztonsági éghető gáz, mérgező gáz katalitikus égésű típus, elektrokémiai típus, zord környezeti tolerancia, többgázos szinkron monitorozás, szivárgásforrás felkutatása
Orvosi és egészségügyi aceton, CO₂, VOC félvezető típusú, kolorimetriás típusú szelektivitás és érzékenység, viselhető és intelligens diagnosztika
Hosszú távú stabilitású hálózattelepítés és valós idejű adatátvitel a légszennyező anyagok és üvegházhatású gázok környezeti monitorozásához infravörös és elektrokémiai formában
Okosotthoni élelmiszer-illékony gáz, főzési füst félvezető típusú, PID interferencia-ellenállással
Kérjük, vegye fel a kapcsolatot a Honde Technology Co., LTD.-vel.
Email: info@hondetech.com
Cég weboldala:www.hondetechco.com
Tel.: +86-15210548582
Közzététel ideje: 2025. június 11.