S brzim razvojem tehnologija poput Interneta stvari i umjetne inteligencije, senzori plina, važni senzorski uređaji poznati kao „električnih pet osjetila“, prihvaćaju neviđene razvojne mogućnosti. Od početnog praćenja industrijskih otrovnih i štetnih plinova do široke primjene u medicinskoj dijagnostici, pametnim domovima, praćenju okoliša i drugim područjima danas, tehnologija senzora plina prolazi kroz duboku transformaciju od jedne funkcije do inteligencije, minijaturizacije i višedimenzionalnosti. Ovaj članak će sveobuhvatno analizirati tehničke karakteristike, najnoviji napredak istraživanja i globalni status primjene senzora plina, s posebnim naglaskom na trendove razvoja u području praćenja plina u zemljama poput Kine i Sjedinjenih Američkih Država.
Tehničke karakteristike i trendovi razvoja plinskih senzora
Kao pretvarač koji pretvara volumni udio određenog plina u odgovarajući električni signal, senzor plina postao je neizostavna i važna komponenta u modernoj tehnologiji senzora. Ova vrsta opreme obrađuje uzorke plina putem detekcijskih glava, obično uključujući korake poput filtriranja nečistoća i interferirajućih plinova, sušenja ili rashladne obrade te konačno pretvaranja informacija o koncentraciji plina u mjerljive električne signale. Trenutno na tržištu postoje različite vrste senzora plina, uključujući poluvodički tip, elektrokemijski tip, tip katalitičkog izgaranja, infracrvene senzore plina i fotoionizacijske (PID) senzore plina itd. Svaki od njih ima svoje karakteristike i široko se koristi u civilnim, industrijskim i ekološkim ispitivanjima.
Stabilnost i osjetljivost dva su ključna pokazatelja za procjenu performansi plinskih senzora. Stabilnost se odnosi na postojanost osnovnog odziva senzora tijekom cijelog njegovog radnog vremena, što ovisi o pomaku nule i intervalnom pomaku. Idealno bi bilo da za visokokvalitetne senzore u uvjetima kontinuiranog rada godišnje pomicanje nule bude manje od 10%. Osjetljivost se odnosi na omjer promjene izlaza senzora i promjene izmjerenog ulaza. Osjetljivost različitih vrsta senzora značajno varira, uglavnom ovisno o tehničkim principima i odabiru materijala koje usvajaju. Osim toga, selektivnost (tj. unakrsna osjetljivost) i otpornost na koroziju također su važni parametri za procjenu performansi plinskih senzora. Prvi određuje sposobnost prepoznavanja senzora u okruženju miješanih plinova, dok je drugi povezan s tolerancijom senzora u ciljanim plinovima visoke koncentracije.
Trenutni razvoj tehnologije plinskih senzora pokazuje nekoliko očitih trendova. Prije svega, istraživanje i razvoj novih materijala i novih procesa nastavili su se produbljivati. Tradicionalni metal-oksidni poluvodički materijali poput ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ itd. postali su zreli. Istraživači dopiraju, modificiraju i površinski modificiraju postojeće plinoosjetljive materijale metodama kemijske modifikacije te istovremeno poboljšavaju proces stvaranja filma kako bi povećali stabilnost i selektivnost senzora. U međuvremenu, aktivno se unapređuje i razvoj novih materijala poput kompozitnih i hibridnih poluvodičkih plinoosjetljivih materijala i polimernih plinoosjetljivih materijala. Ovi materijali pokazuju veću osjetljivost, selektivnost i stabilnost na različite plinove.
Inteligencija senzora još je jedan važan smjer razvoja. Uspješnom primjenom novih materijalnih tehnologija poput nanotehnologije i tehnologije tankih filmova, plinski senzori postaju sve integriraniji i inteligentniji. Potpunim iskorištavanjem multidisciplinarnih integriranih tehnologija poput mikromehaničke i mikroelektroničke tehnologije, računalne tehnologije, tehnologije obrade signala, tehnologije senzora i tehnologije dijagnostike kvarova, istraživači razvijaju potpuno automatske digitalne inteligentne plinske senzore sposobne za istovremeno praćenje više plinova. Multivarijabilni senzor tipa kemijske otpornosti i potencijala koji je nedavno razvila istraživačka skupina izvanrednog profesora Yi Jianxina iz Državnog ključnog laboratorija za znanost o požarima na Sveučilištu znanosti i tehnologije Kine tipičan je predstavnik ovog trenda. Ovaj senzor ostvaruje trodimenzionalnu detekciju i točnu identifikaciju više plinova i karakteristika požara pomoću jednog uređaja 59.
Optimizacija nizova i algoritama također privlače sve veću pozornost. Zbog problema širokog spektra odziva jednog plinskog senzora, sklon je interferenciji kada istovremeno postoji više plinova. Korištenje više plinskih senzora za formiranje niza postalo je učinkovito rješenje za poboljšanje sposobnosti prepoznavanja. Povećanjem dimenzija detektiranog plina, niz senzora može dobiti više signala, što pogoduje procjeni više parametara i poboljšanju sposobnosti procjene i prepoznavanja. Međutim, kako se broj senzora u nizu povećava, raste i složenost obrade podataka. Stoga je optimizacija niza senzora posebno važna. U optimizaciji niza, metode poput koeficijenta korelacije i klaster analize široko se primjenjuju, dok su algoritmi za prepoznavanje plina poput analize glavnih komponenti (PCA) i umjetne neuronske mreže (ANN) uvelike poboljšali sposobnost senzora za prepoznavanje uzoraka.
Tablica: Usporedba performansi glavnih vrsta senzora plina
Vrsta senzora, princip rada, prednosti i nedostaci, tipičan vijek trajanja
Adsorpcija plina poluvodičkog tipa ima nisku cijenu u promjeni otpora poluvodiča, brz odziv, slabu selektivnost i uvelike je pod utjecajem temperature i vlažnosti tijekom 2-3 godine.
Elektrokemijski plin prolazi kroz REDOX reakcije kako bi generirao struju, koja ima dobru selektivnost i visoku osjetljivost. Međutim, elektrolit ima ograničeno trošenje i vijek trajanja od 1-2 godine (za tekući elektrolit).
Katalitičko izgaranje zapaljivog plina uzrokuje promjene temperature. Posebno je dizajnirano za detekciju zapaljivog plina i primjenjivo je na zapaljivi plin samo otprilike tri godine.
Infracrveni plinovi imaju visoku točnost u apsorpciji infracrvene svjetlosti specifičnih valnih duljina, ne uzrokuju trovanje, ali imaju visoku cijenu i relativno veliki volumen tijekom 5 do 10 godina.
Fotoionizacijska (PID) ultraljubičasta fotoionizacija za detekciju molekula plina HOS-a ima visoku osjetljivost i ne može razlikovati vrste spojeva 3 do 5 godina.
Vrijedi napomenuti da iako je tehnologija plinskih senzora postigla znatan napredak, još uvijek se suočava s nekim uobičajenim izazovima. Vijek trajanja senzora ograničava njihovu primjenu u određenim područjima. Na primjer, vijek trajanja poluvodičkih senzora je otprilike 2 do 3 godine, elektrokemijskih plinskih senzora je oko 1 do 2 godine zbog gubitka elektrolita, dok životni vijek elektrokemijskih senzora s čvrstim elektrolitom može doseći 5 godina. Osim toga, problemi s driftom (promjene u odzivu senzora tijekom vremena) i problemi s konzistentnošću (razlike u performansama među senzorima u istoj seriji) također su važni čimbenici koji ograničavaju široku primjenu plinskih senzora. Kao odgovor na ove probleme, istraživači su, s jedne strane, posvećeni poboljšanju materijala i proizvodnih procesa osjetljivih na plin, a s druge strane kompenziraju ili potiskuju utjecaj drifta senzora na rezultate mjerenja razvojem naprednih algoritama za obradu podataka.
Raznoliki scenariji primjene plinskih senzora
Tehnologija senzora plina prožima svaki aspekt društvenog života. Njeni scenariji primjene odavno su nadišli tradicionalni opseg praćenja industrijske sigurnosti i brzo se šire na više područja kao što su medicinsko zdravlje, praćenje okoliša, pametni dom i sigurnost hrane. Ovaj trend raznolikih primjena ne samo da odražava mogućnosti koje donosi tehnološki napredak, već i utjelovljuje rastuću društvenu potražnju za detekcijom plina.
Industrijska sigurnost i nadzor opasnih plinova
U području industrijske sigurnosti, senzori plina igraju nezamjenjivu ulogu, posebno u industrijama visokog rizika poput kemijskog inženjerstva, nafte i rudarstva. Kineski „14. petogodišnji plan za sigurnu proizvodnju opasnih kemikalija“ jasno zahtijeva od kemijskih industrijskih parkova da uspostave sveobuhvatan sustav praćenja i ranog upozoravanja na otrovne i štetne plinove te da potiču izgradnju inteligentnih platformi za kontrolu rizika. „Akcijski plan za industrijski internet plus sigurnost na radu“ također potiče parkove na primjenu senzora Interneta stvari i platformi za analizu umjetne inteligencije kako bi se postiglo praćenje u stvarnom vremenu i koordinirani odgovor na rizike poput curenja plina. Ove političke orijentacije uvelike su potaknule primjenu senzora plina u području industrijske sigurnosti.
Moderni industrijski sustavi za praćenje plinova razvili su niz tehničkih putova. Tehnologija snimanja plinskog oblaka vizualizira curenje plina vizualnim predstavljanjem plinskih masa kao promjena u razinama sive boje piksela na slici. Njena sposobnost detekcije povezana je s čimbenicima kao što su koncentracija i volumen procurelog plina, razlika u temperaturi pozadine i udaljenost praćenja. Tehnologija infracrvene spektroskopije s Fourierovom transformacijom može kvalitativno i polukvantitativno pratiti preko 500 vrsta plinova, uključujući anorganske, organske, otrovne i štetne, te istovremeno skenirati 30 vrsta plinova. Prikladna je za složene zahtjeve praćenja plinova u kemijskim industrijskim parkovima. Ove napredne tehnologije, u kombinaciji s tradicionalnim senzorima plina, tvore višerazinsku mrežu za praćenje sigurnosti industrijskih plinova.
Na razini specifične implementacije, industrijski sustavi za praćenje plinova moraju biti u skladu s nizom nacionalnih i međunarodnih standarda. Kineski „Standard dizajna za detekciju i alarmiranje zapaljivih i otrovnih plinova u petrokemijskoj industriji“ GB 50493-2019 i „Opća tehnička specifikacija za sigurnosni nadzor glavnih izvora opasnosti od opasnih kemikalija“ AQ 3035-2010 pružaju tehničke specifikacije za nadzor industrijskih plinova 26. Na međunarodnoj razini, OSHA (Uprava za sigurnost i zdravlje na radu Sjedinjenih Država) razvila je niz standarda za detekciju plinova, zahtijevajući detekciju plina prije rada u zatvorenom prostoru i osiguravajući da je koncentracija štetnih plinova u zraku ispod sigurne razine 610. Standardi NFPA (Nacionalnog udruženja za zaštitu od požara Sjedinjenih Država), kao što su NFPA 72 i NFPA 54, postavljaju specifične zahtjeve za detekciju zapaljivih plinova i otrovnih plinova 610.
Medicinsko zdravlje i dijagnoza bolesti
Medicinsko i zdravstveno područje postaje jedno od najperspektivnijih tržišta primjene plinskih senzora. Izdahnuti plin ljudskog tijela sadrži veliki broj biomarkera povezanih sa zdravstvenim stanjima. Otkrivanjem ovih biomarkera može se postići rani probir i kontinuirano praćenje bolesti. Ručni uređaj za detekciju acetona u disanju koji je razvio tim dr. Wang Dija iz Istraživačkog centra za super percepciju laboratorija Zhejiang tipičan je predstavnik ove primjene. Ovaj uređaj koristi kolorimetrijsku tehnologiju za mjerenje sadržaja acetona u ljudskom izdahnutom dahu otkrivanjem promjene boje materijala osjetljivih na plin, čime se postiže brzo i bezbolno otkrivanje dijabetesa tipa 1.
Kada je razina inzulina u ljudskom tijelu niska, ono ne može pretvoriti glukozu u energiju, već umjesto toga razgrađuje masti. Kao jedan od nusprodukata nakon razgradnje masti, aceton se izlučuje iz tijela disanjem. Dr. Wang Di objasnio je 1. U usporedbi s tradicionalnim testovima krvi, ova metoda testa daha nudi bolje dijagnostičko i terapijsko iskustvo. Štoviše, tim razvija senzor acetona s flasterom "svakodnevnog otpuštanja". Ovaj jeftini nosivi uređaj može automatski mjeriti plin aceton koji se ispušta iz kože 24 sata dnevno. U budućnosti, u kombinaciji s tehnologijom umjetne inteligencije, može pomoći u dijagnosticiranju, praćenju i vođenju lijekova kod dijabetesa.
Osim dijabetesa, plinski senzori pokazuju veliki potencijal i u liječenju kroničnih bolesti i praćenju respiratornih bolesti. Krivulja koncentracije ugljikovog dioksida važna je osnova za procjenu statusa plućne ventilacije pacijenata, dok krivulje koncentracije određenih plinskih markera odražavaju trend razvoja kroničnih bolesti. Tradicionalno je tumačenje tih podataka zahtijevalo sudjelovanje medicinskog osoblja. Međutim, s osnaživanjem tehnologije umjetne inteligencije, inteligentni plinski senzori ne samo da mogu detektirati plinove i crtati krivulje, već i odrediti stupanj razvoja bolesti, uvelike smanjujući pritisak na medicinsko osoblje.
U području nosivih zdravstvenih uređaja, primjena plinskih senzora još je u ranoj fazi, ali izgledi su široki. Istraživači iz tvrtke Zhuhai Gree Electric Appliances istaknuli su da iako se kućanski aparati razlikuju od medicinskih uređaja s funkcijama dijagnosticiranja bolesti, u području svakodnevnog praćenja zdravlja doma, nizovi plinskih senzora imaju prednosti poput niske cijene, neinvazivnosti i minijaturizacije, zbog čega se očekuje da će se sve više pojavljivati u kućanskim aparatima poput aparata za oralnu njegu i pametnih WC-a kao pomoćna rješenja za praćenje i praćenje u stvarnom vremenu. S rastućom potražnjom za zdravljem doma, praćenje stanja ljudskog zdravlja putem kućanskih aparata postat će važan smjer za razvoj pametnih domova.
Praćenje okoliša i sprječavanje i kontrola onečišćenja
Praćenje okoliša jedno je od područja u kojima se plinski senzori najčešće primjenjuju. Kako globalni naglasak na zaštiti okoliša nastavlja rasti, potražnja za praćenjem različitih onečišćujućih tvari u atmosferi također raste iz dana u dan. Plinski senzori mogu detektirati štetne plinove poput ugljičnog monoksida, sumpornog dioksida i ozona, pružajući učinkovit alat za praćenje kvalitete zraka u okolišu.
Elektrokemijski plinski senzor UGT-E4 tvrtke British Gas Shield Company reprezentativan je proizvod u području praćenja okoliša. Može točno mjeriti sadržaj onečišćujućih tvari u atmosferi i pružiti pravovremenu i točnu podatkovnu podršku odjelima za zaštitu okoliša. Ovaj senzor, kroz integraciju s modernom informacijskom tehnologijom, postigao je funkcije poput daljinskog praćenja, prijenosa podataka i inteligentnog alarma, značajno poboljšavajući učinkovitost i praktičnost detekcije plina. Korisnici mogu pratiti promjene koncentracije plina bilo kada i bilo gdje jednostavno putem svojih mobilnih telefona ili računala, pružajući znanstvenu osnovu za upravljanje okolišem i donošenje politika.
Što se tiče praćenja kvalitete zraka u zatvorenom prostoru, senzori plina također igraju važnu ulogu. Norma EN 45544 koju je izdao Europski odbor za normizaciju (EN) posebno je namijenjena ispitivanju kvalitete zraka u zatvorenom prostoru i pokriva zahtjeve ispitivanja za različite štetne plinove 610. Uobičajeni senzori ugljikovog dioksida, senzori formaldehida itd. na tržištu široko se koriste u civilnim kućama, poslovnim zgradama i javnim zabavnim prostorima, pomažući ljudima da stvore zdravije i ugodnije unutarnje okruženje. Posebno tijekom pandemije COVID-19, ventilacija u zatvorenom prostoru i kvaliteta zraka dobili su neviđenu pozornost, što dodatno potiče razvoj i primjenu srodnih senzorskih tehnologija.
Praćenje emisije ugljika novi je smjer primjene plinskih senzora. U kontekstu globalne ugljične neutralnosti, precizno praćenje stakleničkih plinova poput ugljičnog dioksida postalo je posebno važno. Infracrveni senzori ugljičnog dioksida imaju jedinstvene prednosti u ovom području zbog svoje visoke preciznosti, dobre selektivnosti i dugog vijeka trajanja. „Smjernice za izgradnju inteligentnih platformi za kontrolu sigurnosnih rizika u kemijskim industrijskim parkovima“ u Kini navode praćenje zapaljivih/toksičnih plinova i analizu praćenja izvora curenja kao obvezni sadržaj gradnje, što odražava naglasak na razini politike na ulogu praćenja plina u području zaštite okoliša.
Pametni dom i sigurnost hrane
Pametni dom je najperspektivnije tržište za primjenu plinskih senzora u potrošačima. Trenutno se plinski senzori uglavnom primjenjuju u kućanskim aparatima poput pročišćivača zraka i klima uređaja. Međutim, uvođenjem nizova senzora i inteligentnih algoritama, njihov potencijal primjene u scenarijima kao što su konzerviranje, kuhanje i praćenje zdravlja postupno se iskorištava.
Što se tiče očuvanja hrane, senzori plina mogu pratiti neugodne mirise koje hrana ispušta tijekom skladištenja kako bi se utvrdila svježina hrane. Nedavni rezultati istraživanja pokazuju da su postignuti dobri učinci, bez obzira koristi li se jedan senzor za praćenje koncentracije mirisa ili se za određivanje svježine hrane koristi niz senzora plina u kombinaciji s metodama prepoznavanja uzoraka. Međutim, zbog složenosti stvarnih scenarija korištenja hladnjaka (kao što su smetnje korisnika pri otvaranju i zatvaranju vrata, pokretanju i zaustavljanju kompresora te unutarnjoj cirkulaciji zraka itd.), kao i međusobnog utjecaja različitih hlapljivih plinova iz sastojaka hrane, još uvijek postoji prostor za poboljšanje točnosti određivanja svježine hrane.
Primjena u kuhanju još je jedan važan scenarij za plinske senzore. Tijekom procesa kuhanja nastaju stotine plinovitih spojeva, uključujući čestice, alkane, aromatske spojeve, aldehide, ketone, alkohole, alkene i druge hlapljive organske spojeve. U tako složenom okruženju, nizovi plinskih senzora pokazuju očitije prednosti od pojedinačnih senzora. Studije pokazuju da se nizovi plinskih senzora mogu koristiti za određivanje statusa kuhanja hrane na temelju osobnog ukusa ili kao pomoćni alat za praćenje prehrane za redovito izvještavanje korisnika o navikama kuhanja. Međutim, čimbenici okruženja za kuhanje poput visoke temperature, isparenja od kuhanja i vodene pare mogu lako uzrokovati "trovanje" senzora, što je tehnički problem koji treba riješiti.
U području sigurnosti hrane, istraživanje Wang Dijevog tima pokazalo je potencijalnu primjenu plinskih senzora. Cilj im je „istovremena identifikacija desetaka plinova pomoću malog priključka za mobilni telefon“ i posvećeni su tome da informacije o sigurnosti hrane budu lako dostupne. Ovaj visoko integrirani olfaktorni uređaj može detektirati hlapljive komponente u hrani, odrediti svježinu i sigurnost hrane te pružiti potrošačima reference u stvarnom vremenu.
Tablica: Glavni objekti detekcije i tehničke karakteristike senzora plina u različitim područjima primjene
Područja primjene, glavni objekti detekcije, najčešće korištene vrste senzora, tehnički izazovi, trendovi razvoja
Zapaljivi plin u industrijskoj sigurnosti, katalitički tip izgaranja otrovnih plinova, elektrokemijski tip, tolerancija na teške uvjete, sinkroni nadzor više plinova, praćenje izvora curenja
Medicinski i zdravstveni aceton, CO₂, VOC poluvodički tip, kolorimetrijski tip selektivnosti i osjetljivosti, nosiva i inteligentna dijagnostika
Dugoročno postavljanje stabilne mreže i prijenos podataka u stvarnom vremenu za praćenje okoliša onečišćujućih tvari zraka i stakleničkih plinova u infracrvenom i elektrokemijskom obliku
Pametni kućni isparljivi plin iz hrane, poluvodički tip dima za kuhanje, PID sposobnost sprječavanja smetnji
Molimo kontaktirajte tvrtku Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Web stranica tvrtke:www.hondetechco.com
Tel: +86-15210548582
Vrijeme objave: 11. lipnja 2025.