Введение
Компания Gas Sensing Solutions Ltd (GSS) являет собой пример успешного и интенсивно развивающегося предприятия нового типа. Компания начинала свою деятельность с чистого листа и поначалу имела в своём активе только идею продукта, который оказался востребован сразу в нескольких отраслях.
GSS ведёт свою историю со стартапа, созданного в Шотландии (Великобритания) в 2006 году. В отличие от других соискателей, команда инноваторов смогла убедить экспертов инвестиционного фонда в состоятельности и перспективности своего проекта и получила средства на опытно-конструкторские работы и коммерциализацию их результатов. Вторым инвестором выступило национальное агентство экономического развития при правительстве Шотландии, созданное для поощрения предпринимательства, инноваций и инвестиций в бизнес.
За счёт полученных инвестиций к 2008 году было организовано производство и получен патент на первое поколение новаторских бездисперсных датчиков углекислого газа на базе светодиодов среднего инфракрасного диапазона. Через два года компания уже располагала собственным сборочным производством, что позволило наладить серийный выпуск датчиков второго поколения – линейки CozIR® с пониженным в 50 раз энергопотреблением по сравнению с аналогичными инфракрасными датчиками CO2. К 2011 году продукция GSS поставлялась в 46 стран, а официальная дистрибьюторская сеть охватывала наиболее ёмкие рынки – США, Японию, Китай.
Следующим шагом стала организация полного производственного цикла на территории предприятия. Для этого год спустя было профинансировано создание собственного полупроводникового производства для изготовления ключевого элемента датчика – инфракрасного светодиода с заданными характеристиками. После запуска полный производственный комплекс получил сертификат ISO 9001:2015. Результатом технического перевооружения предприятия стал выпуск в 2013 году датчиков третьего поколения, лучших в своём классе: с максимальной скоростью реакции на изменение концентрации анализируемого газа, с минимальным энергопотреблением и c длительным жизненным циклом. Потребителям были предложены быстродействующие датчики линейки SprintIR® и стойкие к механическим воздействиям датчики ExplorIR®.
Кроме множества национальных и международных наград за передовые технические решения и успехи в предпринимательстве, в 2016 году компания к своему 10-летию получила совершенно особенный подарок. Космическое агентство NASA приняло решение о применении датчиков GSS в портативных индивидуальных приборах контроля состояния здоровья и параметров жизнедеятельности астронавтов на борту МКС (см. рис. 1).
Принцип действия, конструкция и особенности датчиков
Установлено, что молекулы CO2 характеризуются специфическим поглощением инфракрасного излучения с длиной волны 4,2–4,4 нм. По степени поглощения излучения с нормированной мощностью (интенсивностью) можно судить о концентрации газа в анализируемом объёме. Таким образом, по изменению мощности сигнала, регистрируемого фотоприёмником, определяются как присутствие, так и объёмная доля молекул контролируемого вещества (см. рис. 2). Этот принцип анализа называется недисперсионным поглощением инфракрасного излучения – NDIR.
Использование в чувствительном элементе инфракрасного светодиода вместо традиционной миниатюрной лампы накаливания даёт целый ряд преимуществ. Помимо экономии объёма и уменьшения размеров датчика, снижается потребляемая устройством мощность с 50–200 до 3 мВт, сокращается время до первого измерения после включения с 10 мин до 1,2 с и уменьшается требуемая мощность на единичный замер с 1000–4000 до 6 мДж. Использование светодиода также существенно снижает дрейф нуля, а это позволяет отказаться от регулярной калибровки по образцовому газу, радикально снижает эффект старения и значительно увеличивает вибрационную устойчивость и ударную прочность датчика.
Один из вариантов конструкции датчика углекислого газа от компании GSS на примере модели CozIR®-LP приведён на рисунке 3. Датчик показан с удалённой крышкой камеры, через которую прокачивается анализируемый воздух. Ход лучей от источника к приёмнику условно изображён ломаной линией.
В настоящее время GSS предлагает три линейки датчиков углекислого газа (см. рис. 4):
- CozIR® – датчики с исключительно малым энергопотреблением для систем с батарейным питанием и портативных мобильных устройств (см. рис. 5).
- Требуемая для работы мощность до 50 раз меньше, чем у типичных ИК-датчиков других производителей, что делает CozIR® пригодными для интеграции в беспроводные сети передачи данных ZigBee, Wi-Fi, LoRa, Bluetooth, SigFox, EnOcean. Области применения этих датчиков: системы безопасности, приборостроение, контроль зданий и сооружений, автомобильная техника, упаковка продуктов, авиация и космос, отопление, вентиляция и кондиционирование, контроль жилых помещений, сельское хозяйство.
- SprintIR® – быстродействующие датчики для регистрации и передачи показаний в применениях и ситуациях с интенсивным воздухообменом (см. рис. 6).
- Эти датчики предназначены для использования в здравоохранении, IoT, упаковке продуктов питания, транспорте, научных исследованиях.
- ExplorIR® – датчики, предназначенные для стабильной работы в жёстких и переменных условиях, включая повышенное и пониженное атмосферное давление, крайние значения температуры и влажности (см. рис. 7). Изделия линейки ExplorIR® имеют подтверждённый уровень стойкости к механическим воздействиям:
• вибрационная стойкость 2,5g СКЗ для частот 5, 350, 500 Гц в случайном порядке;
• ударная прочность 70g (полусинус длительностью 6 мс, 15 периодов).
Малая потребляемая мощность позволяет применять такие датчики в системах с автономным питанием и в составе беспроводных сетей. Типичными областями применения этой продукции являются сельское хозяйство, упаковка продуктов питания, системы безопасности, здравоохранение, IoT, хранение пищи, холодильная техника, инкубаторы, водолазная техника, транспорт, авиация и космос.
Все датчики GSS питаются от источника постоянного тока напряжением 3,3…5,5 В и снабжены цифровым портом UART. Производитель откликается на требования потребителей и выпускает индивидуальные решения на базе стандартных изделий. В каждой линейке датчиков имеется модель, позволяющая подключать внешний датчик давления, температуры и, кроме того, оснащённая аналоговым выходом для передачи данных для последующей обработки.
В 2019 году представлена версия датчика CozIR®-LP с интерфейсом I2C для упрощения интеграции с микропроцессорными системами и расширения спектра возможного применения в различных отраслях.
В таблице сведена подробная информация о серийных датчиках углекислого газа от компании GSS.
Литература
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!