Фильтр по тематике

На пути к электронному обонянию. Обзор электрохимических, оптических, инфракрасных, полупроводниковых, термокаталитических датчиков газа для контроля параметров разных сред

Датчики газа применяются во всех сферах жизнедеятельности человека: от промышленного производства игристых вин, электрогенераторов на основе водородного топлива (в том числе АПК) до контроля изменчивых химических сред, представляющих опасность для человека или потенциальную пользу. В обзоре анализируются технические особенности нескольких типов датчиков контроля уровня загазованности, а также рассматриваются составные части и электронные элементы жидкостных испарителей, производящих «дымовую завесу» без контроля её количественного значения, что является проблематикой, создающей почву для будущих инженерных решений, среди которых электронные индивидуальные считыватели запахов для идентификации других людей.

Некоторые современные условия образования испарений, запахов и газовой среды

Газообразные среды, в том числе испарения жидкостей, неодинаково критичны и по-разному полезны для человека. Во многом польза или вред для человека определяется составом и концентрацией в воздухе испаряемой смеси или газа. Всё относительно: как известно, и чистым кислородом дышать нельзя. Кислотные испарения в относительно высокой концентрации нежелательно вдыхать даже краткосрочно. То же касается паров кислот, скапливаемых в аккумуляторных батареях (АКБ). Продукты горения также обязательно нужно выводить из помещений, где живут люди, посредством принудительной вентиляции или вытяжки. На этот счёт показательны простые и многочисленные примеры (в том числе статистические данные) о сотнях тысячах людей, погибших в ХХ веке по всему миру из-за угарного газа несовершенных печей отопления в собственных домах и банях. 

То есть при большой концентрации СО2 и других газов во вдыхаемом воздухе человеку спазм сосудов и летальный исход Однако в ХХ веке устройства контроля загазованности в быту были мало распространены, в том числе из-за отсутствия соответствующих датчиков контроля газообразных сред. 

Примеров мест, где возникают испарения, продукты горения или газо­образные среды, сегодня очень много вокруг. Их можно условно разделить на критичные для жизни и здоровья человека и менее критичные. Соответственно, существуют и на основе РЭА разрабатываются электронные модули и устройства, обеспечивающие контроль параметров воздуха, испарений и газообразных сред. В простых бытовых примерах это могут быть датчики дыма как элемент противопожарной сигнализации, а если говорить о более узкой специализации, таких датчиков очень много применяется в самых разных устройствах, включая пылесосы, кондиционеры воздуха, устройства контроля бытового газа и многих других.

Ещё один примечательный пример связан с каминами и специальными кадильными устройствами (и свечами), применяемыми в ритуальной и церковной практиках, а именно с дымоходом в Сикстинской капелле (СК), где проходят конклавы епископов по избранию нового папы римского. Сикстинская капелла – официальная резиденция папы римского. По давней традиции дым из печной трубы служит единственным способом сообщить миру, что избран новый папа римский. И вот как это происходит на практике. Камин Сикстинской капеллы используют только во время выборов понтифика. Камин напрямую связан с трубой, через неё с помощью естественной вытяжки поднимается дым. Это делает камин важной частью дискуссий, происходящих в процессе избрания нового папы, ибо именно в камине и никак иначе по традиции сжигаются записки с поданными голосами. Дизайн камина не играет большой роли, но в то же время для большинства людей имеет огромное культурно-историческое значение. Если из дымохода Сикстинской капеллы, где собирается конклав, выходит чёрный дым – это означает, что нового Папу пока не выбрали. До 2005 года чёрный дым получался за счёт горения мокрой соломы, которую специально подкладывали в камин. Когда конклав приходил к общему решению и новый папа был избран, в камин клали сухое сено; сгорая, оно образовывало белый дым и оповещало о радостной и важной новости [7]. С 1958 года в Ватикане используют химические добавки для получения нужного цвета дыма. А в наше время (2024 год) практикуется другая методика: чёрный дым получается с помощью химического соединения серы, перхлората калия, антрацена, а белый – за счёт сжигания смеси из бертолетовой соли, лактозы и канифоли. Примерно так же соединяют угольный порошок с химическим составом и ароматизаторами для производства и возжигания кадильных свечей (рис. 1).

Запахи и дым можно получать и без открытого горения. Для тех, кто бывал на медицинских процедурах «ароматерапии для успокоения нервов» и в санаториях, не составит труда вспомнить, как с помощью электронного устройства нагревается площадка для ароматических масел, и они испаряются в воздухе. Примерно по такому же принципу работают электронные сигареты или вейпы, об устройстве и проблематике которых поговорим в заключении статьи. Во всех таких примерах концентрация запахов во вдыхаемом человеком воздухе должна находиться не под условным, а под строгим электронным контролем, и технологии для этого существуют.

Датчики химического состава воздуха, испарений, газообразных сред – современные электронные элементы, помогающие обеспечить контроль среды и в целом безопасность жизнедеятельности человека. Датчики применяются в различных сферах, в частности, для контроля выдыхаемого (алкотестеры и др. устройства) и иным образом выделяемого человеком воздуха (анализаторы микрофлоры). А в некоторых случаях, связанных с табакокурением, такие устройства жизненно необходимы для контроля и ограничения вдыхаемых составов испарений химических соединений.

Любые запахи, вдыхаемые человеком, могут нести как пользу в качестве терапии (см. пример с ароматерапией), так и вред: как и другие лекарства – в допустимой дозе сохраняют медикаментозные свойства, а в слишком высокой являются «ядом» для живых существ. Именно поэтому устанавливают ограничения и по табакокурению, и по ароматерапии. Продолжительность процедуры в комнате площадью до 25 м² должна составлять не более 20 минут с последующим обязательным проветриванием помещения. Для такого контроля необходимы электронные датчики различного назначения. Что касается химических составов кислот высокой концентрации, ими дышать опасно даже короткое время. Не за горами будущее, когда каждый заинтересованный человек будет иметь с собой «универсальный электронный анализатор безопасности» по аналогии с теми приборами, что уже применяются для контроля радиационного фона и даже пестицидов в выращенных агрокультурах, в том числе полуразложившихся спрессованных отложений болотного мха, влияющих на почву. Далее рассмотрим некоторые типы электронных датчиков.

ИК-датчик CO2 фирмы Cubic модели NDIR SRH-40

Газовые датчики NDIR промышленного класса основаны на недисперсионной инфракрасной технологии (NDIR), изготовленной с использованием новейших элементов, поэтому широко используются для определения концентрации CO2, CH4, C3H8, CBrH3 как в промышленности, так и в сельском хозяйстве (АПК). Газовые датчики NDIR промышленного класса интегрируются в устройства безопасности и оповещения, которые могут использоваться для АПК, промышленной безопасности, мониторинга окружающей среды, мониторинга газоотводных труб и других ситуаций, связанных с риском превышения CO2, CH4, C3H8, CBrH3 в химической, нефтегазовой, металлургической промышленности, в условиях хранения больших объёмов газа и нефти (нефтебаза, станция сжиженного газа), при транспортировке и распределении газа. Датчик CO2 фирмы Cubic модели NDIR SRH-40 разработан специально для интеллектуальных приложений мониторинга CO2 при хранении зерновых культур в силосных мешках по технологии Silobag [2], [8]. Датчик углекислого газа CO2 или диоксида углерода, адаптирован для работы в том числе с устройствами IoT и соответствующими приложениями к смартфонам, что позволяет использовать установку почти автономно. Датчик работает на основе восприятия ИК-диапазона волн. Внешний вид датчика представлен на рис. 2.

На примере ИК-датчика NDIR SRH-40 уместно и показательно рассмотреть принцип работы датчиков-анализаторов газа.

Датчики применяются для обнаружения следующих газов: диоксид углерода (серия SRH), метан (серия SJH), пропан (серия SBH), бромметан (серия SBrH). Каждый датчик реализован в ударопрочном корпусе, имеет мультиизмерительную шкалу с линеаризованным диапазоном и цифровым выходом сигнала. Отбор проб рассеянного газа осуществляется через фильтр-сетку. Имеется опорный канал для термокомпенсации и влажности с калибровкой матрицы для обеспечения точности. Доступен механизм автоматической калибровки нуля. При отсутствии движущихся частей обеспечивается быстрая реакция, высокая стабильность, защита от коррозии. По европейской классификации соответствует уровню взрывозащиты Ex ia IIC T4 Ga. На рис. 3 представлена цоколевка (распиновка) выводов датчика.
Все размеры указаны в миллиметрах; размеры без ограничений являются номинальными. Допуски по размерам корпуса ±0,2 мм.

В табл. 1 представлены сведения по назначению выводов датчика.

Внешние устройства могут взаимодействовать с датчиками через UART. Устройство напряжением 3,3 В (центральный процессор) может быть подключено напрямую к выводам последовательного порта RX и TX. На рис. 4 представлена схема интерфейса, из которой понятен принцип считывания данных о концентрации газа или выполнения функции калибровки.

Сочетание технологий Silobad, IoT и других

Один из эффективных способов хранения сухого зерна широко известен и используется в мире по технологии Silobad – в силосных мешках. Это технология хранения ранних зерновых и кормовых культур (плющенного зерна, фуража, жома, семян и т.д.) в герметичных полимерных пакетах. Позволяет сохранить продукцию в течение длительного времени без потерь качества и питательных свойств. В некоторых странах за последние 5–6 лет по этой технологии сохранилось от 35 до 40 млн. тонн зерна. Как показала практика, таков условно простой и экономичный способ снизить потери и затраты субпродукта. Подробнее о технологии в [2]. В зерновых мешках зерно хранится в анаэробном состоянии в среде углекислого газа. Датчики контролируют концентрацию газа. Снижение концентрации означает нарушение герметичности условий хранения и начало биологической активности зерна (увеличение значения СО2 в измеряемом объёме), что приводит к порче субпродукта. Поэтому назначение электронных устройств газового контроля СО2 в зерновых хранилищах длительного сохранения трудно переоценить. Для выполнения этой задачи требуются высокоточные измерения CO2, ибо цена ошибки может быть значительна. Мониторинг уровня концентрации CO2 в силосных мешках считается жизненно важным для обеспечения безопасности и качества хранящегося зерна. Поэтому с помощью мониторинга уровня концентрации CO2 в силосном мешке можно эффективно оценить состояние хранения зерна, а электронное устройство-контроллер, к которому подключен датчик, вырабатывает своевременное оповещение оператору, чтобы предотвратить порчу и потерю зерна.

Кроме того, электронный контроллер с технологией IoT, подключённый к датчику, позволяет контролировать и провести мониторинг CO2 через типичный гаджет. Согласно опыту применения технологии Silobag, крупные хозяйства АПК в типичных условиях находятся на условно больших расстояниях от центров принятия решений, что затрудняет своевременный мониторинг концентрации СО2. Технология контроля CO2 в сочетании с технологией IoT позволяет осуществлять дистанционный мониторинг концентрации CO2 в режиме реального времени. Это помогает специалистам свое­временно принимать адекватные меры для сохранения зерна (и других продуктов), поэтому является не только полезным средством измерения и элементом электронной системы, но и важным экономическим фактором: гарантирует агрокомплексам продовольственную безопасность, а с ней и экономические выгоды в конкурентной среде.

Датчик разработан для широкого диапазона измерения концентрации CO2 до значения 40% загазованности по объёму хранилища. Эта цифра указана в наименовании модели NDIR SRH-40. Датчик применяется в электронных контроллерах в режиме низкого энергопотребления с минимальным значением 1 мА. Принцип работы основан на неинвазивной инфракрасной спектроскопии с использованием инфракрасного излучения длиной волны 4,3 мкм. NDIR SRH-40 обеспечивает высокую точность и стабильность измерений благодаря использованию модуляционной спектроскопии и автоматической компенсации температуры и давления.

Блок-схема применения и включения датчиков СО2 представлена на рис. 5.

Встроенный стабилизатор датчика преобразовывает напряжение при подключении к устройствам напряжением 5 В. Типичная схема применения датчика поясняет принцип переключения на выходе сигнала логического уровня в диапазоне 5 В…2,5 В. В схеме адаптации питания и сопряжения, представленной на рис. 6, участвуют в качестве токовых ключей транзисторы LMBT3904TTIG (3904).

SRH-40 датчик с инфракрасным типом измерения имеет следующие технические характеристики:
  • концентрация измерений загазованности CO2: в диапазоне 0–40%;
  • точность в диапазоне от 0–40%: отклонение ±10% от показаний;
  • разрешение: 0,01%;
  • время отклика: 25 с;
  • рабочая температура: –20…+50°С;
  • габариты: 20 (диаметр) × 16,6 мм.
Аналогичные датчики позиционируют как NDIR Gas Sensor, и различаются они по сериям SRH, SJH, SBH, SBrH. По форм-фактору и распиновке контактов эти датчики одинаковы (рис. 2), но имеют различия по модификациям.

Типичные условия применения датчиков серии SJH:
  • шахты, металлургические производства, а также добыча нефти и газа;
  • сигнализаторы утечки сжиженного газа;
  • измерители концентрации газа;
  • применение в устройствах контроля на станциях сжиженного газа, в том числе газозаправочных;
  • транспортировка топливного газа.
Типичные условия применения датчиков серии SBH:
  • шахты, металлургические производства, а также добыча нефти и газа;
  • сигнализаторы и мониторинг утечки сжиженного газа;
  • в качестве датчика утечки хладагента;
  • транспортировка топливного газа.
Типичное применение датчиков серии SBrH:
  • промышленная безопасность;
  • фумигация;
  • химическая промышленность, в том числе нефтегазовая;
  • мониторинг контуров газоотвода;
  • станция сжиженного газа;
  • транспортировка топливного газа.

Принцип работы датчика по закону Бугера – Ламберта – Бера

Работа датчика основана на том, что молекулы CO2 и CH4 состоят из атомов разных типов, они имеют спектр поглощения в инфракрасном диапазоне. Интенсивность поглощения подчиняется закону Бугера: когда световая волна, соответствующая определённому газу со спектром поглощения, проходит через измеряемый газ, интенсивность световой волны значительно ослабляется, а уменьшение интенсивности непосредственно связано с концентрацией измеряемого газа. Это иллюстрирует рис. 7.

Большинство как органических, так и неорганических многоатомных газов имеет определённую длину волны поглощения в инфракрасной области. При прохождении инфракрасного спектра светопропускающая способность молекулы летучего газа на определённой длине волны выражена законом (зависимостью) Ламберта – Бера:
  • I означает коэффициент пропускания света, I = I0e–kpl;
  • i означает интенсивность поглощения света, i = I0–I = 0(1–e–kpl);
  • I0 – интенсивность падающего света;
  • l – толщина газовой среды;
  • p – концентрация газа;
  • k – коэффициент поглощения.
При подключении внешнего питания и контроллера схема сопряжения UART-TTL к цепи RS-232 с назначением выводов представлена на рис. 8.

Пояснение к рис. 8:
  • скорость передачи данных – 9600 бит/с;
  • бит данных – 8;
  • стоп-бит – 1;
  • контрольный бит – null.
Уровень выходного сигнала на выводе датчика D (Vout) составляет 0–2,5 В постоянного тока, где 0,4–2 В соответствует 0–100% газа в контролируемом объёме. С помощью АЦП и преобразователя «напряжение-ток» электронного контроллера выходной может быть (по необходимости) преобразован в промышленный стандартный сигнал, где сила тока в электрической цепи 4–20 мА.

Схема интерфейса представлена на рис. 9.

Для корректной и долговременной работы датчиков рассмотренных серий производитель рекомендовал соблюдение следующих условий эксплуатации. Рабочая температура должна быть в пределах –40°С…+70°С. Для минимизации влияния электрических и магнитных помех соединительный кабель должен быть экранированным с изолирующей оболочкой, его защитный слой подлежит заземлению. Установка, использование и техническое обслуживание данного изделия должны соответствовать положениям инструкции по эксплуатации. Все данные в протоколе ПО являются шестнадцатиричными: [xx] – однобайтовые данные (без символа, 0–255); (xx) – двухбайтовые данные, целое число со знаком (от –32768 до +32767), старший байт впереди. Более подробно о программировании и сопряжении датчика в [2] и [10]. C помощью изменения настроек через ПО контроллера (через параметр DF3) можно переключать датчик по чувствительности к разным газам: в значении параметра «0» датчик реагирует на CH4/C3H8/CBrH3; в значении параметра «1» датчик реагирует только на СО2. Изначально установлен «0». Параметр DF4 определяет единицы измерения процентного замера в промилле.

Датчик имеет диапазонную линеаризацию и цифровой выходной сигнал, относительно быстрый отклик, высокую стабильность и длительный срок службы более 15 лет, что позволяет применять его в аппаратных приложениях для контроля по технологии Silobag и др. Подробные характеристики датчика и рекомендации по его подключению представлены в [10]. Один из дополнительных и рекомендуемых вариантов контроля сред с помощью рассматриваемого датчика – для мониторинга газоотводных труб и закрытых коммуникациях различного назначения, в том числе для обеспечения безопасности жизнедеятельности в критической инфраструктуре. Предпосылки инженерных решений c применением датчиков контроля водорода рассмотрим далее.

Перспективы датчиков контроля водорода и других сред

Достойна внимания специалистов информация о разработке и применении датчика диагностики водорода H2. Этот состав газа образуется в различных случаях, среди которых перспективное направление имеет разработка электрогенераторных установок на водородном топливе. Эта тема сейчас очень популярна как направление экологически чистого электричества. Кроме того, датчики контроля уровня водорода (и иного химического состава газа) востребованы везде, где имеется или возможна газообразная среда. 
К примеру, АПК, в том числе производство навоза и компоста, жизнедеятельность ферм крупного рогатого скота, и даже такое малоизученное направление, как изучение естественных выделений человека для диагностирования микрофлоры его кишечника с целью профилактики брюшных инфекций и очищения от паразитов. Наиболее безопасный газ – гелий, чьи месторождения имеются в России, также нуждается в контроле концентрации в таких, например, устройствах, как дирижабли и летающие (воздушные) шары с управлением человеком.

При зарядке аккумуляторных батарей рост концентрации водорода H2 является предвестником эффекта «теплового разгона», что в дальнейшем при бесконтрольности процессов может приводить к деформации, разрыву корпуса и возгоранию аккумулятора. Так, совершенствование электродвигателей и применение электрической тяги привело к значительному спросу на литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, а также АКБ для электромобилей, электрокаров различного назначения и машин с гибридными силовыми установками (электромотор и ДВС), в том числе на транспортных средствах, перемещающихся по воздуху и воде. Тепловой разгон стал серьёзной проблемой безопасности автомобильных, воздушных и морских транспортных средств, везде, где для соблюдения экономической выгоды переходят на использование энергии аккумуляторов [11].

К примеру, датчики водорода моделей SGX-BLD-1 и SGX-BLD-2 производства компании SGX Sensortech являются возможным и вариативным решением инженерных проблем разработчиков РЭА, поскольку по техническим характеристикам датчики весьма чувствительны не только к уровню водорода, но и к оксиду углерода CO. В практическом применении (на транспорте) такой датчик, подключённый к электронному контроллеру через шину CAN, сигнализирует о начале выделения в банках АКБ водорода H2, что позволяет вовремя принять меры и защитить оборудование. Модуль датчика располагают рядом с системой хранения водорода или в корпусе аккумуляторной батареи, что позволяет определять газообразный H2, образующийся при утечке или отказе литий-ионного аккумулятора в режиме термического разгона [3].

Основные преимущества:
  • оперативное время отклика (1 с);
  • датчик газа отличается по теплопроводности и создан по технологии высокой надёжности;
  • диапазон обнаружения H2 от 0 до 10%;
  • способен обнаруживать уровень (изменяемость) вентиляции перед термическим разгоном;
  • низкое энергопотребление (50 мА);
  • высокоскоростная связь CAN 500 кбит/с;
  • имеет стандартный автомобильный 4-контактный разъём AMP-1-0967640-1A;
  • водонепроницаемый корпус IP6K7.
На рис. 10 представлен внешний вид датчика SGX-BLD-1 компании SGX Sensortech.

В системе с водородными топливными элементами или литий-ионными батареями (АКБ) возможны различные режимы отказа. Чтобы предотвратить опасную ситуацию для пользователей оборудования или пассажиров, система управления топливными элементами (АКБ) в критической ситуации формирует и отправляет сигнал тревоги в звуковом и световом формате, к примеру, с требованием «покинуть салон транспортного средства». Установленные внутри литий-ионных аккумуляторных батарей датчики типа SGX-BLD-1(2) надёжно и заблаговременно обнаруживают газообразный водород при различных режимах отказа в результате теплового выброса. Другие сенсорные технологии, такие как измерение давления, пока обнаруживают только некоторые из режимов отказа без гарантии их работы во всех архитектурах АКБ, поскольку нестандартные вентиляционные решения препятствуют обнаружению повышения давления внутри корпуса АКБ.

Далее на рис. 11 представлены несколько примеров режимов отказа в сравнении датчика H2 SGX и датчика давления.

Пояснение к рис. 11. Датчик H2 реагирует (обозначение на графике H2 TGX-sensor, зелёная кривая). Датчик давления (Pressure Sensor) не реагирует (серая кривая).

На рис. 12 представлены реакции датчиков при увеличении времени диагностики и опыта.

Датчик H2 реагирует (зелёная кривая) быстрее, чем датчик давления (серая кривая – незначительное повышение давления за короткий период).

Некоторые электрические характеристики датчика SGX-BLD-1:
  • время отклика <60 мс (Т80);
  • чувствительность по водороду H2 (BLD-1, BLD-2): 0,4 … 10 об. %, 
  • с чувствительностью по оксиду углерода CO (BLD-2); при уровне воспламеняемости >4% ± 0,4 об. % в воздухе и менее H2 ≤4% ± 10% в воздухе H2 ≥4%; все параметры справедливы при температуре +23°С.
  • скорость обмена по шине CAN: 500 кбит/с;
  • напряжение питания 9…18 В;
  • потребляемый ток 25…50 мА;
  • диапазон рабочих температур: –40…+85 °С при отн. вл. 0…95%;
  • соединитель: 4-контактный разъём Tyco Electronics AMP-1-0967640-1A;
  • степень защиты корпуса IP6К7;
  • время запуска (готовности) <400 мс;
  • надёжность наработки до отказа 
  • 10 лет или 13 000 часов непрерывной работы;
  • габаритные размеры: 39×35×27 мм;
  • вес <15 г.

Рекомендации по интеграции датчика

Распиновка и обозначение выводов датчика SGX-BLD-1 представлены на рис. 13.

Уточнение к рис. 13.
Вывод 1: Напряжение питания
DC (VBAT).
Вывод 2: Заземление, общий провод.
Вывод 3: Низкий уровень CAN.
Вывод 4: Высокий уровень CAN.

При корректном монтаже датчик открыт только для измерения расхода воздуха из аккумуляторной батареи. Предпочтительно, чтобы фильтрующая мембрана, входящая в состав модуля, была направлена вниз. Если это невозможно, она должна быть монтирована в любом положении, кроме положения «вверх», чтобы предотвратить скопление грязи, воды. Эту рекомендацию иллюстрирует рис. 14.

Дополнительные сведения о настройке и программировании системы сопряжения с датчиком SGX-BLD-1 и моделей SGX-BLD-1 и его модификацией моделей SGX-BLD-2 рассмотрены в [7], [11]. Посмотреть и изучить полные характеристики датчиков SGX- BLD1/SGX и BLD2 можно в [1], [11]. Сенсоры и датчики газа различного назначения и диапазона – с конвертацией измерений – можно подобрать с помощью сайта [10].

Среди сенсоров и датчиков газа промышленность предлагает электрохимические, оптические, инфракрасные, полупроводниковые, термокаталитические и другие виды анализаторов газовой среды. Почти к каждому составу газа уже созданы и применяются все из перечисленных типов датчиков. Отметим популярные термокаталитические модели: 1LEL-75 (PM999-600A-CIT) для замера метана СH4, ацетилена C2H2, сероводорода H2S, бензола C6H6, аммиака NH3, арсина AsH3, брома Br2, водорода H2 и многих других углеводородов (горючие газы) химической группы CH от компании City Technology – ведущего мирового поставщика инженерных решений для обнаружения опасных для жизни и здоровья людей газов [1]. С учётом больших возможностей измерения в средах с различным газовым составом уместно говорить о том, что следующим шагом научной и прикладной мысли в области современной электроники будет разработка «датчиков нюха», способных отличать запахи и определять их соотношения в воздухе. Всё разнообразие датчиков невозможно охватить, приведём лишь наиболее востребованные модели, находящиеся в первых по востребованности позициях в каталогах. Уже сегодня компания Membrapor выпускает электрохимические датчики замера загазованности среды модели H2/SA-1000 (0–1000 мг/л) – для водорода. Для разных объёмов сред и помещений – серий Н2/С (модели H2/C-2000, H2/C-20000, H2/C-40000 (0–40000 мг/л), H2/C-5000 и др.), серий H2/CB, H2/CT, H2/M, H2/S, H2/SA, H2-BF – модификации для разных объёмов, а также H2-AF для замера H2 от производителя Alphasense. 2Е-О2 в диапазоне 0…30 об. %.

Летучие органические соединения VOC, в том числе на основе пыли обыкновенной и мелкого песка, также подлежат анализу, в том числе благодаря оптическому датчику AM1002 от «ИнфорАналитики», реагирующего на пыль в диапазоне 0–5000 мг/м³ и 0–10 мг/л. Условный аналог от компании Cubik – оптический датчик 10 zero H2 Satellix, реагирующий также на арсин AsH3.

Компания Sensorix выпустила датчик для замера этилена С2H4 модели C2H4-LF-3V в широком диапазоне 0–27 000 мг/л. Компания ELT Sensor предлагает датчик для замера концентрации бромметана CH3Br модели F3-042256-05004. ИК-датчик IRNET-P-32-CH4-NC (фирма NET) для газовых сред с метаном CH4 и его аналог по близким техническим характеристикам ИК-датчик INP-20-CH4-NC от фирмы Smartgas. ИК-датчик компании NET модели NT-H2O2-PL300 для замера жидких сред, в том числе перекиси водорода H2O2, и электрохимический NT-SO2-PL20 того же производителя для замера диоксида серы SO2 (0–20 мг/л). Электрохимический датчик-газоанализатор М-2Е-О2 от компании NET для замера кислорода O2 в объёме 0–30 об. %. Отечественный производитель «ИнформАналитика» предлагает датчик для замера дихлорэтана c химической формулой C2H2Cl2 модели, позиционирующейся как «1,2-trans-DCE Satellix». Электрохимический датчик от Sensorix модели 1CO (AB010-RO1A-CIT) для сред с угарным газом CO (оксид углерода в диапазоне 0,5–1000 мг/л). Датчики 1LEL75C (PM989-600A-CIT и PM999-600A-CIT) для замера углеводородов (и линейки горючих газов) CH, электрохимический датчик с диапазоном 0,5–200 мг/л для сероводородных сред 1H2S (AC400-R00A-CIT). Полупроводниковый датчик газа TGS2600 фирмы Figaro для замера концентрации в среде водорода Н2 тоже довольно популярен. Этот же датчик широко применяется в бытовых газоанализаторах и алкотестерах.

В дополнение к этому китайский поставщик радиоэлектронного оборудования компания Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co и её контрагент в России «АСТ Компонентс» распространяет электронный модуль MH-Z19 NDIR небольшого размера на основе ИК-датчика, использующий принцип недисперсионного инфракрасного излучения (NDIR) для обнаружения наличия СО2 в воздухе [5]. Этот датчик не новый, однако, в отличие от других датчиков для замера CO2 MH-Z19 не требует специфического источника питания и адаптирован к передаче данных через UART и PWM.

Интеллектуальный инфракрасный CO2-модуль

Датчик создан по передовой технологии обнаружения с помощью инфракрасного сканирования поглощающего газа, прецизионной оптической схемы и превосходного схемотехнического решения. Обладает конкурентной (относительно аналогов) селективностью, не зависящей от примесей в контролируемой среде кислорода, и рассчитан на длительный срок службы. Имеет встроенный модуль для температурной компенсации с выходом UART, а также отдельный выход широтно-импульсного модулятора. Именно в связи с такими характеристиками датчик получил название «интеллектуального». Внешний вид модуля MH-Z19 представлен на рис. 15.

Инфракрасный модуль MH-Z19 NDIR для измерения и контроля загазованности СО2 используется в системах кондиционирования воздуха и мониторинга качества воздуха в помещениях, в том числе жилых. Из основных функций и характеристик уместно отметить высокие чувствительность и разрешение датчика.

Из технических особенностей ИК-модуля MH-Z19 для разработчиков уместно отметить следующие. Выход ШИМ с диапазоном обнаружения СО2 в пределах 0…2000 мг/л при цикличности измерения 1004 мс ±5%. Выход высокого логического уровня начале метрологического цикла 2 мс ±5%, в середине цикла – 1000 мс ±5%. Выходной сигнал низкого уровня для завершения цикла 2 мс ±5%. В режиме Hd калибровка нуля начнётся, если на Hd более 7 с подается сигнал LOW. Вход SR не используется. Уровень сигнала на выводах TX и RX – 3,3 В. Vo – выходное напряжение 3,3 В, выходной ток не более 10 мА. Цифровые данные по выходу PWM: первые 2 мс всегда HIGH, последние – всегда LOW, а «середина» пропорциональна концентрации CO2 в пределах 0–5000 мг/л (не 2000 мг/л, как ошибочно указано в документации китайского производителя).

Проблематика вдыхания пара и особенности конструкции вейпов

«Вейп» на условном сленге – электронная сигарета, для разжигания содержимого которой не применяется открытый огонь, вместо этого она нагревается специальным элементом, состоящим из спирали по аналогии с ТЭНом. Только в данном случае он небольшой мощности и питается от встроенного в девайс аккумулятора напряжением 3,7 В и энергоёмкостью не менее 1200 мА/ч. Такое устройство нередко не имеет даже включателя питания. Как правило, тип аккумулятора 14650 и 18650. Как устроен девайс для жидких смесей, можно увидеть в его разобранном состоянии. 

Из составных частей: аккумулятор, нагревательный элемент – спираль из тонкой нихромовой проволоки, резервуар для ароматизированной жидкости с простейшим фильтром и датчик температуры.

Устройство вейпа, функционирующего на основе нагревания ароматизированной жидкости, представлено на рис. 16.

На рис. 17 представлен вид на простейший датчик, реагирующий на изменение температуры.

При незначительном понижении температуры (когда за счёт «затяжки» уменьшается температура в потоке воздуха) датчик замыкает контакты в цепи электрического питания нагревательного элемента (и иногда индикаторного светодиода), который подогревает ароматизированную смесь с пропиленгликолем. В результате испарения жидкой смеси человек вдыхает «облако» дыма. Пока воздух из устройства тянется через специальное отверстие и резервуар с жидкостью, нагревательный элемент работает. Затем цепь питания размыкается. Ограничений (в количестве затяжек) по использованию устройства не установлено, поэтому им пользуются, пока не иссякнет заряд аккумулятора (в условно дорогих моделях предусмотрено ЗУ) или ароматизированная жидкость в резервуаре устройства. Поэтому уместно рассуждать о том, чтобы в будущих подобных устройствах обеспечить функцию сбережения здоровья человека, то есть датчик-газоанализатор с электронным контроллером, который ограничивает за определённое время пользование вейпом и тем самым регулирует количество условно вредной жидкости, в парообразном виде попадающей в лёгкие человека. Прообраз датчика для испарений жидких сред NT-H2O2-PL300 обеспечивает контроль перекиси водорода H2O2, а для замера диоксида серы SO2  применяется датчик NT-SO2-PL20. 

Вейпы для использования коротких сигарет – стиков устроены иначе, там главным элементом является нагревательный элемент с предустановленной регулировкой температуры нагрева, проникающий в табачную смесь при использовании девайса (рис. 18).

Недавно петербургские учёные разработали первую антивейп-систему для установки в общественных местах, таких как кинотеатры, средства транспорта, учебные заведения и иных. 

В электронной системе стационарной установки работают датчики-анализаторы воздуха, реагирующие на глицерин и пропиленгликоль (вредная жидкость), которые входят в состав жидкости для вейпа. При обнаружении этих веществ на мобильные гаджеты будет передаваться специальный сигнал, в том числе – как вариант – блокирующий сотовую связь. Некоторые деятели предполагают, что такая инициатива и её реализация снизят число случаев курения в учебных учреждениях. Ранее петербургские депутаты обсудили законопроект, запрещающий детям до 16 лет находиться в местах, где курят «электронные сигареты». В документе отмечается, что в законодательной базе прописаны только «традиционные курительные принадлежности». Мы не занимаемся табакокурением и никому не советуем, однако обязательно подробно поднимем эту тему позже, а пока вы не лишены возможности ознакомиться с анонсом новинки электронной техники в [4]. 

Выводы

Из безусловных «плюсов» современных датчиков для газовых сред отметим термостабилизацию и влагостабилизацию, выполненные конструктивно в едином корпусе датчиков. Также и диаграммы испытаний подтверждают устойчивость рассмотренных датчиков к изменению окружающей среды.

Однако требовать от современных электронных датчиков «всего и вся» немыслимо, ибо датчики продолжают быть несовершенны. Из отрицательных отзывов специалисты отмечают относительно медленное время измерения (корректного отклика); таким образом, в условиях динамически меняющихся обстоятельств среды метрологические измерения перестают быть актуальны. Есть сведения о том, как отечественные специалисты провели испытания на максимальный срок службы датчиков компании Alphasense моделей O2-A2 и O2-A3 в условиях измерения кислорода. При испытаниях по схеме от производителя «нагрузочный резистор и неинвертирующий усилитель на ОУ» на влияние изменения температуры выявлены периодически возникающие колебания выходного сигнала датчиков. Колебания возникали при температуре +10°С и ниже (иногда колебания возникали при температуре +20...+23°С). При статичной температуре повторялись как одиночные колебания, так и серии колебаний [9]. Насколько типично или часто повторяются ситуации с неустойчивостью датчиков, установить не удалось. Поэтому представляется крайне важным внимание к выбору профессионального газоанализаторного оборудования для обеспечения безопасности. Значительные риски представляют токсичные газы, удушающие газы, такие как монооксид углерода и углекислый газ – двуокись углерода, и легковоспламеняющиеся газы, которые могут привести к взрывам или истощению в среде кислорода. Газовые датчики являются неотъемлемой частью критически важных приложений, где необходимы точность, условно быстрое время отклика и надёжность в условиях загрязнения, экстремальных температур и влажности окружающей среды. Уже в XXI веке с помощью портативных электронных анализаторов запахов можно будет дистанционно контролировать уровень свежести продуктов, не только на базах хранения, магазинах и на рынках, но и в домашнем холодильнике.

Литература

  1. Датчики для контроля загазованности водородом. URL: https://gassensor.ru/catalog/vodorod
  2. Датчик фирмы Cubic модели NDIR SRH-40 для приложений мониторинга CO2. URL: https://vc.ru/u/1769747-vladimir-dennica/733838-datchik-co2-cubic-ndir-srh-40-razrabotan-dlya-priloz....
  3. Информация о SGX- BLD1 и BLD2. URL: https://electronix.ru/forum/index.php?app=forums&amp;module=forums&amp;controller=topic&....
  4. Петербургские учёные разработали первую антивейп-систему. URL: https://spb.mk.ru/social/2023/11/24/peterburgskie-uchenye-razrabotali-pervuyu-antiveypsistemu.html
  5. Сайт компании Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co. URL:  HYPERLINK "http://www.winsensor.com&quot; www.winsensor.com.
  6. Cайт компании SGX Sensortech с каталогом продукции. URL: https://www.sgxsensortech.com
  7. Самые знаменитые камины мира. URL: https://emosurff.com/post/9628
  8. Сенсоры и датчики газа компании «Газсенсор». URL: https://gassensor.ru/catalog.
  9. Форум о неисправности датчиков-газоанализаторов. URL: https://electronix.ru/forum/index.php?app=forums&amp;module=forums&amp;controller=topic&...
  10. Data-Sheet NDIR SRH-40. URL: https://gassensor.ru/pdf/products/1851.pdf?t=1648125642
  11. Data-Sheet SGX-BLD1/SGX/ и BLD2. URL: https://www.sgxsensortech.com/content/uploads/2021/01/DS-0459-SGX-BLD1.pdf

Комментарии
Рекомендуем
Электронные датчики и радары  в системе беспроводной связи ОТА, LOP и E-peas электроника

Электронные датчики и радары в системе беспроводной связи ОТА, LOP и E-peas

В будущем разработчиков РЭА ожидает эра «одноразовых» устройств: «установил и забыл» – надёжные, устойчивые к внешним воздействиям среды, но не предназначенные для ремонта. Одна из важных решаемых задач – сочетание сбора энергии из среды, её преобразование в электрическую и применение датчиков и микроконтроллеров с крайне низким энергопотреблением. В сочетании с технологиями E-peas (Electronic portable energy autonomous systems – автономные портативные электронные системы), LOP (с низким энергопотреблением) и решениями NXP возникают перспективы датчиков положения, давления и измерения сопутствующих величин от OEM-производителей. С аппаратными настройками и масштабируемостью производительности РЭА в формате процессоров S32R с исключением ошибок в передаче данных аналогового и смешанного сигнала беспроводным способом на небольшие расстояния. В статье представлены примеры системных решений для организации и управления питания датчиков РЭА, задействованных в беспроводной передаче данных, сетевых технологиях и транспортной технике с беспроводной сетью ОТА (Over-the-air – по воздуху).
СЭ №4/2024 20 0