Vrste plinskih senzorjev in njihova uporaba v opremi za odkrivanje in spremljanje plina
Z razvojem petrokemične industrije so se povečale vrste in področja uporabe vnetljivih, eksplozivnih in strupenih plinov. Ko ti plini uhajajo med proizvodnjo, prevozom in uporabo, bodo povzročili zastrupitev, požar in celo eksplozijo, kar bo resno ogrozilo življenja ljudi in varnost premoženja. Zaradi difuzibilnosti samega plina bo plin po puščanju difundiral vzdolž talne površine pod vplivom zunanje sile vetra in notranjega koncentracijskega gradienta, kar bo na mestu nesreče povzročilo eksplozijo zgorevanja ali strupeno nevarno območje in razširilo nevarno območje.
Ko pride do nesreče zaradi uhajanja plina, je treba čim prej sprejeti ustrezne ukrepe za zmanjšanje izgube zaradi nesreče. Pravočasno in zanesljivo odkrivanje vsebnosti določenih plinov v zraku, pravočasni in učinkoviti sanacijski ukrepi ter pravilni načini odstranjevanja za zmanjšanje nesreč, ki jih povzroča uhajanje, so nujni pogoji, da se izognemo večjim premoženjem in smrtnim žrtvam. To postavlja višje zahteve za opremo za odkrivanje in spremljanje plina. Kot pomemben detektor plina se je senzor plina v zadnjih letih zelo razvil. Zaradi razvoja plinskega senzorja se njegova uporaba vedno bolj širi.
Pregled senzorja plina
Tuje države so začele raziskovati in razvijati plinske senzorje v tridesetih letih prejšnjega stoletja. V preteklosti so se plinski senzorji uporabljali predvsem za zaznavanje in alarmiranje plina iz premoga, utekočinjenega naftnega plina, zemeljskega plina in plina v rudnikih. Trenutno so se vrste plinov, ki jih je treba zaznati, razširile s prvotnih redukcijskih plinov (H2, C4H10, CH4) na strupene pline (CO, NO2, H2S, NO, NH3, PH3).
Obstaja veliko vrst plinskih senzorjev. Glede na različne uporabljene materiale za zaznavanje plina in značilnosti zaznavanja plina ga lahko razdelimo na tip polprevodnika, tip trdnega elektrolita, elektrokemični tip, tip kontaktnega zgorevanja, tip polimera itd.
Polprevodniški plinski senzor
Ta senzor uporablja predvsem polprevodniške materiale, občutljive na plin. Odkar je leta 1962 na trg prišel polprevodniški senzor plina kovinskega oksida, je bil široko uporabljen zaradi svojih prednosti visoke občutljivosti in hitrega odziva ter je postal eden največjih in najbolj razširjenih senzorjev na svetu. Glede na različne načine zaznavanja karakteristične količine zaznavanja plina je razdeljen na dve vrsti: uporovni tip in neuporovni tip.
Uporovni polprevodniški plinski senzor deluje tako, da zazna spremembo plinskega senzorja z vsebnostjo plina. Uporabljajo se predvsem keramični kovinski oksidi, občutljivi na plin. Z raziskavami in razvojem novih materialov, kot so kompozitni kovinski oksidi in mešani kovinski oksidi v zadnjih letih, so se značilnosti in obseg uporabe tega plinskega senzorja močno izboljšali. Na primer: senzor plina WO3 lahko zazna območje koncentracije NH3 od 5 ppm do 50 ppm, senzor plina ZnO-CuO je zelo občutljiv na 200 ppm CO.
Polprevodniški plinski senzorji brez upora delujejo na principu, da se tok ali napetost plinskega senzorja spreminja z vsebnostjo plina. Obstajajo predvsem diode tipa MOS in spojne diode ter plinski senzor s cevnim učinkom polja. Večina detekcijskih plinov je gorljivih plinov, kot sta vodik in silan.
Plinski senzor trdnega elektrolita
Senzorji plina s trdnim elektrolitom uporabljajo materiale za zaznavanje plina iz trdnega elektrolita kot elemente za zaznavanje plina. Načelo je, da material, občutljiv na plin, pri prehodu skozi plin ustvarja ione, s čimer tvori elektromotorno silo in meri elektromotorno silo za merjenje koncentracije plina. Zaradi visoke prevodnosti, dobre občutljivosti in selektivnosti tega senzorja je bil široko uporabljen in je vstopil na skoraj vsa področja petrokemije, varstva okolja, rudarstva itd., takoj za polprevodniškimi plinskimi senzorji s kovinskim oksidom. Na primer YST-Au-WO3 za merjenje H2S, NH+4CaCO3 za merjenje NH3 itd.
Kontaktni senzor zgorevalnih plinov
Razdelimo ga lahko na tip zgorevanja z neposrednim kontaktom in tip zgorevanja s katalitskim kontaktom. Njegov princip delovanja je: ko je material, občutljiv na plin, pod napetostjo, se vnetljivi plin oksidira in zgori pod delovanjem katalizatorja, ustvarjena toplota pa segreje grelno žico, s čimer se spremeni njena vrednost upora in meri sprememba upora za merjenje koncentracije plina. Ta senzor lahko meri samo gorljive pline in je neobčutljiv na negorljive pline. Na primer, senzorji, narejeni s prevleko aktivnih katalizatorjev Rh in Pd na Pt žico, imajo značilnosti širokega spektra, to je, da lahko zaznajo različne gorljive pline. Kontaktni senzor zgorevalnih plinov je zelo stabilen pri sobni temperaturi in lahko zazna večino vnetljivih plinov s spodnjo mejo eksplozije. Široko se uporablja pri spremljanju in alarmiranju vnetljivih plinov v petrokemičnih obratih, ladjedelnicah, rudniških tunelih, kopalnicah, kuhinjah itd.
Polimerni plinski senzor
Plinski senzorji, ki uporabljajo polimerne materiale za zaznavanje plina, so bili v zadnjih letih zelo razviti. Ko polimerni material za zaznavanje plina naleti na določen plin, se spremenijo njegove fizikalne lastnosti, kot so upor, dielektrična konstanta, hitrost in frekvenca širjenja zvočnih valov na površini materiala ter teža materiala. Tu so predvsem ftalocianinski polimeri, LB film, fenilcianin acetilen, polivinil alkohol-fosforna kislina, poliizobutilen, aminoundecil silan itd. Polimerni materiali za zaznavanje plinov igrajo pomembno vlogo pri odkrivanju strupenih plinov in svežine hrane zaradi enostavnosti delovanja, preprost postopek, dobra selektivnost pri sobni temperaturi, nizka cena in enostavna kombinacija s senzorji mikrostrukture in napravami za površinsko zvočno valovanje. Glede na lastnosti zaznavanja plina uporabljenih materialov lahko to vrsto senzorjev razdelimo na: polimerne uporovne senzorje za plin, ki merijo koncentracijo plina z merjenjem upora materialov za zaznavanje plina; plinski senzorji tipa baterije za koncentracijo, ki merijo elektromotorno silo za določitev koncentracije plina z oblikovanjem koncentracijske celice, ko material za zaznavanje plina absorbira plin; plinski senzorji površinskega zvočnega valovanja, ki so izdelani na podlagi načela, da se hitrost širjenja ali frekvenca zvočnih valov na površini materiala spremeni, potem ko polimer, ki zaznava plin, absorbira plin; Polimerni plinski senzor ima visoko občutljivost na specifične plinske molekule, dobro selektivnost, preprosto strukturo, lahko se uporablja pri normalni temperaturi in lahko dopolni pomanjkljivosti drugih plinskih senzorjev.
