Selliste tehnoloogiate nagu asjade internet ja tehisintellekt kiire arenguga on gaasisensorid, mis on olulised sensorseadmed, mida tuntakse kui „elektrilist viit meelt“, haaranud endasse enneolematuid arenguvõimalusi. Alates tööstuslike mürgiste ja kahjulike gaaside esialgsest jälgimisest kuni selle laialdase rakendamiseni meditsiinilises diagnostikas, nutikas kodus, keskkonnaseires ja muudes valdkondades on gaasisensorite tehnoloogia läbimas põhjalikku muutust ühest funktsioonist intelligentsusele, miniaturiseerimisele ja mitmemõõtmelisusele. See artikkel analüüsib põhjalikult gaasisensorite tehnilisi omadusi, uusimaid uurimistulemusi ja globaalset rakenduste staatust, pöörates erilist tähelepanu gaasiseire valdkonna arengusuundumustele sellistes riikides nagu Hiina ja Ameerika Ühendriigid.
Gaasiandurite tehnilised omadused ja arengusuunad
Gaasiandurist kui muundurist, mis teisendab konkreetse gaasi mahuosa vastavaks elektriliseks signaaliks, on saanud tänapäevase anduritehnoloogia asendamatu ja oluline komponent. Seda tüüpi seade töötleb gaasiproove tuvastuspeade abil, hõlmates tavaliselt selliseid samme nagu lisandite ja segavate gaaside filtreerimine, kuivatamine või jahutamine ning lõpuks gaasi kontsentratsiooni teabe teisendamine mõõdetavateks elektrilisteks signaalideks. Praegu on turul erinevat tüüpi gaasiandureid, sealhulgas pooljuhttüüpi, elektrokeemilist tüüpi, katalüütilise põlemisega tüüpi, infrapunaseid gaasiandureid ja fotoionisatsiooniga (PID) gaasiandureid jne. Igal neist on oma omadused ja neid kasutatakse laialdaselt tsiviil-, tööstus- ja keskkonnakatsetuste valdkonnas.
Stabiilsus ja tundlikkus on kaks peamist näitajat gaasisensorite toimivuse hindamisel. Stabiilsus viitab sensori põhireaktsiooni püsivusele kogu selle tööaja jooksul, mis sõltub nullpunkti triivist ja intervalli triivist. Ideaalis peaks kvaliteetsete sensorite puhul pideva töö tingimustes olema aastane nullpunkti triiv alla 10%. Tundlikkus viitab sensori väljundi muutuse ja mõõdetud sisendi muutuse suhtele. Erinevat tüüpi sensorite tundlikkus varieerub oluliselt, peamiselt sõltuvalt nende kasutatavatest tehnilistest põhimõtetest ja materjalivalikust. Lisaks on gaasisensorite toimivuse hindamisel olulised parameetrid ka selektiivsus (st risttundlikkus) ja korrosioonikindlus. Esimene määrab sensori äratundmisvõime segagaasi keskkonnas, teine aga on seotud sensori taluvusega kõrge kontsentratsiooniga sihtgaasides.
Gaasisensorite tehnoloogia praegune areng näitab mitmeid ilmseid suundumusi. Esiteks on uute materjalide ja protsesside uurimine ja arendamine jätkuvalt süvenenud. Traditsioonilised metalloksiid-pooljuhtmaterjalid, nagu ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ jne, on küpseks saanud. Teadlased legeerivad, modifitseerivad ja modifitseerivad olemasolevaid gaasitundlikke materjale keemilise modifitseerimise meetodite abil ning täiustavad samal ajal kile moodustamise protsessi, et suurendada andurite stabiilsust ja selektiivsust. Samal ajal edendatakse aktiivselt ka uute materjalide, näiteks komposiit- ja hübriidpooljuhtgaasitundlike materjalide ning polümeergaasitundlike materjalide väljatöötamist. Need materjalid on erinevate gaaside suhtes tundlikumad, selektiivsemad ja stabiilsemad.
Andurite intelligentsus on veel üks oluline arengusuund. Uute materjalitehnoloogiate, näiteks nanotehnoloogia ja õhukese kile tehnoloogia eduka rakendamisega muutuvad gaasiandurid integreeritumaks ja intelligentsemaks. Kasutades täielikult ära mitut valdkonda hõlmavaid integreeritud tehnoloogiaid, nagu mikromehaanika ja mikroelektroonika tehnoloogia, arvutitehnoloogia, signaalitöötlustehnoloogia, anduritehnoloogia ja rikke diagnoosimise tehnoloogia, arendavad teadlased täisautomaatseid digitaalseid intelligentseid gaasiandureid, mis on võimelised samaaegselt jälgima mitut gaasi. Hiina teadus- ja tehnoloogiaülikooli riikliku tuleteaduse labori dotsent Yi Jianxini uurimisrühma poolt hiljuti välja töötatud keemilise takistuse potentsiaaliga mitmemuutujaga andur on selle suundumuse tüüpiline esindaja. See andur realiseerib mitme gaasi ja tulekahju omaduste kolmemõõtmelise tuvastamise ja täpse identifitseerimise ühe seadme abil 59.
Samuti pööratakse üha suuremat tähelepanu massiivide moodustamisele ja algoritmide optimeerimisele. Ühe gaasianduri laia spektriga reageerimisprobleemi tõttu on see altid interferentsile, kui samaaegselt esineb mitu gaasi. Mitme gaasianduri kasutamine massiivi moodustamiseks on muutunud tõhusaks lahenduseks äratundmisvõime parandamiseks. Tuvastatud gaasi mõõtmete suurendamisega saab andurimassiiv saada rohkem signaale, mis soodustab rohkemate parameetrite hindamist ning otsustus- ja äratundmisvõime parandamist. Kuid massiivi andurite arvu suurenedes suureneb ka andmetöötluse keerukus. Seetõttu on andurimassiivi optimeerimine eriti oluline. Massiivi optimeerimisel kasutatakse laialdaselt selliseid meetodeid nagu korrelatsioonikordaja ja klasteranalüüs, samas kui gaasi tuvastamise algoritmid, nagu peamine komponentide analüüs (PCA) ja tehisnärvivõrk (ANN), on andurite mustrite tuvastamise võimet oluliselt parandanud.
Tabel: Peamiste gaasiandurite tüüpide jõudluse võrdlus
Anduri tüüp, tööpõhimõte, eelised ja puudused, tüüpiline eluiga
Pooljuhtide tüüpi gaasi adsorptsioon muudab pooljuhtide takistust odavalt, reageerib kiiresti, selektiivsus on halb ning temperatuur ja niiskus mõjutavad seda oluliselt 2-3 aasta jooksul.
Elektrokeemiline gaas läbib REDOX-reaktsioone, tekitades voolu, millel on hea selektiivsus ja kõrge tundlikkus. Elektrolüüdil on aga piiratud kulumine ja selle eluiga on 1-2 aastat (vedela elektrolüüdi puhul).
Katalüütilise põlemise tüüpi põlev gaas põhjustab temperatuurimuutusi. See on spetsiaalselt loodud põleva gaasi tuvastamiseks ja seda saab kasutada ainult põleva gaasi puhul umbes kolme aasta jooksul.
Infrapunagaasidel on teatud lainepikkustega infrapunavalguse neeldumisel kõrge täpsus, need ei põhjusta mürgistust, kuid on kõrge hinnaga ja nende maht on 5–10 aastat suhteliselt suur.
Fotoionisatsioonil (PID) põhinev ultraviolettkiirgusega fotoionisatsioon lenduvate orgaaniliste ühendite gaasimolekulide tuvastamiseks on kõrge tundlikkusega ja ei suuda ühendite tüüpe 3–5 aasta jooksul eristada.
Väärib märkimist, et kuigi gaasisensorite tehnoloogia on märkimisväärselt arenenud, seisab see siiski silmitsi mõningate ühiste väljakutsetega. Andurite eluiga piirab nende rakendamist teatud valdkondades. Näiteks pooljuhtandurite eluiga on umbes 2–3 aastat, elektrokeemiliste gaasiandurite eluiga elektrolüüdi kadu tõttu umbes 1–2 aastat, samas kui tahkis-elektrolüüdil põhinevate elektrokeemiliste andurite eluiga võib ulatuda 5 aastani. Lisaks on triiviprobleemid (andurite reaktsiooni muutused aja jooksul) ja järjepidevuse probleemid (jõudluse erinevused sama partii andurite vahel) samuti olulised tegurid, mis piiravad gaasisensorite laialdast rakendamist. Nendele probleemidele reageerides on teadlased ühelt poolt pühendunud gaasitundlike materjalide ja tootmisprotsesside täiustamisele ning teiselt poolt kompenseerivad või vähendavad nad andurite triivi mõju mõõtmistulemustele, töötades välja täiustatud andmetöötlusalgoritme.
Gaasiandurite mitmekesised rakendusstsenaariumid
Gaasiandurite tehnoloogia on tunginud ühiskondliku elu igasse aspekti. Selle rakendusvaldkonnad on juba ammu ületanud traditsioonilise tööstusohutuse seire ulatuse ja laienevad kiiresti mitmetesse valdkondadesse, nagu meditsiin, keskkonnaseire, nutikodu ja toiduohutus. See mitmekesiste rakenduste trend mitte ainult ei peegelda tehnoloogilise progressi pakutavaid võimalusi, vaid kehastab ka kasvavat sotsiaalset nõudlust gaasidetektorite järele.
Tööstusohutus ja ohtlike gaaside seire
Tööstusohutuse valdkonnas mängivad gaasisensorid asendamatut rolli, eriti kõrge riskiga tööstusharudes, nagu keemiatööstus, nafta ja kaevandamine. Hiina „14. viisaastakuplaan ohtlike kemikaalide ohutuks tootmiseks“ nõuab selgelt, et keemiatööstuspargid looksid mürgiste ja kahjulike gaaside jaoks tervikliku seire- ja varajase hoiatamise süsteemi ning edendaksid intelligentsete riskikontrolliplatvormide ehitamist. „Tööstuslik internet pluss tööohutuse tegevuskava“ julgustab parke samuti juurutama asjade interneti sensoreid ja tehisintellekti analüüsiplatvorme, et saavutada reaalajas jälgimine ja koordineeritud reageerimine sellistele riskidele nagu gaasileke. Need poliitilised suunad on oluliselt edendanud gaasisensorite kasutamist tööstusohutuse valdkonnas.
Kaasaegsed tööstusgaaside seiresüsteemid on välja töötanud mitmesuguseid tehnilisi lahendusi. Gaasipilve kuvamise tehnoloogia visualiseerib gaasilekke, kuvades gaasimassi visuaalselt pikslite halltoonide muutustena pildil. Selle tuvastusvõime on seotud selliste teguritega nagu lekkinud gaasi kontsentratsioon ja maht, taustatemperatuuri erinevus ja jälgimiskaugus. Fourier' teisendusega infrapunaspektroskoopia tehnoloogia suudab kvalitatiivselt ja poolkvantitatiivselt jälgida üle 500 tüüpi gaasi, sealhulgas anorgaanilisi, orgaanilisi, mürgiseid ja kahjulikke gaase, ning skaneerida samaaegselt 30 tüüpi gaasi. See sobib keerukate gaasiseire nõuete täitmiseks keemiatööstusparkides. Need täiustatud tehnoloogiad moodustavad koos traditsiooniliste gaasianduritega mitmetasandilise tööstusgaaside ohutusseire võrgustiku.
Konkreetsel rakendustasandil peavad tööstusgaaside seiresüsteemid vastama mitmetele riiklikele ja rahvusvahelistele standarditele. Hiina „Süttivate ja mürgiste gaaside tuvastamise ja häire projekteerimisstandard naftakeemiatööstuses“ GB 50493-2019 ja „Ohtlike kemikaalide peamiste ohuallikate ohutusseire üldine tehniline spetsifikatsioon“ AQ 3035-2010 pakuvad tööstusgaaside seire tehnilisi spetsifikatsioone 26. Rahvusvahelisel tasandil on OSHA (Ameerika Ühendriikide Tööohutuse ja Töötervishoiu Amet) välja töötanud rea gaaside tuvastamise standardeid, mis nõuavad gaaside tuvastamist enne suletud ruumides tegutsemist ja tagavad, et kahjulike gaaside kontsentratsioon õhus on alla ohutu taseme 610. NFPA (Ameerika Ühendriikide Riiklik Tulekaitse Assotsiatsioon) standardid, näiteks NFPA 72 ja NFPA 54, esitavad tuleohtlike ja mürgiste gaaside tuvastamiseks spetsiifilised nõuded 610.
Meditsiiniline tervis ja haiguste diagnoosimine
Meditsiini- ja tervishoiuvaldkonnast on saamas üks paljulubavamaid gaasisensorite rakendusturge. Inimkeha väljahingatav gaas sisaldab suurt hulka terviseseisunditega seotud biomarkereid. Nende biomarkerite tuvastamise abil on võimalik saavutada haiguste varajane sõeluuring ja pidev jälgimine. Zhejiangi labori Super Perceptioni uurimiskeskuse dr Wang Di meeskonna poolt välja töötatud käeshoitav hingamisatsetoon-tuvastusseade on selle rakenduse tüüpiline esindaja. See seade kasutab kolorimeetrilist tehnoloogiat, et mõõta atsetooni sisaldust inimese väljahingatavas hingeõhus, tuvastades gaasitundlike materjalide värvimuutust, saavutades seeläbi 1. tüüpi diabeedi kiire ja valutu avastamise.
Kui insuliinitase inimkehas on madal, ei suuda see glükoosi energiaks muuta ja selle asemel lagundada rasva. Rasvade lagunemise ühe kõrvalproduktina eritub organismist hingamise kaudu atsetoon. Dr Wang Di selgitas 1. Võrreldes traditsiooniliste vereanalüüsidega pakub see hingamistesti meetod paremat diagnostilist ja terapeutilist kogemust. Lisaks töötab meeskond välja „päevase vabanemisega“ atsetooni plaastriandurit. See odav kantav seade suudab automaatselt mõõta nahast eralduvat atsetoonigaasi ööpäevaringselt. Tulevikus saab see tehisintellekti tehnoloogiaga kombineerituna aidata diabeedi diagnoosimisel, jälgimisel ja ravimite määramisel.
Lisaks diabeedile näitavad gaasisensorid suurt potentsiaali ka krooniliste haiguste ravis ja hingamisteede haiguste jälgimises. Süsinikdioksiidi kontsentratsioonikõver on oluline alus patsientide kopsuventilatsiooni seisundi hindamiseks, samas kui teatud gaasimarkerite kontsentratsioonikõverad peegeldavad krooniliste haiguste arengusuundi. Traditsiooniliselt nõudis nende andmete tõlgendamine meditsiinipersonali osalemist. Kuid tehisintellekti tehnoloogia võimestumisega saavad intelligentsed gaasisensorid mitte ainult gaase tuvastada ja kõveraid joonistada, vaid ka määrata haiguse arenguastet, vähendades oluliselt meditsiinipersonali koormust.
Kantavate terviseseadmete valdkonnas on gaasisensorite rakendamine alles lapsekingades, kuid väljavaated on laiad. Zhuhai Gree Electric Appliances'i teadlased tõid välja, et kuigi kodumasinad erinevad haiguste diagnoosimise funktsioonidega meditsiiniseadmetest, on igapäevase koduse tervise jälgimise valdkonnas gaasisensorite massiividel eelised nagu madal hind, mitteinvasiivsus ja miniatuursus, mistõttu eeldatakse, et need ilmuvad üha enam kodumasinates, näiteks suuhügieeniseadmetes ja nutikates tualettruumides, abiseire ja reaalajas jälgimislahendustena. Koduse tervise nõudluse kasvades saab inimeste tervise jälgimine kodumasinate abil nutikate kodude arendamise oluliseks suunaks.
Keskkonnaseire ning saastuse ennetamine ja kontroll
Keskkonnaseire on üks valdkondi, kus gaasisensoreid kõige laialdasemalt kasutatakse. Kuna ülemaailmne rõhuasetus keskkonnakaitsele kasvab pidevalt, kasvab iga päevaga ka nõudlus atmosfääri erinevate saasteainete seire järele. Gaasisensorid suudavad tuvastada kahjulikke gaase, nagu süsinikmonooksiid, vääveldioksiid ja osoon, pakkudes tõhusat tööriista keskkonnaõhu kvaliteedi jälgimiseks.
Briti Gas Shield Company elektrokeemiline gaasisensor UGT-E4 on keskkonnaseire valdkonna esinduslik toode. See suudab täpselt mõõta atmosfääris olevate saasteainete sisaldust ning pakkuda keskkonnakaitseosakondadele õigeaegset ja täpset andmetuge. See sensor on tänu kaasaegse infotehnoloogiaga integreerimisele saavutanud selliseid funktsioone nagu kaugseire, andmete üleslaadimine ja intelligentne häire, mis suurendab oluliselt gaasi tuvastamise tõhusust ja mugavust. Kasutajad saavad jälgida gaasi kontsentratsiooni muutusi igal ajal ja igal pool lihtsalt oma mobiiltelefonide või arvutite kaudu, pakkudes teaduslikku alust keskkonnajuhtimiseks ja poliitika kujundamiseks.
Siseõhu kvaliteedi jälgimise seisukohast mängivad olulist rolli ka gaasiandurid. Euroopa Standardikomitee (EN) välja antud standard EN 45544 on spetsiaalselt mõeldud siseõhu kvaliteedi testimiseks ja hõlmab erinevate kahjulike gaaside testimisnõudeid 610. Turul saadaolevaid levinud süsinikdioksiidiandureid, formaldehüüdiandureid jne kasutatakse laialdaselt elamutes, ärihoonetes ja avalikes meelelahutuskohtades, aidates inimestel luua tervislikumat ja mugavamat sisekeskkonda. Eriti COVID-19 pandeemia ajal on siseruumide ventilatsioon ja õhukvaliteet saanud enneolematut tähelepanu, mis on veelgi edendanud seotud anduritehnoloogiate väljatöötamist ja rakendamist.
Süsinikdioksiidi heitkoguste seire on gaasisensorite esilekerkiv rakendussuund. Globaalse süsinikneutraalsuse taustal on eriti oluliseks muutunud kasvuhoonegaaside, näiteks süsinikdioksiidi täpne seire. Infrapuna-süsinikdioksiidi sensoritel on selles valdkonnas ainulaadsed eelised tänu nende suurele täpsusele, heale selektiivsusele ja pikale kasutuseale. Hiinas välja antud „Juhised intelligentsete ohutusriskide kontrollplatvormide ehitamiseks keemiatööstusparkides“ on kohustusliku ehitussisu hulka lisanud põlevate/mürgiste gaaside seire ja lekkeallikate jälgimise analüüsi, mis peegeldab poliitilise tasandi rõhuasetust gaasiseire rollile keskkonnakaitse valdkonnas.
Nutikas kodu ja toiduohutus
Nutikodu on gaasiandurite jaoks kõige lootustandvam tarbijarakenduste turg. Praegu kasutatakse gaasiandureid peamiselt kodumasinates, näiteks õhupuhastites ja värske õhu konditsioneerides. Andurite massiivide ja intelligentsete algoritmide kasutuselevõtuga aga hakatakse järk-järgult ära kasutama nende rakenduspotentsiaali sellistes stsenaariumides nagu säilitamine, toiduvalmistamine ja tervise jälgimine.
Toidu säilitamise osas saavad gaasisensorid jälgida toidust säilitamise ajal eralduvaid ebameeldivaid lõhnu, et määrata toidu värskust. Hiljutised uuringud näitavad, et häid tulemusi on saavutatud olenemata sellest, kas lõhna kontsentratsiooni jälgimiseks kasutatakse ühte sensorit või gaasisensorite massiivi koos mustrituvastusmeetoditega toidu värskuse määramiseks. Külmikute tegelike kasutusstsenaariumide keerukuse (näiteks kasutajate uste avamise ja sulgemise, kompressorite käivitamise ja seiskamise ning sisemise õhuringluse jms segamine) ja toidu koostisosadest pärinevate erinevate lenduvate gaaside vastastikuse mõju tõttu on toidu värskuse määramise täpsuses siiski veel arenguruumi.
Gaasiandurite jaoks on oluline ka toiduvalmistamise rakendus. Küpsetusprotsessi käigus tekib sadu gaasilisi ühendeid, sealhulgas tahkeid osakesi, alkaane, aromaatseid ühendeid, aldehüüde, ketoone, alkohole, alkeene ja muid lenduvaid orgaanilisi ühendeid. Sellises keerulises keskkonnas on gaasiandurite massiividel ilmsemad eelised kui üksikutel anduritel. Uuringud näitavad, et gaasiandurite massiive saab kasutada toidu küpsetusseisundi määramiseks isikliku maitse põhjal või abivahendina toitumise jälgimisel, et kasutajatele regulaarselt toiduvalmistamisharjumusi aru anda. Küpsetuskeskkonna tegurid, nagu kõrge temperatuur, toiduvalmistamise aurud ja veeaur, võivad aga andurit kergesti "mürgitada", mis on tehniline probleem, mis vajab lahendamist.
Toiduohutuse valdkonnas on Wang Di meeskonna uuringud näidanud gaasisensorite potentsiaalset rakendusväärtust. Nende eesmärk on "tuvastada kümneid gaase samaaegselt väikese mobiiltelefoni pistikprogrammiga" ning nad on pühendunud toiduohutuse teabe hõlpsasti kättesaadavaks tegemisele. See kõrgelt integreeritud massiivne haistmisseade suudab tuvastada toidus lenduvaid komponente, määrata toidu värskust ja ohutust ning pakkuda tarbijatele reaalajas viiteid.
Tabel: Peamised tuvastusobjektid ja gaasisensorite tehnilised omadused erinevates rakendusvaldkondades
Rakendusvaldkonnad, peamised tuvastusobjektid, tavaliselt kasutatavad anduritüübid, tehnilised väljakutsed, arengusuunad
Tööstusohutuse põlevgaas, mürgine gaas, katalüütilise põlemisega tüüp, elektrokeemiline tüüp, karmi keskkonna taluvus, mitme gaasi sünkroonne jälgimine, lekkeallika otsimine
Meditsiiniline ja tervishoiualane atsetoon, CO₂, lenduvad orgaanilised ühendid (VOC-d) pooljuhttüüpi, kolorimeetrilise tüübi selektiivsus ja tundlikkus, kantav ja intelligentne diagnostika
Pikaajalise stabiilsusega võrgu juurutamine ja reaalajas andmete edastamine õhusaasteainete ja kasvuhoonegaaside keskkonnaseireks infrapuna- ja elektrokeemilises vormis
Nutika kodu toidu lenduv gaas, toiduvalmistamise suitsu pooljuhttüüpi, PID-häiretevastane võimekus
Palun võtke ühendust ettevõttega Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Ettevõtte veebisait:www.hondetechco.com
Tel: +86-15210548582
Postituse aeg: 11. juuni 2025