- Полупроводниковые сенсоры для приборов газового анализа: цена, описание, купить
- Как выбрать?
- Как использовать?
- Классификация
- Особенности
- По степени автономности
- По типу подключения
- Полупроводниковые газоанализаторы
- Правила установки и обслуживания
- Принцип работы
- Рейтинг лучших моделей
- Электроника нтб – научно-технический журнал – электроника нтб – раннее обнаружение пожара. полупроводниковые газовые сенсоры
Полупроводниковые сенсоры для приборов газового анализа: цена, описание, купить
В данном подразделе нашего каталога приборов представлены полупроводниковые датчики – один из основных типов газочувствительных сенсоров.
Принцип работы полупроводникового сенсора основан на фиксации изменений сопротивления чувствительного слоя (ZnO, SnO2, In2O3 и других) при воздействии на него проверяемого газа.
Преимуществом полупроводниковых первичных преобразователей (датчиков газа) по сравнению с другими сенсорами является снижение потребляемой мощности и повышение чувствительности.
Как выбрать?
При выборе датчика утечки газа необходимо учитывать ряд моментов.
- Так, если прибор приобретается в дом, где установлен газовый котел отопления, лучше приобрести модель с функцией рассылки сообщений хозяину на телефон. Это обусловлено тем, что система отопления работает круглые сутки, в том числе и в отсутствие владельцев, а потому крайне важно быть уверенным в том, что с оборудованием всё в порядке.
- Если в квартире имеется принудительная вентиляция или электрическая вытяжка, то хорошим выбором станет модель, способная в автоматическом режиме запускать вентсистему. Это позволит выиграть время до приезда аварийной газовой службы и не допустить опасной концентрации газа в помещении.
- Если в доме, куда приобретается прибор, случаются частые перебои с электричеством, то оптимальным вариантом станет покупка беспроводной модели, работающей на батарейках.
- Если датчик выбирается в дом с печным отоплением, где есть риск образования угарного газа, лучше купить каталитический детектор, который гораздо лучше остальных распознаёт именно этот вид загазованности.
- Для определения концентрации метана и пропана лучше выбрать ИК-датчик, который способен работать и с углекислым газом. А вот угарный газ, напротив, инфракрасные лучи не рассеивает, поэтому для его распознавания такой детектор не подойдёт.
- Если выбор пал на недорогую модель, оснащённую сразу несколькими анализаторами, то нужно быть готовым к тому, что определить, на какой именно газ среагировал прибор, будет невозможно. В то время как на многих комплексных образцах на каждый вид газа предусмотрен свой сигнал, а у самых современных из них на дисплее подробно описывается причина срабатывания.
Как использовать?
Правила эксплуатации датчика чётко прописаны в сопроводительной документации и включают в себя ряд моментов.
- Газовые детекторы поступают в продажу в настроенном виде и внешнего вмешательства не требуют. Поэтому после установки не нужно ничего настраивать, а необходимо лишь понаблюдать за прибором какое-то время. Если цифры на табло находятся в адекватных параметрах, а жёлтый индикатор самодиагностики погашен, то прибор работает корректно и в продолжении контроля не нуждается.
- Подносить вплотную к устройству горящие предметы и испытывать его таким способом категорически запрещено. Это может вызвать выход из строя чувствительных элементов, которые восстановлению могут не подлежать.
- Время от времени датчик необходимо очищать от пыли и грязи, действуют при этом максимально осторожно и следят, чтобы влага не попала внутрь.
- При возникновении неисправностей и загорании жёлтого цветового индикатора следует отключить датчик от питания и отнести в сервисный центр.
- Несмотря на простоту устройства, вскрывать корпус прибора и пытаться ремонтировать его самостоятельно запрещено.
От исправности газового детектора зависят жизнь и здоровье людей, а потому следить за его техническим состоянием нужно очень внимательно.
О том, как правильно использовать датчики утечки газа, смотрите в следующем видео.
Классификация
Датчики утечки газа классифицируются по таким признакам, как метод подключения, способ распознавания превышения концентрации и степень автономности.
Особенности
Датчик утечки газа выполнен в виде небольшого устройства, состоящего из корпуса с расположенными внутри него газовыми анализаторами. Последние представляют собой особо чувствительные элементы, определяющие содержание газа в воздухе, при превышении его концентрации подающие громкий звуковой сигнал.
Богатый ассортимент сигнализаторов представлен как простыми моделями для дома, способными распознавать природный метан, пропан и продукты их сгорания – оксиды углерода, так и мощными многофункциональными приборами, предназначенными для установки на крупных производственных объектах, складах горючих материалов и в промышленных цехах.
Профессиональные детекторы часто оснащены регистратором измерений, функцией самодиагностики и способны работать с несколькими видами газа.
Главными функциями газовых датчиков являются распознавание вещества, определение уровня его концентрации в воздухе и подача громкого сигнала тревоги в случае превышения нормы. Во многих моделях, помимо звука, имеется и световая сигнализация, позволяющая использовать прибор в доме, где есть слабослышащие либо пожилые люди.
Промышленные образцы, работающие в цехах предприятий, связаны с пультом охраны, куда немедленно отправляют тревожный сигнал в случае повышения концентрации газа.
По степени автономности
По данному признаку газовые датчики подразделяются на три вида.
- Автономные образцы устанавливаются как отдельные приборы, которые при обнаружении утечки действуют самостоятельно: они подают звуковую сирену и световой сигнал и активируют команды отключения газа и запуска принудительной вентиляции. Такие модели можно увидеть в квартирах и частных домах, где они вполне справляются с поставленной перед ними задачей в одиночку.
- Компонентные образцы являются элементами промышленной, реже бытовой системы безопасности и при обнаружении утечки газа лишь посылают сигнал центральному модулю сети. Тот анализирует результаты замеров и принимает решение по включению исполнительных механизмов. Системы используются на больших промышленных объектах и в частных многоэтажных владениях.
- Смешанные приборы являются универсальными и в зависимости от способа монтажа могут работать как в одиночку, так и «в команде».
По типу подключения
По этому критерию датчики подразделяются на проводные и беспроводные. Первые работают от электрической сети напряжением 220 В и требуют наличия в непосредственной близости источника питания. Многие люди с опаской относятся к проводным образцам, высказывая опасение, что при превышении концентрации газа сам детектор, включенный в сеть, может послужить причиной взрыва воздушно-газовой смеси. Однако эти предположения абсолютно беспочвенны.
Изготовление газовых датчиков производится по особой технологии с применением всех мер защиты, поэтому взрыв, спровоцированный, к примеру, коротким замыканием, исключён. Преимуществом сетевых моделей является простота в обслуживании и отсутствие необходимости контроля за уровнем заряда батареек.
Беспроводные датчики работают от аккумуляторов и в электрическом питании не нуждаются. Отсутствие проводов позволяет установить такую модель в любое место, в том числе на подвижные детали сложного промышленного оборудования. К преимуществам вида относят высокую мобильность и возможность установки в помещениях, где нет электричества. Среди минусов отмечают высокую в сравнении с сетевыми моделями стоимость и необходимость контроля за состоянием батарей.
Полупроводниковые газоанализаторы
Полупроводники — вещества, характеризующиеся значениями УЭП i, промежуточными между УЭП металлов (у = 10-106—10-108 См/м) и хороших диэлектриков (х * 10* 10-10—1010-8 См/м). Возможность в широких пределах управлять электропроводностью полупроводников изменением температуры, введением примесей и т.д. является основой их многочисленных и разнообразных применений.
Вид полупроводникового датчика газоанализатора показан на рис. 8.20. Принцип его действия основан на том, что анализируемый газ изменяет проводимость полупроводника (оксида металла) 2. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изменение напряжения.
Рис. 8.20.Полупроводниковый датчик газоанализатора:
1 — полимерная мембрана; 2 — полупроводник; 3 — нагревательная спираль; 4 — керамический корпус
В табл. 8.2 приведены данные о материалах чувствительных элементов для обнаружения газов.
Таблица 8.2
Обнаруживаемые газы и материал чувствительного элемента
Анализируемый газ | Чувствительный элемент датчика |
Оксид углерода СО Этанол С2Н5ОН Сероводород H2S Изобутан С^Н,0 Пропан С5Н8 Водород Н2 | Напыленные в кислороде слои Sn02 Нанесенные пиролитические слои Sn02 на кварцевых подложках; спеченная пластина из ZnO с добавкой серебра Слой Sn02 с добавкой алюминия Слой легированного ZnO на подложке из А1203 и слой катализатора из соединения платины Sn02 1% РЬС12 Mg(N03)2 с добавками Nb (V, Ti, Mo) Напыленный слой Sn02 с добавкой Sb203 |
Наиболее пригодным для обнаружения газов является диоксид олова Sn02 с различными легирующими добавками. Подбором легирующих добавок и рабочей температуры можно достичь повышения чувствительности.
Перспективным направлением развития является составление матрицы полупроводниковых датчиков на различные газы. Тогда, зная матрицу перекрестной чувствительности, можно определить концентрацию газов, находящихся в воздухе. Недостатком, делающим невозможным пока применение данного метода, является то, что наличие в воздухе компонента, не заданного в матрице сенсоров, приводит либо к ошибке при решении системы уравнений, либо к невозможности нахождения решения вовсе.
Более прогрессивным является импульсный метод измерения концентрации. При этом в момент прохождения импульса нагрева через сенсор считывают его отклик и высчитывают концентрацию газа. Алгоритм обработки достаточно прост. К недостаткам данного метода можно отнести высокое энергопотребление. При динамическом импульсном методе возможна самодиагностика прибора на потерю чувствительности сенсора к газам.
К достоинствам полупроводниковых датчиков (рис. 8.21) относятся:
- • длительный срок службы (5—10 лет);
- • больший динамический диапазон измерений, что позволяет на одном датчике реализовать сразу три порога сигнализации — 20, 60 и 500 мг/м3;
- • большой диапазон рабочих температур (от -60 до 120°С);
- • постоянная времени полупроводниковых датчиков не превышает 5 с.
Недостатками полупроводниковых датчиков являются:
- • невысокая селективность;
- • возможность отравления органическими веществами;
- • большое время регенерации (до нескольких часов) или даже полная потеря работоспособности после концентрационных перегрузок.
Рис. 8.21.Полупроводниковые датчики газоанализаторов
Правила установки и обслуживания
Монтаж датчика утечки газа не вызывает никаких сложностей и может быть выполнен самостоятельно.Для этого следует лишь ознакомиться с рядом общих правил, обязательных для исполнения.
- Установка сигнализатора должна выполняться на расстоянии не дальше 4 метров от газовых приборов: плиты, котла или колонки.
- Расстояние от датчика до источников открытого огня должно быть не менее одного метра.
- Монтаж детектора непосредственно над газовой плитой строго запрещён.
- Установка прибора вблизи окон, вентиляционных отверстий и входной двери категорически не рекомендуется. В противном случае при утечке газа прибор просто не среагирует на его высокую концентрацию и не включит сирену.
- Выбор высоты монтажа производят по следующей схеме: комбинированные приборы, способные улавливать несколько видов газа, устанавливают в 50 см от потолка, тогда как датчики для сжиженного газа – не ниже 50 см от пола. Это обусловлено разным весом газов относительно воздуха. Поэтому, если в полу имеются углубления, в них необходимо устанавливать дополнительные детекторы для тяжёлого пропана.
- Ввиду того что большинство датчиков принадлежит к классу защиты IP 33, их нельзя устанавливать в места, где на них могли бы попасть капли жира и воды. Кроме того, ставить прибор туда, где наблюдается скопление горячего пара и повышенная температура, запрещено.
- Если детектор долгое время находился в холодном помещении, то перед установкой его следует согреть. Для этого прибор оставляют на несколько часов при комнатной температуре и лишь после этого начинают монтаж.
- В зависимости от модели монтаж прибора может выполняться как на двусторонний скотч, так и на пару саморезов. Первый способ более предпочтителен с точки зрения сохранения целостности стены. К тому же он позволяет крепить прибор на поверхности, в которые вкручивание саморезов невозможно. Зато второй метод более надёжен и долговечен.
- Монтаж сетевых приборов должен выполняться с учётом длины шнура. Использование тройников и удлинителей запрещено.
После установки рекомендуется проверить работоспособность прибора. Для этого на него подают газ из бытовой зажигалки и ждут включения сирены. Восстановление прибора после проветривания помещения происходит довольно медленно, за исключением моделей непрерывного контроля, а некоторые образцы и вовсе требуют ручной регулировки.
Проверка датчика на предмет обнаружения угарного газа выглядит несколько иначе: для этого берут тонкую деревянную лучину, поджигают её, дают немного погореть, задувают и струёй дыма «окуривают» датчик с расстояния 20-30 см.
Принцип работы
Принцип действия датчика утечки достаточно прост и основан на физических законах конвекции. Воздух поднимается вверх и проходит через анализаторы. Те, в свою очередь, быстро распознают имеющиеся в нём примеси газа и при увеличении их концентрации выше принятых норм включают световой и звуковой сигналы. Интересным является тот факт, что раньше для обнаружения метана в угольных шахтах использовались канарейки.
Пока предельно допустимый уровень газа был в норме, птица весело щебетала, а при его превышении замолкала и погибала. Затем канарейку заменили химические анализаторы, представляющие собой тканевые либо бумажные полоски, пропитанные специальным составом. При малейшем превышении концентрации газа они меняли свой цвет, сигнализируя тем самым об опасной ситуации.
Современные датчики не требуют регулировки и поступают в продажу в уже настроенном виде. При обнаружении утечки многие из них способны посылать владельцу квартиры SMS-сообщения либо оповещать его об опасности через интернет. После устранения аварийной ситуации простые бытовые модели нуждаются в перезапуске, притом что промышленные образцы непрерывного действия сразу после срабатывания сигнализации продолжают регистрировать и анализировать.
Рейтинг лучших моделей
Современный рынок представляет огромное количество датчиков утечки газа, надёжно защищающих жилище от взрыва и возгорания. Ниже представлен обзор недорогих бытовых образцов, спрос на которые, по версии интернет-магазинов, является достаточно высоким.
Детектор-сигнализатор «Даджет МТ8055» предназначен для распознавания превышения концентрации пропана и метана. Прибор имеет полупроводниковое исполнение, работает от сети напряжением 220 В, оснащён световой индикацией и мощной сиреной. Детектор оборудован дисплеем, на котором высвечивается информация о загазованности помещения. Так, при числовых показателях от 1 до 2 устройство молчит, а в диапазоне от 3 до 5 включается красный индикатор, и прибор начинает издавать умеренный звуковой сигнал.
При цифрах от 6 до 9 единиц сигнал становится намного громче и чётче, а когда концентрация газа достигает предельно допустимого значения, на экране появляется буква «А», все индикаторы начинают гореть красным цветом, и звучит сирена громкостью 85 дБ.
В таких случаях самостоятельно устранять утечку уже поздно и всё, что нужно сделать – это срочно покинуть помещение. Датчик является очень экономичным и потребляет всего 4 Вт. Порог срабатывания на пропан составляет 0,1-0,5%, на метан природный – 0,1-0,3% и на метан бытовой – 0,1-0,5%.
Полупроводниковый датчик «Кенарь GD100-N» специализируется на утечке природного метана и используется в быту. Прибор работает от сети напряжением 220 В и предназначен для определения загазованности помещений с газогорелочными плитами и котлом.
Детектор срабатывает, когда объёмная доля метана в воздухе достигает 0,44%, притом что у метана нижний концентрационный предел воспламенения составляет 4,4% доли в объёме. Как видно, запас времени от момента срабатывания до возможного возгорания газа достаточно большой, что позволяет принять меры к перекрытию вентиля на магистральной трубе, а в случае серьёзной аварии – эвакуироваться из здания до взрыва.
Прибор относится к агрегатам непрерывного действия. После снижения уровня концентрации газа он отключает аварийные сигналы и продолжает мониторинг. Датчик оснащён индикатором неисправности, который при возникновении поломки начинает гореть жёлтым цветом и зуммировать каждые 3 секунды.
Кроме того, прибор имеет возможность управлять электромагнитным клапаном, который при утечке газа моментально перекроет газопровод. Открытие клапана после устранения аварийной ситуации производится вручную. Детектор может эксплуатироваться при температуре от 0 до 55 градусов, потребляет не более 3 Вт электроэнергии и стоит 1 700 рублей.
Детектор-сигнализатор Honeywell JTQJ-BF-6618B является бытовым прибором и предназначен для непрерывного контроля за уровнем метана. Производитель оснастил его двумя выходами, при помощи которых можно подключить электромагнитный клапан и, например, принудительную вентиляцию. Уровень погрешности измерений составляет всего 3%, а порог срабатывания сирены достигает 4% от нижнего предела воспламенения метана.
Датчик имеет полупроводниковый тип исполнения, способен работать при температуре от 0 до 55 градусов и потребляет не более 2 Вт электричества. Изделие выпускается в размерах 88х88х42 мм, весит 90 г и стоит 3 900 рублей.
Датчик Xiaomi MiJia Gas Leak Detector способен не только громко оповещать хозяев об утечке газа, но и отправлять SMS-сообщения на телефон. Отличительной особенностью модели является тот факт, что прибор отслеживает количество кислорода, а не газа и при малейшем появлении в воздухе вредных примесей сообщает об этом громким сигналом.
Датчик имеет сертификат стандарта CCCF и способен к синхронизации с телефоном и другими датчиками системы, что позволяет использовать его не только как автономное устройство, но и как звено общей сети. Модель выпускается в габаритах 20х80х29 мм, весит 90 г и имеет радиус действия до 4 м. Стоимость детектора составляет 2 900 рублей.
Бытовой детектор «Страж» способен контролировать уровень природного, сжиженного и даже угарного газа и имеет низкий порог срабатывания, составляющий 0,1-0,5%. Модель оснащена громкой сиреной, питается от сети 220 В и способна выдерживать температуру 50 градусов и влажность до 95%.
Прибор может использоваться как автономное средство оповещения либо быть подключен к общей системе пожарной сигнализации. Корпус детектора изготовлен из ударопрочного пластика ABS и металла, мощность сигнала составляет 70 дБ, вес достигает 260 г. Модель выпускается в габаритах 110х70х40 мм и стоит 1000 рублей.
Электроника нтб – научно-технический журнал – электроника нтб – раннее обнаружение пожара. полупроводниковые газовые сенсоры
Итак, достоверный способ предупреждения пожара на ранней стадии, предшествующей возгоранию, – это контроль химического состава воздуха, который резко изменяется из-за термического разложения перегретых или начинающих тлеть горючих материалов. На этой стадии еще эффективны превентивные меры. Например, в случае перегрева электроприборов (утюга или электрокамина) они могут быть вовремя автоматически отключены по сигналу с газового датчика.
СОСТАВ ВЫДЕЛЯЮЩИХСЯ ПРИ ГОРЕНИИ ГАЗОВ
Ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления), определяются составом именно тех материалов, которые участвуют в этом процессе. Однако в большинстве случаев можно уверенно выделить и основные характерные газовые компоненты. Подобные исследования проводились в Институте пожарной безопасности (г.Балашиха Московской обл.) с использованием стандартной камеры объемом 60 м3 для имитации пожара. Состав выделяющихся при горении газов определялся при помощи хроматографии. Эксперименты дали следующие результаты.
Водород (Н2) – основной компонент выделяемых газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы. На начальной стадии пожара, в процессе тления, концентрация водорода составляет 0,001–0,002%. В дальнейшем происходит рост содержания ароматических углеводородов на фоне присутствия недоокисленного углерода – оксида углерода (СО) – 0,002–0,008%. При появлении пламени растет концентрация диоксида углерода (СО2) до уровня 0,1%, что соответствует сгоранию 40–50 г древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 м3 и эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. Такой уровень СО2 достигается также в результате присутствия в помещении двух человек в течение 1 ч.
Эксперименты показали, что порог обнаружения системы раннего предупреждения пожара в атмосферном воздухе при нормальных условиях должен находиться для большинства газов, в том числе водорода и оксида углерода, на уровне 0,002%. Желательно, чтобы быстродействие системы было не хуже 10 с. Такой вывод можно рассматривать как основополагающий для разработок целого ряда предупреждающих пожарных газовых сигнализаторов.
Существующие средства газоанализа экологической направленности (в том числе на электрохимических, термокаталитических и других сенсорах) слишком дороги для такого использования. Внедрение в производство пожарных извещателей на основе полупроводниковых химических сенсоров, изготавливаемых по групповой технологии, позволит резко снизить стоимость газовых сенсоров.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГАЗОВЫЕ ДАТЧИКИ
Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции газов на его поверхности. Это обстоятельство позволяет эффективно использовать их в приборах пожарной сигнализации как альтернативные устройства традиционным оптическим, тепловым и дымовым сигнализаторам, в том числе содержащим радиоактивный плутоний. А высокую чувствительность (для водорода – от 0,000001% !), селективность, быстродействие и дешевизну полупроводниковых газовых датчиков следует рассматривать как основные их преимущества перед другими типами пожарных извещателей. Используемые в них физико-химические принципы детектирования сигналов сочетаются с современными микроэлектронными технологиями, что обусловливает низкую стоимость изделий при массовом производстве и высокие технические и энергосберегающие характеристики.
Для того чтобы физико-химические процессы протекали на поверхности чувствительного слоя достаточно быстро, обеспечивая быстродействие на уровне нескольких секунд, сенсор периодически разогревается до температуры 450–500°С, что активизирует его поверхность. В качестве чувствительных полупроводниковых слоев обычно используют мелкодисперсные оксиды металлов (SnO2, ZnO, In2O3 и др.) с легирующими добавками Pl, Pd и др. Благодаря структурной пористости формируемых материалов, достигаемой с помощью некоторых технологических приемов, их удельная поверхность – около 30 м2/г. Нагревателем служит резистивный слой, выполненный из инертных материалов (Pl, RuO2, Au и др.) и электрически изолированный от полупроводникового слоя.
При кажущейся простоте такие методы формирования сконцентрировали в себе все последние достижения материаловедения и микроэлектронной технологии. Это обусловило высокую конкурентоспособность сенсора, который может работать несколько лет, периодически находясь в “стрессовом“ состоянии при разогреве до 500°С, сохраняет при этом высокие эксплутационные характеристики, чувствительность, стабильность, селективность и потребляет низкую мощность (в среднем несколько десятков милливатт).
Промышленное призводство полупроводниковых сенсоров широко развито во всем мире, но основная доля мирового рынка приходится на японские компании. Признанный лидер в этой области – фирма Figaro с годовым объемом производства сенсоров около 5 млн.шт. и масштабным производством приборов на их основе, включая элементную базу и схемотехнические решения с программируемыми устройствами.
Однако ряд особенностей производства полупроводниковых сенсоров затрудняют его совместимость с традиционной кремниевой технологией в рамках замкнутого цикла. Объясняется это тем, что сенсоры – не столь массовое изделие, как микросхемы, и имеют больший разброс параметров из-за специфики условий работы (зачастую в агрессивной среде). Их производство требует очень специфичного ноу-хау в области физической химии, материаловедения и т.д. Поэтому успех здесь сопутствует крупным специализированным фирмам (например, Microchemical Instrument – европейский филиал Motorola), которые не спешат делиться своими разработками в области высоких технологий. К сожалению, в России и СНГ эта отрасль никогда не была хорошо развита, несмотря на достаточное число исследовательских групп – РНЦ “Курчатовский институт”, МГУ, ЛГУ, Воронежский государственный университет, ИОНХ РАН, НИФХИ им. Карпова, Саратовский университет, Новгородский университет и т. д.
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЕНСОРОВ
Наиболее развитая технология производства полупроводниковых сенсоров предложена в РНЦ “Курчатовский институт”. Здесь разработаны малогабаритные полупроводниковые сенсоры для анализа химического состава газов и жидкостей. Они изготавливаются по микроэлектронной технологии и сочетают в себе достоинства микроэлектронных устройств – низкую стоимость при массовом производстве, миниатюрность, низкую потребляемую мощность – с возможностью измерения концентрации газов и жидкостей в широких пределах и с достаточно высокой точностью. Разработанные приборы делятся на две группы: металлооксидные и структурные полупроводниковые сенсоры.
Металлооксидные сенсоры. Изготавливаются по толстопленочной технологии. В качестве подложки в них использован поликристаллический оксид алюминия, на который с двух сторон нанесены нагреватель и металлооксидный газочувствительный слой (рис.1). Чувствительный элемент помещен в газопроницаемый корпус, удовлетворяющий требованиям взрывопожаробезопасности.
Сенсоры способны определять концентрацию горючих газов (метана, пропана, бутана, водорода и т.д.) в воздухе в интервале от 0,001% до единиц процентов, а также токсичных газов (угарного газа, арсина, фосфина, сероводорода и т.д.) на уровне предельно допустимой концентрации (ПДК). Они могут быть также использованы для одновременного и селективного определения концентрации кислорода и водорода в инертных газах, например для ракетной техники. Для нагрева эти приборы требуют рекордно низкую для своего класса электрическую мощность – менее 150 мВт.
Металлооксидные сенсоры предназначены для применения в сигнализаторах утечки газов и системах пожарной сигнализации (как стационарных, так и карманных).
Структурные полупроводниковые сенсоры. Это сенсоры на основе кремниевых структур металл–диэлектрик–полупроводник (МДП), металл–твердый электролит–полупроводник и диоды Шотки.
МДП-структуры с затвором из палладия или платины используются для определения концентрации водорода в воздухе или инертных газах. Порог обнаружения водорода – порядка 0,00001%. Сенсоры успешно применялись для определения концентрации водорода в теплоносителе ядерных реакторов с целью поддержания их безопасности.
Структуры с твердым электролитом (трифторид лантана, проводящий по ионам фтора) предназначены для определения концентрации фтора и фторидов (прежде всего фтористого водорода) в воздухе. Работают при комнатной температуре, позволяют определять концентрацию фтора и фтористого водорода на уровне 0,000003%, что составляет примерно 0,1 ПДК. Измерение утечек фтористого водорода особенно важно для определения экологической обстановки в регионах с крупным производством алюминия, полимеров, ядерного топлива.
Подобные структуры, выполненные на основе карбида кремния и работающие при температуре около 500ОС, могут использоваться для измерения концентрации фреонов.
ИНДИКАТОР ОКСИДА УГЛЕРОДА И ВОДОРОДА СО-12
Отмеченный на международных выставках способ раннего обнаружения пожара* обеспечивает одновременный контроль относительных концентраций в воздухе двух или более газов, таких как ароматические углеводороды, водород, оскид и диоксид углерода. Полученные значения сравниваются с заданными, и в случае их совпадения формируется сигнал тревоги. Контроль и сравнение относительных концентраций газовых компонент проводятся с заданной периодичностью. Возможность ложных срабатываний измерительного устройства при повышении концентрации одного из газов исключена, если нет возгорания.
В качестве измерительного устройства предложен индикатор СО-12, предназначенный для обнаружения в воздушной атмосфере газообразного оксида углерода и водорода в диапазоне их концентраций от 0,001 до 0,01%. Прибор представляет собой девятиуровневый пропорциональный индикатор в виде линейки светодиодов трех цветов – зеленого (диапазон малых концентраций), желтого (средний уровень) и красного (высокий уровень) (рис.2). Каждому диапазону соответствуют три светодиода. При загорании красных светодиодов включается звуковой сигнал, предостерегающий людей об опасности отравления.
Принцип работы индикатора основан на регистрации изменения сопротивления (R) полупроводникового газочувствительного сенсора, температура которого стабилизируется на уровне 120°С в процессе измерений (рис.3, участок В–С). При этом нагревательный элемент включен в обратную связь операционного усилителя – терморегулятора – и периодически, каждые 6 с, отжигается в течение 0,5 с при температуре 450°С (рис.3, участок О–А). Далее следует изотермическая релаксация сопротивления R при взаимодействии с угарным газом. Измерение R осуществляется перед следующим отжигом (рис.3, точка C, далее следует отжиг – О). Процессом измерения и выводом на индикатор данных управляет программируемое устройство. Полный график зависимости сопротивления полупроводникового слоя сенсора на основе SnO2 от времени при кратковременном взаимодействии (5 с) с дымом тлеющей древесины представлен на рис.4. Принципиальная схема индикатора приведена на рис.5. Его основные технические характеристики:
Диапазон сигнализируемых концентраций СО и Н2 0,001–0,01%
Периодичность измерений 6 с
Время установления показаний не более 1 мин
Условия окружающей среды:
температура от 0 до 50°С
влажность от 10 до 100%
Напряжение питания: внешний
нестабилизированный источник
питания постоянного тока от 6 до 9 В
Потребляемая мощность не более 2,5 Вт
Габаритные размеры 140x70x25 мм
Индикатор можно эффективно использовать в качестве пожарного сигнального устройства как в жилых помещениях, так и на промышленных объектах. Дачные домики, коттеджи, бани, сауны, гаражи и котельни, предприятия с производством, основанном на использовании открытого огня и термообработки, предприятия горнодобывающей, металлургической и нефтегазоперерабатывающей промышленности и, наконец, автомобильный транспорт – вот далеко не полный список объектов, где индикатор СО-12 может быть полезен.
Подобные пожарные извещатели раннего обнаружения, объединенные в единую сеть и контролирующие газовыделение при тлении материалов перед их возгоранием, при размещении на промышленных объектах позволяют предупредить аварийные ситуации не только на наземных объектах пожарной охраны, но и в подземных сооружениях, угольных разрезах, где в результате перегрева оборудования, транспортирующего уголь, может произойти возгорание угольной пыли. Каждый датчик, имеющий световой и звуковой сигналы оповещения, способен не только информировать о степени загазованности территории, но и предупредить об опасности персонал, находящийся в непосредственной близости к экстремальному месту. Стационарные пожарные датчики, установленные в жилых помещениях, могут предотвратить взрыв бытового газа, отравление угарным газом и возникновение пожара из-за неисправности бытовой техники или грубого нарушения условий ее эксплуатации путем автоматического отключения от сети.
Представляем авторов статьи
АНТОНЕНКО Владимир Иванович. Кандидат физико-математических наук. Ведущий научный сотрудник НПО “Измерительная техника” (г. Королев). Окончил МФТИ. Автор свыше 35 научных работ и изобретений. Сфера профессиональных интересов – физика МДП-приборов, газочувствительные полупроводниковые структуры, датчики.
ВАСИЛЬЕВ Алексей Андреевич. Кандидат физико-математических наук. Старший научный сотрудник РНЦ “Курчатовский институт”. Окончил МФТИ. Автор свыше 100 научных работ и изобретений. Область профессиональных интересов – физико-химические процессы на поверхности, катализ.
ОЛИХОВ Игорь Михайлович. Кандидат технических наук. Начальник лаборатории радиоэлектронных устройств ФГУП НИИ “Платан” (г. Фрязино). Окончил Таганрогский радиотехнический институт. Автор свыше 100 научных работ и изобретений. Область профессиональных интересов – СВЧ- и лазерные полупроводниковые приборы и устройства.
Контактные телефоны: (095) 196-7095, 702-9642, (096) 524-5226.
