S rychlým rozvojem technologií, jako je internet věcí a umělá inteligence, plynové senzory, důležité snímací zařízení známé jako „elektrických pět smyslů“, otevírají nebývalé možnosti rozvoje. Od počátečního monitorování průmyslových toxických a škodlivých plynů až po široké využití v lékařské diagnostice, chytré domácnosti, monitorování životního prostředí a dalších oblastech, technologie plynových senzorů prochází hlubokou transformací z jediné funkce na inteligenci, miniaturizaci a vícerozměrnost. Tento článek komplexně analyzuje technické vlastnosti, nejnovější výzkumný pokrok a globální stav aplikací plynových senzorů, se zvláštním zaměřením na vývojové trendy v oblasti monitorování plynů v zemích, jako je Čína a Spojené státy.
Technické vlastnosti a vývojové trendy plynových senzorů
Jako převodník, který převádí objemový podíl specifického plynu na odpovídající elektrický signál, se plynový senzor stal nepostradatelnou a důležitou součástí moderní senzorické technologie. Tento typ zařízení zpracovává vzorky plynu pomocí detekčních hlavic, což obvykle zahrnuje kroky, jako je filtrování nečistot a rušivých plynů, sušení nebo chlazení a nakonec převod informací o koncentraci plynu na měřitelné elektrické signály. V současné době jsou na trhu k dispozici různé typy plynových senzorů, včetně polovodičových, elektrochemických, katalytických, infračervených a fotoionizačních (PID) plynových senzorů atd. Každý z nich má své vlastní vlastnosti a je široce používán v civilním, průmyslovém a environmentálním testování.
Stabilita a citlivost jsou dva základní ukazatele pro hodnocení výkonu plynových senzorů. Stabilita se vztahuje k zachování základní odezvy senzoru po celou dobu jeho provozu, která závisí na nulovém driftu a intervalovém driftu. V ideálním případě by u vysoce kvalitních senzorů za nepřetržitých provozních podmínek měl být roční nulový drift menší než 10 %. Citlivost se vztahuje k poměru změny výstupu senzoru ke změně měřeného vstupu. Citlivost různých typů senzorů se výrazně liší, zejména v závislosti na technických principech a výběru materiálu, který používají. Důležitými parametry pro hodnocení výkonu plynových senzorů jsou také selektivita (tj. křížová citlivost) a odolnost proti korozi. První určuje schopnost senzoru rozpoznávat v prostředí směsi plynů, zatímco druhý souvisí s tolerancí senzoru ve vysoce koncentrovaných cílových plynech.
Současný vývoj technologie plynových senzorů představuje několik zřejmých trendů. V první řadě se výzkum a vývoj nových materiálů a nových procesů neustále prohlubuje. Tradiční polovodičové materiály na bázi oxidů kovů, jako je ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ atd., dosáhly pokročilé úrovně. Výzkumníci dopují, modifikují a povrchově upravují stávající materiály citlivé na plyny pomocí chemických modifikačních metod a zároveň zlepšují proces tvorby filmu, aby se zvýšila stabilita a selektivita senzorů. Zároveň aktivně probíhá vývoj nových materiálů, jako jsou kompozitní a hybridní polovodičové materiály citlivé na plyny a polymerní materiály citlivé na plyny. Tyto materiály vykazují vyšší citlivost, selektivitu a stabilitu vůči různým plynům.
Inteligence senzorů je dalším důležitým směrem vývoje. Díky úspěšnému využití nových materiálových technologií, jako jsou nanotechnologie a technologie tenkých vrstev, se plynové senzory stávají integrovanějšími a inteligentnějšími. Díky plnému využití multidisciplinárních integrovaných technologií, jako je mikromechanická a mikroelektronická technologie, počítačová technologie, technologie zpracování signálů, senzorová technologie a technologie diagnostiky poruch, vědci vyvíjejí plně automatické digitální inteligentní plynové senzory schopné simultánně monitorovat více plynů. Typickým představitelem tohoto trendu je vícerozměrný senzor s chemickou rezistencí a potenciálem, který nedávno vyvinula výzkumná skupina docenta Yi Jianxina ze Státní klíčové laboratoře požární vědy na Čínské univerzitě vědy a techniky. Tento senzor realizuje trojrozměrnou detekci a přesnou identifikaci více plynů a charakteristik požáru pomocí jediného zařízení 59.
Stále větší pozornost se věnuje také optimalizaci polí a algoritmů. Vzhledem k problému širokospektrální odezvy jednoho plynového senzoru je náchylný k rušení, pokud se současně vyskytuje více plynů. Použití více plynových senzorů k vytvoření pole se stalo efektivním řešením pro zlepšení schopnosti rozpoznávání. Zvětšením rozměrů detekovaného plynu může pole senzorů získat více signálů, což vede k vyhodnocení více parametrů a zlepšení schopnosti úsudku a rozpoznávání. S rostoucím počtem senzorů v poli se však zvyšuje i složitost zpracování dat. Proto je optimalizace pole senzorů obzvláště důležitá. Při optimalizaci pole se široce používají metody, jako je korelační koeficient a shluková analýza, zatímco algoritmy pro rozpoznávání plynů, jako je analýza hlavních komponent (PCA) a umělé neuronové sítě (ANN), výrazně zlepšily schopnost senzorů rozpoznávat vzory.
Tabulka: Porovnání výkonu hlavních typů plynových senzorů
Typ senzoru, princip fungování, výhody a nevýhody, typická životnost
Adsorpce plynu polovodičového typu má nízké náklady na změnu odporu polovodičů, rychlou odezvu, špatnou selektivitu a je silně ovlivněna teplotou a vlhkostí po dobu 2-3 let.
Elektrochemický plyn podléhá redoxním reakcím za vzniku proudu, který má dobrou selektivitu a vysokou citlivost. Elektrolyt má však omezené opotřebení a životnost 1–2 roky (u kapalného elektrolytu).
Katalytické spalování hořlavého plynu způsobuje změny teploty. Je speciálně navrženo pro detekci hořlavých plynů a je použitelné pouze pro hořlavé plyny po dobu přibližně tří let.
Infračervené plyny mají vysokou přesnost v absorpci infračerveného světla specifických vlnových délek, nezpůsobují otravu, ale mají vysokou cenu a relativně velký objem po dobu 5 až 10 let.
Fotoionizační (PID) ultrafialová fotoionizace pro detekci molekul plynů VOC má vysokou citlivost a nedokáže rozlišit typy sloučenin po dobu 3 až 5 let.
Stojí za zmínku, že ačkoli technologie plynových senzorů dosáhla značného pokroku, stále čelí některým běžným výzvám. Životnost senzorů omezuje jejich použití v určitých oblastech. Například životnost polovodičových senzorů je přibližně 2 až 3 roky, u elektrochemických plynových senzorů je to asi 1 až 2 roky v důsledku ztráty elektrolytu, zatímco u elektrochemických senzorů s pevným elektrolytem může dosáhnout až 5 let. Důležitými faktory omezujícími široké použití plynových senzorů jsou také problémy s driftem (změny v odezvě senzoru v čase) a problémy s konzistencí (rozdíly ve výkonu mezi senzory ve stejné šarži). V reakci na tyto problémy se výzkumníci na jedné straně zavázali ke zlepšování materiálů a výrobních procesů citlivých na plyn a na druhé straně kompenzují nebo potlačují vliv driftu senzoru na výsledky měření vývojem pokročilých algoritmů pro zpracování dat.
Rozmanité scénáře použití plynových senzorů
Technologie plynových senzorů pronikla do všech aspektů společenského života. Její aplikace již dávno překročily tradiční rámec monitorování průmyslové bezpečnosti a rychle se rozšiřují do mnoha oblastí, jako je lékařství, monitorování životního prostředí, chytrá domácnost a bezpečnost potravin. Tento trend diverzifikovaných aplikací nejen odráží možnosti, které přináší technologický pokrok, ale také ztělesňuje rostoucí společenskou poptávku po detekci plynů.
Bezpečnost v průmyslu a monitorování nebezpečných plynů
V oblasti průmyslové bezpečnosti hrají plynové senzory nezastupitelnou roli, zejména ve vysoce rizikových odvětvích, jako je chemické inženýrství, ropa a těžba. Čínský „14. pětiletý plán pro bezpečnou výrobu nebezpečných chemikálií“ jasně vyžaduje, aby chemické průmyslové parky zavedly komplexní systém monitorování a včasného varování před toxickými a škodlivými plyny a podporovaly výstavbu inteligentních platforem pro řízení rizik. „Akční plán pro průmyslový internet a bezpečnost práce“ rovněž povzbuzuje parky k nasazení senzorů internetu věcí a platforem pro analýzu s využitím umělé inteligence, aby se dosáhlo monitorování v reálném čase a koordinované reakce na rizika, jako je únik plynu. Tato politická zaměření výrazně podpořila použití plynových senzorů v oblasti průmyslové bezpečnosti.
Moderní systémy pro monitorování průmyslových plynů vyvinuly řadu technických postupů. Technologie zobrazování plynového oblaku vizualizuje únik plynu vizuálním znázorněním hmotností plynu jako změn úrovní šedi pixelů v obraze. Její detekční schopnost souvisí s faktory, jako je koncentrace a objem unikajícího plynu, rozdíl teplot pozadí a monitorovací vzdálenost. Technologie infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací dokáže kvalitativně a semikvantitativně monitorovat více než 500 typů plynů, včetně anorganických, organických, toxických a škodlivých, a dokáže současně skenovat 30 typů plynů. Je vhodná pro komplexní požadavky na monitorování plynů v chemických průmyslových parcích. Tyto pokročilé technologie v kombinaci s tradičními plynovými senzory tvoří víceúrovňovou síť pro monitorování bezpečnosti průmyslových plynů.
Na úrovni konkrétní implementace musí systémy monitorování průmyslových plynů splňovat řadu národních a mezinárodních norem. Čínská norma „Návrhová norma pro detekci a signalizaci hořlavých a toxických plynů v petrochemickém průmyslu“ GB 50493-2019 a „Obecná technická specifikace pro bezpečnostní monitorování hlavních zdrojů nebezpečných chemikálií“ AQ 3035-2010 poskytují technické specifikace pro monitorování průmyslových plynů26. Na mezinárodní úrovni vyvinula OSHA (Úřad pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci Spojených států) řadu norem pro detekci plynů, které vyžadují detekci plynu před zahájením prací v uzavřených prostorách a zajišťují, aby koncentrace škodlivých plynů ve vzduchu byla pod bezpečnou úrovní 610. Normy NFPA (Národní asociace protipožární ochrany Spojených států), jako například NFPA 72 a NFPA 54, stanoví specifické požadavky na detekci hořlavých a toxických plynů610.
Lékařské zdraví a diagnostika nemocí
Oblast lékařství a zdravotnictví se stává jedním z nejslibnějších trhů s aplikacemi pro plynové senzory. Vydechovaný plyn lidského těla obsahuje velké množství biomarkerů souvisejících se zdravotními stavy. Detekcí těchto biomarkerů lze dosáhnout včasného screeningu a průběžného sledování onemocnění. Typickým představitelem této aplikace je ruční dýchací detekční zařízení pro aceton, které vyvinul tým Dr. Wang Di z Výzkumného centra superpercepce v laboratoři Zhejiang. Toto zařízení využívá kolorimetrickou technologii k měření obsahu acetonu ve vydechovaném lidském dechu detekcí změny barvy materiálů citlivých na plyn, čímž dosahuje rychlé a bezbolestné detekce diabetu 1. typu.
Když je hladina inzulínu v lidském těle nízká, není schopno přeměnit glukózu na energii a místo toho rozkládá tuky. Jako jeden z vedlejších produktů po rozkladu tuků se z těla vylučuje aceton dýcháním. Dr. Wang Di vysvětlil: 1. Ve srovnání s tradičními krevními testy nabízí tato metoda dechového testu lepší diagnostický a terapeutický zážitek. Tým navíc vyvíjí acetonový senzor s „denním uvolňováním“. Toto levné nositelné zařízení dokáže automaticky měřit aceton uvolňovaný z kůže nepřetržitě. V budoucnu může v kombinaci s technologií umělé inteligence pomoci s diagnostikou, monitorováním a naváděním k léčbě cukrovky.
Kromě diabetu vykazují plynové senzory velký potenciál i v léčbě chronických onemocnění a monitorování respiračních onemocnění. Křivka koncentrace oxidu uhličitého je důležitým základem pro posouzení stavu plicní ventilace pacientů, zatímco koncentrační křivky určitých plynových markerů odrážejí vývojový trend chronických onemocnění. Interpretace těchto dat tradičně vyžadovala účast zdravotnického personálu. S posílením technologie umělé inteligence však inteligentní plynové senzory dokáží nejen detekovat plyny a vykreslit křivky, ale také určit stupeň rozvoje onemocnění, což výrazně snižuje tlak na zdravotnický personál.
V oblasti nositelných zdravotních zařízení je aplikace plynových senzorů stále v rané fázi, ale vyhlídky jsou široké. Výzkumníci ze společnosti Zhuhai Gree Electric Appliances poukázali na to, že ačkoli se domácí spotřebiče liší od zdravotnických zařízení s funkcemi diagnostiky onemocnění, v oblasti každodenního monitorování zdraví domácností mají pole plynových senzorů výhody, jako je nízká cena, neinvazivita a miniaturizace, takže se očekává, že se budou stále častěji objevovat v domácích spotřebičích, jako jsou spotřebiče pro péči o ústní dutinu a chytré toalety, jako pomocná monitorovací řešení a řešení pro monitorování v reálném čase. S rostoucí poptávkou po domácím zdraví se monitorování lidského zdravotního stavu prostřednictvím domácích spotřebičů stane důležitým směrem pro rozvoj chytrých domácností.
Monitorování životního prostředí a prevence a kontrola znečištění
Monitorování životního prostředí je jednou z oblastí, kde se plynové senzory nejširší uplatňují. Vzhledem k tomu, že se celosvětově klade důraz na ochranu životního prostředí, roste den ode dne i poptávka po monitorování různých znečišťujících látek v atmosféře. Plynové senzory dokáží detekovat škodlivé plyny, jako je oxid uhelnatý, oxid siřičitý a ozon, a poskytují tak účinný nástroj pro monitorování kvality ovzduší.
Elektrochemický plynový senzor UGT-E4 od společnosti British Gas Shield Company je reprezentativním produktem v oblasti monitorování životního prostředí. Dokáže přesně měřit obsah znečišťujících látek v atmosféře a poskytovat včasnou a přesnou datovou podporu pro oddělení ochrany životního prostředí. Tento senzor díky integraci s moderními informačními technologiemi dosahuje funkcí, jako je vzdálené monitorování, nahrávání dat a inteligentní alarm, což výrazně zvyšuje efektivitu a pohodlí detekce plynů. Uživatelé mohou sledovat změny koncentrace plynu kdykoli a kdekoli jednoduše prostřednictvím svých mobilních telefonů nebo počítačů, což poskytuje vědecký základ pro environmentální management a tvorbu politik.
Pokud jde o monitorování kvality vnitřního ovzduší, hrají důležitou roli také plynové senzory. Norma EN 45544 vydaná Evropským výborem pro normalizaci (EN) je specificky určena pro testování kvality vnitřního ovzduší a zahrnuje požadavky na testování různých škodlivých plynů 610. Běžné senzory oxidu uhličitého, formaldehydu atd. na trhu se široce používají v občanských domech, komerčních budovách a veřejných zábavních zařízeních a pomáhají lidem vytvářet zdravější a pohodlnější vnitřní prostředí. Zejména během pandemie COVID-19 se větrání a kvalita ovzduší v interiérech těší nebývalé pozornosti, což dále podporuje vývoj a aplikaci souvisejících senzorových technologií.
Monitorování emisí uhlíku je nově vznikajícím směrem aplikací plynových senzorů. Vzhledem k globální uhlíkové neutralitě se stalo obzvláště důležité přesné monitorování skleníkových plynů, jako je oxid uhličitý. Infračervené senzory oxidu uhličitého mají v této oblasti jedinečné výhody díky své vysoké přesnosti, dobré selektivitě a dlouhé životnosti. Čínské „Pokyny pro výstavbu inteligentních platforem pro řízení bezpečnostních rizik v chemických průmyslových parcích“ uvádějí monitorování hořlavých/toxických plynů a analýzu trasování zdrojů úniku jako povinnou součást stavby, což odráží důraz kladený na politické úrovni na roli monitorování plynů v oblasti ochrany životního prostředí.
Chytrá domácnost a bezpečnost potravin
Chytrá domácnost je nejslibnějším trhem s aplikacemi pro plynové senzory u spotřebitelů. V současné době se plynové senzory používají hlavně v domácích spotřebičích, jako jsou čističky vzduchu a klimatizace. S nástupem senzorových polí a inteligentních algoritmů se však postupně využívá jejich aplikační potenciál v oblastech, jako je konzervace, vaření a monitorování zdraví.
Pokud jde o konzervaci potravin, plynové senzory mohou monitorovat nepříjemné pachy uvolňované potravinami během skladování a určovat tak čerstvost potravin. Výsledky nedávného výzkumu ukazují, že ať už se k monitorování koncentrace pachu použije jeden senzor, nebo pole plynových senzorů v kombinaci s metodami rozpoznávání vzorů k určení čerstvosti potravin, bylo dosaženo dobrých výsledků. Vzhledem ke složitosti skutečných scénářů používání chladniček (jako je rušení od otevírání a zavírání dveří uživateli, spouštění a zastavování kompresorů a vnitřní cirkulace vzduchu atd.), jakož i vzájemnému vlivu různých těkavých plynů z potravinářských složek, však stále existuje prostor pro zlepšení přesnosti stanovení čerstvosti potravin.
Vaření je dalším důležitým scénářem pro plynové senzory. Během procesu vaření vznikají stovky plynných sloučenin, včetně pevných částic, alkanů, aromatických sloučenin, aldehydů, ketonů, alkoholů, alkenů a dalších těkavých organických sloučenin. V tak složitém prostředí vykazují pole plynových senzorů zjevnější výhody než jednotlivé senzory. Studie ukazují, že pole plynových senzorů lze použít k určení stavu vaření jídla na základě osobní chuti nebo jako pomocný nástroj pro sledování stravy, který uživatelům pravidelně hlásí varné návyky. Faktory varného prostředí, jako je vysoká teplota, kuchyňské výpary a vodní pára, však mohou snadno způsobit „otravu“ senzoru, což je technický problém, který je třeba vyřešit.
V oblasti bezpečnosti potravin prokázal výzkum týmu Wang Di potenciální aplikační hodnotu plynových senzorů. Jejich cílem je „identifikovat desítky plynů současně pomocí malého pluginu pro mobilní telefon“ a jsou odhodláni zpřístupnit informace o bezpečnosti potravin snadno. Toto vysoce integrované čichové zařízení dokáže detekovat těkavé složky v potravinách, určovat čerstvost a bezpečnost potravin a poskytovat spotřebitelům informace v reálném čase.
Tabulka: Hlavní detekční objekty a technické charakteristiky plynových senzorů v různých oblastech použití
Oblasti použití, hlavní detekční objekty, běžně používané typy senzorů, technické výzvy, vývojové trendy
Průmyslová bezpečnost hořlavých plynů, toxických plynů katalytickým spalováním, elektrochemickým spalováním, tolerance vůči drsnému prostředí, synchronní monitorování více plynů, sledování zdroje úniku
Lékařský a zdravotnický aceton, CO₂, VOC polovodičový typ, kolorimetrický typ selektivita a citlivost, nositelná a inteligentní diagnostika
Dlouhodobé zavedení stabilní sítě a přenos dat v reálném čase pro monitorování znečišťujících látek v ovzduší a skleníkových plynů v infračervené a elektrochemické formě
Chytrý domácí potravinářský těkavý plyn, polovodičový typ pro vaření kouře, PID ochrana proti rušení
Kontaktujte prosím společnost Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Webové stránky společnosti:www.hondetechco.com
Tel.: +86-15210548582
Čas zveřejnění: 11. června 2025