Са брзим развојем технологија као што су Интернет ствари и вештачка интелигенција, сензори за гас, важан сензорски уређај познат као „пет електричних чула“, прихватају невиђене могућности развоја. Од почетног праћења индустријских токсичних и штетних гасова до широке примене у медицинској дијагностици, паметним кућама, праћењу животне средине и другим областима данас, технологија сензора за гас пролази кроз дубоку трансформацију од једне функције до интелигенције, минијатуризације и вишедимензионалности. Овај чланак ће свеобухватно анализирати техничке карактеристике, најновији напредак у истраживању и глобални статус примене сензора за гас, са посебном пажњом на трендове развоја у области праћења гаса у земљама као што су Кина и Сједињене Америчке Државе.
Техничке карактеристике и трендови развоја гасних сензора
Као конвертор који претвара запремински удео одређеног гаса у одговарајући електрични сигнал, гасни сензор је постао незаобилазна и важна компонента у модерној технологији сензора. Ова врста опреме обрађује узорке гаса кроз главе за детекцију, што обично укључује кораке као што су филтрирање нечистоћа и ометајућих гасова, сушење или третман хлађењем, и на крају претварање информација о концентрацији гаса у мерљиве електричне сигнале. Тренутно на тржишту постоје различите врсте гасних сензора, укључујући полупроводнички тип, електрохемијски тип, тип каталитичког сагоревања, инфрацрвене гасне сензоре и фотојонизационе (ПИД) гасне сензоре итд. Сваки од њих има своје карактеристике и широко се користи у грађевинским, индустријским и еколошким областима испитивања.
Стабилност и осетљивост су два основна индикатора за процену перформанси гасних сензора. Стабилност се односи на постојаност основног одзива сензора током целог његовог радног времена, што зависи од померања нуле и интервалног померања. Идеално, за висококвалитетне сензоре у континуираним радним условима, годишње померање нуле треба да буде мање од 10%. Осетљивост се односи на однос промене излаза сензора и промене измереног улаза. Осетљивост различитих типова сензора значајно варира, углавном у зависности од техничких принципа и избора материјала које усвајају. Поред тога, селективност (тј. унакрсна осетљивост) и отпорност на корозију су такође важни параметри за процену перформанси гасних сензора. Први одређује способност препознавања сензора у мешовитом гасном окружењу, док је други повезан са толеранцијом сензора у циљаним гасовима високе концентрације.
Тренутни развој технологије гасних сензора показује неколико очигледних трендова. Пре свега, истраживање и развој нових материјала и нових процеса су се наставили продубљивати. Традиционални метал-оксидни полупроводнички материјали као што су ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ итд. су постали зрели. Истраживачи допирају, модификују и површински модификују постојеће материјале осетљиве на гас методама хемијске модификације, истовремено побољшавајући процес формирања филма како би побољшали стабилност и селективност сензора. У међувремену, активно се унапређује и развој нових материјала као што су композитни и хибридни полупроводнички материјали осетљиви на гас и полимерни материјали осетљиви на гас. Ови материјали показују већу осетљивост, селективност и стабилност на различите гасове.
Интелигенција сензора је још један важан правац развоја. Са успешном применом нових материјалних технологија као што су нанотехнологија и технологија танких филмова, гасни сензори постају све интегрисанији и интелигентнији. Потпуним коришћењем мултидисциплинарних интегрисаних технологија као што су микромеханичка и микроелектронска технологија, рачунарска технологија, технологија обраде сигнала, сензорска технологија и технологија дијагностике кварова, истраживачи развијају потпуно аутоматске дигиталне интелигентне гасне сензоре способне да истовремено прате више гасова. Мултиваријабилни сензор типа хемијске отпорности и потенцијала, који је недавно развила истраживачка група ванредног професора Ји Ђианксина из Државне кључне лабораторије за науку о пожарима на Универзитету за науку и технологију Кине, типичан је представник овог тренда. Овај сензор остварује тродимензионалну детекцију и тачну идентификацију више гасова и карактеристика пожара помоћу једног уређаја 59.
Оптимизација низова и алгоритма такође добијају све већу пажњу. Због проблема широког спектра одзива једног гасног сензора, он је склон сметњама када више гасова постоји истовремено. Коришћење више гасних сензора за формирање низа постало је ефикасно решење за побољшање способности препознавања. Повећањем димензија детектованог гаса, сензорски низ може да добије више сигнала, што је погодно за процену више параметара и побољшање способности процене и препознавања. Међутим, како се број сензора у низу повећава, расте и сложеност обраде података. Стога је оптимизација сензорског низа посебно важна. У оптимизацији низа, методе као што су коефицијент корелације и кластер анализа су широко усвојене, док су алгоритми за препознавање гаса као што су анализа главних компоненти (PCA) и вештачке неуронске мреже (ANN) значајно побољшали способност сензора да препознају образац.
Табела: Поређење перформанси главних типова гасних сензора
Тип сензора, принцип рада, предности и мане, типичан век трајања
Адсорпција гаса полупроводничког типа има ниску цену у промени отпора полупроводника, брз одзив, лошу селективност и на њу у великој мери утичу температура и влажност током 2-3 године.
Електрохемијски гас подлеже REDOX реакцијама да би генерисао струју, која има добру селективност и високу осетљивост. Међутим, електролит има ограничено хабање и век трајања од 1-2 године (за течни електролит).
Каталитичко сагоревање запаљивог гаса изазива промене температуре. Посебно је дизајниран за детекцију запаљивог гаса и применљив је на запаљиви гас само приближно три године.
Инфрацрвени гасови имају високу тачност у апсорпцији инфрацрвене светлости одређених таласних дужина, не изазивају тровање, али имају високу цену и релативно велику запремину током 5 до 10 година.
Фотојонизациона (ПИД) ултраљубичаста фотојонизација за детекцију молекула гасова испарљивих органских једињења има високу осетљивост и не може разликовати врсте једињења 3 до 5 година.
Вреди напоменути да, иако је технологија гасних сензора постигла значајан напредак, она се и даље суочава са неким уобичајеним изазовима. Век трајања сензора ограничава њихову примену у одређеним областима. На пример, век трајања полупроводничких сензора је приближно 2 до 3 године, електрохемијских гасних сензора је око 1 до 2 године због губитка електролита, док век трајања електрохемијских сензора са чврстим електролитом може достићи 5 година. Поред тога, проблеми са дрифтом (промене у одзиву сензора током времена) и проблеми са конзистентношћу (разлике у перформансама међу сензорима у истој серији) такође су важни фактори који ограничавају широку примену гасних сензора. Као одговор на ове проблеме, истраживачи су, с једне стране, посвећени побољшању материјала и производних процеса осетљивих на гас, а с друге стране, компензују или сузбијају утицај дрифта сензора на резултате мерења развојем напредних алгоритама за обраду података.
Разноврсни сценарији примене гасних сензора
Технологија гасних сензора прожима сваки аспект друштвеног живота. Њене примене су одавно превазишле традиционални обим праћења индустријске безбедности и брзо се шире у више области као што су медицинско здравље, праћење животне средине, паметни домови и безбедност хране. Овај тренд диверзификованих примена не само да одражава могућности које доноси технолошки напредак, већ и отелотворује растућу друштвену потражњу за детекцијом гаса.
Индустријска безбедност и праћење опасних гасова
У области индустријске безбедности, сензори за гас играју незаменљиву улогу, посебно у индустријама високог ризика као што су хемијско инжењерство, нафта и рударство. Кинески „14. петогодишњи план за безбедну производњу опасних хемикалија“ јасно захтева од хемијских индустријских паркова да успоставе свеобухватни систем за праћење и рано упозоравање на токсичне и штетне гасове и да промовишу изградњу интелигентних платформи за контролу ризика. „Акциони план за безбедност на раду у индустрији“ такође подстиче паркове да примене сензоре Интернета ствари и платформе за анализу вештачке интелигенције како би се постигло праћење у реалном времену и координисани одговор на ризике као што је цурење гаса. Ове политичке оријентације су у великој мери промовисале примену сензора за гас у области индустријске безбедности.
Модерни системи за праћење индустријских гасова развили су низ техничких путева. Технологија снимања облака гасова визуализује цурење гаса визуелним представљањем гасних маса као промена нивоа сиве боје пиксела на слици. Њена способност детекције повезана је са факторима као што су концентрација и запремина процурелог гаса, разлика у температури позадине и удаљеност праћења. Технологија инфрацрвене спектроскопије са Фуријеовом трансформацијом може квалитативно и полуквантитативно да прати преко 500 врста гасова, укључујући неорганске, органске, токсичне и штетне гасове, и може истовремено да скенира 30 врста гасова. Погодна је за сложене захтеве за праћење гаса у хемијским индустријским парковима. Ове напредне технологије, када се комбинују са традиционалним сензорима за гас, формирају вишеслојну мрежу за праћење безбедности индустријских гасова.
На нивоу специфичне имплементације, системи за праћење индустријских гасова морају бити у складу са низом националних и међународних стандарда. Кинески „Стандард пројектовања за детекцију и алармирање запаљивих и токсичних гасова у петрохемијској индустрији“ GB 50493-2019 и „Општа техничка спецификација за безбедносно праћење главних извора опасности од опасних хемикалија“ AQ 3035-2010 пружају техничке спецификације за праћење индустријских гасова 26. На међународном нивоу, OSHA (Управа за безбедност и здравље на раду Сједињених Држава) развила је низ стандарда за детекцију гаса, захтевајући детекцију гаса пре операција у затвореном простору и осигуравајући да је концентрација штетних гасова у ваздуху испод безбедног нивоа 610. Стандарди NFPA (Национално удружење за заштиту од пожара Сједињених Држава), као што су NFPA 72 и NFPA 54, постављају специфичне захтеве за детекцију запаљивих гасова и токсичних гасова 610.
Медицинско здравље и дијагноза болести
Медицинска и здравствена област постаје једно од најперспективнијих тржишта за примену сензора за гас. Издахнути гас људског тела садржи велики број биомаркера повезаних са здравственим стањима. Детекцијом ових биомаркера може се постићи рани скрининг и континуирано праћење болести. Ручни уређај за детекцију ацетона у дисању, који је развио тим др Ванг Дија из Истраживачког центра за суперперцепцију лабораторије Џеђанг, је типичан представник ове примене. Овај уређај користи колориметријску технологију за мерење садржаја ацетона у издахнутом даху човека детекцијом промене боје материјала осетљивих на гас, чиме се постиже брзо и безболно откривање дијабетеса типа 1.
Када је ниво инсулина у људском телу низак, оно није у стању да претвори глукозу у енергију и уместо тога разграђује масти. Као један од нуспроизвода након разградње масти, ацетон се излучује из тела путем дисања. Др Ванг Ди је објаснио 1. У поређењу са традиционалним тестовима крви, ова метода теста даха нуди боље дијагностичко и терапијско искуство. Штавише, тим развија сензор за ацетон са „дневним ослобађањем“. Овај јефтини носиви уређај може аутоматски да мери гас ацетон који се емитује из коже током целог дана. У будућности, када се комбинује са технологијом вештачке интелигенције, може помоћи у дијагнози, праћењу и вођењу лекова код дијабетеса.
Поред дијабетеса, гасни сензори такође показују велики потенцијал у лечењу хроничних болести и праћењу респираторних болести. Крива концентрације угљен-диоксида је важна основа за процену статуса плућне вентилације пацијената, док криве концентрације одређених гасних маркера одражавају тренд развоја хроничних болести. Традиционално, тумачење ових података захтевало је учешће медицинског особља. Међутим, уз оснаживање технологије вештачке интелигенције, интелигентни гасни сензори не само да могу да детектују гасове и цртају криве, већ и да одреде степен развоја болести, значајно смањујући притисак на медицинско особље.
У области носивих уређаја за здравље, примена сензора за гас је још увек у раној фази, али су перспективе широке. Истраживачи из компаније Zhuhai Gree Electric Appliances истакли су да, иако се кућни апарати разликују од медицинских уређаја са функцијама дијагностиковања болести, у области свакодневног праћења здравља дома, низови сензора за гас имају предности као што су ниска цена, неинвазивност и минијатуризација, због чега се очекује да ће се све више појављивати у кућним апаратима као што су апарати за негу усне дупље и паметни тоалети као помоћна решења за праћење и праћење у реалном времену. Са све већом потражњом за здрављем у дому, праћење стања људског здравља путем кућних апарата постаће важан правац за развој паметних домова.
Праћење животне средине и спречавање и контрола загађења
Праћење животне средине је једно од поља где се гасни сензори најшире примењују. Како се глобални нагласак на заштити животне средине стално повећава, потражња за праћењем различитих загађивача у атмосфери такође расте из дана у дан. Гасни сензори могу да детектују штетне гасове као што су угљен-моноксид, сумпор-диоксид и озон, пружајући ефикасан алат за праћење квалитета ваздуха у животној средини.
Електрохемијски гасни сензор UGT-E4 компаније British Gas Shield је репрезентативан производ у области праћења животне средине. Може прецизно да мери садржај загађивача у атмосфери и да пружи благовремену и тачну подршку подацима за одељења за заштиту животне средине. Овај сензор је, кроз интеграцију са савременом информационом технологијом, постигао функције као што су даљинско праћење, отпремање података и интелигентни аларм, значајно побољшавајући ефикасност и практичност детекције гаса. Корисници могу да прате промене концентрације гаса било када и било где једноставно путем својих мобилних телефона или рачунара, пружајући научну основу за управљање животном средином и креирање политика.
Када је у питању праћење квалитета ваздуха у затвореном простору, сензори за гас такође играју важну улогу. Стандард EN 45544 који је издао Европски комитет за стандардизацију (EN) намењен је посебно за испитивање квалитета ваздуха у затвореном простору и покрива захтеве за испитивање различитих штетних гасова 610. Уобичајени сензори угљен-диоксида, сензори формалдехида итд. на тржишту се широко користе у цивилним становима, пословним зградама и јавним забавним објектима, помажући људима да створе здравије и удобније окружење у затвореном простору. Посебно током пандемије COVID-19, вентилација у затвореном простору и квалитет ваздуха добили су невиђену пажњу, што је додатно промовисало развој и примену сродних сензорских технологија.
Праћење емисије угљеника је нови правац примене гасних сензора. У контексту глобалне угљенично неутралности, прецизно праћење гасова стаклене баште, као што је угљен-диоксид, постало је посебно важно. Инфрацрвени сензори угљен-диоксида имају јединствене предности у овој области због своје високе прецизности, добре селективности и дугог века трајања. „Смернице за изградњу интелигентних платформи за контролу безбедносних ризика у хемијским индустријским парковима“ у Кини навеле су праћење запаљивих/токсичних гасова и анализу праћења извора цурења као обавезни садржај грађевинског пројекта, што одражава нагласак политике на улози праћења гаса у области заштите животне средине.
Паметни дом и безбедност хране
Паметни дом је најперспективније тржиште за примену сензора за гас код потрошача. Тренутно се сензори за гас углавном примењују у кућним апаратима као што су пречистачи ваздуха и клима уређаји. Међутим, увођењем сензорских низова и интелигентних алгоритама, њихов потенцијал примене у сценаријима као што су конзервирање, кување и праћење здравља постепено се искоришћава.
Што се тиче очувања хране, сензори за гас могу пратити непријатне мирисе које храна ослобађа током складиштења како би се утврдила свежина хране. Недавни резултати истраживања показују да су постигнути добри ефекти, без обзира да ли се користи један сензор за праћење концентрације мириса или се усваја низ сензора за гас у комбинацији са методама препознавања образаца за одређивање свежине хране. Међутим, због сложености стварних сценарија коришћења фрижидера (као што су сметње од стране корисника при отварању и затварању врата, покретању и заустављању компресора и унутрашњој циркулацији ваздуха итд.), као и међусобног утицаја различитих испарљивих гасова из састојака хране, још увек постоји простор за побољшање тачности одређивања свежине хране.
Примене у кувању су још један важан сценарио за гасне сензоре. Током процеса кувања настају стотине гасовитих једињења, укључујући честице, алкане, ароматична једињења, алдехиде, кетоне, алкохоле, алкене и друга испарљива органска једињења. У тако сложеном окружењу, низови гасних сензора показују очигледније предности од појединачних сензора. Студије показују да се низови гасних сензора могу користити за одређивање статуса кувања хране на основу личног укуса или као помоћни алат за праћење исхране како би се редовно извештавало о навикама кувања корисника. Међутим, фактори окружења за кување, као што су висока температура, испарења из кувања и водена пара, могу лако проузроковати „тровање“ сензора, што је технички проблем који треба решити.
У области безбедности хране, истраживање Ванг Дијевог тима показало је потенцијалну применљиву вредност гасних сензора. Њихов циљ је да „идентификују десетине гасова истовремено помоћу малог прикључка за мобилни телефон“ и посвећени су томе да информације о безбедности хране учине лако доступним. Овај високо интегрисани олфакторни уређај може да детектује испарљиве компоненте у храни, утврди свежину и безбедност хране и пружи потрошачима референце у реалном времену.
Табела: Главни објекти детекције и техничке карактеристике гасних сензора у различитим областима примене
Области примене, главни објекти детекције, најчешће коришћени типови сензора, технички изазови, трендови развоја
Запаљиви гас у индустријској безбедности, каталитички тип сагоревања токсичних гасова, електрохемијски тип, толеранција на тешке услове окружења, синхроно праћење више гасова, праћење извора цурења
Медицински и здравствени ацетон, CO₂, испарљива органска једињења полупроводничког типа, колориметријски тип селективности и осетљивости, носива и интелигентна дијагноза
Дугорочно стабилизовање мреже и пренос података у реалном времену за праћење животне средине загађивача ваздуха и гасова стаклене баште у инфрацрвеном и електрохемијском облику
Паметни кућни испарљиви гас за храну, полупроводнички тип дима за кување, ПИД могућност спречавања сметњи
Молимо контактирајте Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Веб-сајт компаније:www.hondetechco.com
Тел: +86-15210548582
Време објаве: 11. јун 2025.