Các loại cảm biến khí Gas, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Các loại cảm biến khí Gas, Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Các nhà sinh vật học cho rằng mũi người có thể phân biệt được khoảng 10.000 mùi. Mũi của chó có thể phân biệt khoảng 2 triệu mùi khác nhau và nó cũng có “khả năng phân tích” cao. Một mùi cụ thể có thể được tìm thấy từ nhiều mùi hỗn hợp. Mặc dù vậy, trong tự nhiên vẫn tồn tại nhiều chất khí không màu, không mùi mà cả con người và động vật đều không thể ngửi thấy. Do đó, chúng tôi sử dụng cảm biến khí để đo nồng độ của các loại khí khác nhau.

Cảm biến khí phát hiện một loại khí cụ thể và đo liệu khí đó có ở gần cảm biến hay không hoặc hàm lượng của nó trong không khí. Vì vậy, cảm biến khí gas thường không thể thiếu trong hệ thống an toàn. Cảm biến khí có nhiều loại khác nhau và có thể đo các loại khí khác nhau. Có các cảm biến đo các khí không độc hại như oxy và carbon dioxide, và các cảm biến phát hiện các khí độc hại như carbon monoxide, TVOC và amoniac. Cảm biến khí thường được sử dụng ở những nơi dễ cháy, nổ và độc hại để bảo vệ người lao động.

Cảm biến khí gas là gì?

Cảm biến khí gas sử dụng các phản ứng vật lý hoặc hóa học để chuyển đổi nồng độ của các loại khí khác nhau thành tín hiệu điện và xuất ra các giá trị sau khi tính toán. Được sử dụng rộng rãi để phát hiện khí độc và có hại và rò rỉ khí tự nhiên.

Cảm biến khí là một thiết bị được sử dụng để giám sát sự hiện diện hoặc mức độ của khí trong môi trường tĩnh. Thường được sử dụng trong các mỏ than, dầu khí, hóa chất, thành phố, y tế, giao thông vận tải, gia đình, v.v. Cảm biến khí có thể đo sự hiện diện và nồng độ của khí dễ cháy, dễ bắt lửa, độc hại hoặc tiêu thụ oxy.

Các loại cảm biến khí

Có rất nhiều loại cảm biến khí, để chọn được loại cảm biến khí phù hợp nhất, chúng ta cần hiểu rõ các đặc điểm cảm biến khác nhau. Ví dụ: Cảm biến nào đo được khí độc? Cảm biến nào thuận tiện để mang theo? Cảm biến nào đo chính xác hơn? Nếu bạn biết đủ về cảm biến, bạn chắc chắn có thể đưa ra lựa chọn đúng đắn.

+ Theo các loại khí gas khác nhau: có thể chia thành các loại cảm biến khí dễ cháy (thường sử dụng xúc tác đốt, hồng ngoại, dẫn nhiệt, bán dẫn), cảm biến khí độc (thường sử dụng điện hóa, kim loại bán dẫn, quang hóa, ion hóa ngọn lửa), cảm biến khí độc hại (thường là tia hồng ngoại, tia cực tím, v.v.), oxy (thường là chất thuận từ, zirconia) và các loại khác.

+ Theo các phương pháp sử dụng khác nhau: nó có thể được chia thành máy dò khí cầm tay và máy dò khí cố định.

+ Theo các phương pháp lấy mẫu khác nhau: nó có thể được chia thành cảm biến khuếch tán (cảm biến được lắp đặt trực tiếp trong môi trường đo và khí đo tiếp xúc trực tiếp với thiết bị phát hiện thông qua khuếch tán tự nhiên), cảm biến bơm (thông qua bơm hút, v.v. ., khí được hút vào bộ phận phát hiện. Tùy thuộc vào việc khí cần được pha loãng, nó được chia thành hít hoàn toàn và hít vào pha loãng).

+ Theo các chức năng khác nhau: nó có thể được chia thành cảm biến khí đơn (chỉ có thể phát hiện một khí) và cảm biến khí hỗn hợp (có thể phát hiện nhiều khí cùng một lúc).

+ Theo các nguyên tắc phát hiện khác nhau: nó có thể được chia thành cảm biến khí bán dẫn, cảm biến khí điện hóa, cảm biến khí NDIR, cảm biến khí xúc tác, cảm biến khí dẫn nhiệt, cảm biến khí từ tính, v.v.

Danh sách các loại cảm biến khí công nghiệp

Phân loại theo các nguyên lý làm việc khác nhau đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Bài viết dưới đây sẽ giới thiệu chi tiết đến bạn về bảy loại cảm biến khí, cũng như nguyên lý và ứng dụng của chúng:

1. Cảm biến khí gas bán dẫn

Cảm biến khí gas bán dẫn là một thiết bị sử dụng phần tử bán dẫn làm đơn vị đo lường. Nguyên lý hoạt động của nó là chất khí trải qua phản ứng oxi hóa khử trên chất bán dẫn khiến giá trị điện trở thay đổi. Khi khí đi qua ô đo, nó sẽ hấp thụ trên bề mặt của nó và phản ứng. Mức khí được đo bằng cách gây ra sự thay đổi độ dẫn điện hoặc điện thế được đặc trưng bởi chuyển động của hạt tải điện.

Ví dụ, khi khí mêtan (CH4) đi qua ô đo, một phản ứng xảy ra làm tiêu hao oxygen. Các điện tử bị ghim được giải phóng, và các điện tử được quay trở lại chất bán dẫn, làm tăng độ dẫn điện. Khi các electron được cố định bởi oxygen, điện trở tăng lên; khi metan phản ứng với oxygen, và các electron quay trở lại chất bán dẫn, điện trở giảm. Sự thay đổi điện trở liên quan đến sự hiện diện, vắng mặt và lượng khí mêtan, và hàm lượng khí mêtan có thể được biết bằng cách đo sự thay đổi điện trở.

Cảm biến khí gas bán dẫn

Ưu điểm: cấu trúc đơn giản, giá rẻ, độ nhạy phát hiện cao, tốc độ phản ứng nhanh, v.v.

Nhược điểm: Phạm vi tuyến tính đo nhỏ. Nó bị can thiệp rất nhiều bởi các khí khác trong không khí, và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.

Đây là cảm biến khí phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi để phát hiện rò rỉ khí dễ cháy trong gia đình và nhà máy, và thích hợp cho khí mê-tan CH4, khí hóa lỏng, hydro H2, v.v.

 

2. Cảm biến khí gas điện hóa

Cảm biến điện hóa phản ứng với khí đo và tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với nồng độ khí. Hầu hết các cảm biến khí điện hóa là cảm biến dòng điện, tạo ra một dòng điện tỷ lệ tuyến tính với nồng độ khí.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí điện hóa: khí đi qua một màng ngăn ngưng tụ, ngoài ra màng ngăn này còn có tác dụng chống bụi. Các phân tử khí sau đó khuếch tán qua bộ lọc và đến điện cực làm việc. Ở đây, chất khí bị oxi hóa hoặc khử, và phản ứng điện hóa này gây ra sự thay đổi cường độ dòng điện chạy qua mạch ngoài.

Cảm biến dựa trên nguyên lý làm việc điện hóa, đơn giản nhất là hệ thống hai điện cực. Điện cực làm việc và điện cực đối diện của nó được ngăn cách bởi chất điện phân và nối với mạch ngoài có điện trở nhỏ. Khi khí khuếch tán vào cảm biến, nó sẽ phản ứng để tạo ra dòng điện. Khí càng nhiều thì dòng điện càng lớn.

Cảm biến khí gas điện hóa

Ưu điểm: đáp ứng nhanh, đầu ra tuyến tính tốt và các ưu điểm khác.

Nhược điểm: Cần phát hiện trong môi trường có oxy (1-10% VOL), và cần tiêu hao chất điện giải lỏng trong quá trình sử dụng. Dễ bị xáo trộn bởi nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và các loại khí có tính chất hóa học tương tự. Nếu tại chỗ có lẫn khí rất dễ gây ra sai sót.

Cảm biến khí này được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện khí trong các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng. Nó có thể phát hiện ozone, formaldehyde, carbon monoxide, amoniac, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, oxy và các khí khác. Nó thường được sử dụng trong các thiết bị cầm tay và thiết bị giám sát khí trực tuyến.

Cảm biến đo nồng độ Ozon O3 ES-O3-01 (RS485 Modbus RTU)

 

3. Cảm biến khí gas NDIR

Cảm biến khí NDIR (hồng ngoại không phân tán) phát ra ánh sáng hồng ngoại để làm cho các phân tử khí rung động. Nguyên lý hoạt động là các chất khí khác nhau có thể hấp thụ các bước sóng hồng ngoại khác nhau. Càng có nhiều khí, ánh sáng hồng ngoại có thể truyền qua càng ít. Khi tia hồng ngoại đi qua chất khí trong vùng đo, tia hồng ngoại cộng hưởng với phân tử khí và bị phân tử khí hấp thụ khi phân tử dao động.

Điều này làm suy yếu các tia hồng ngoại truyền qua. Các phân tử khí dao động ở các tần số khác nhau. Một số nguyên tử rất nhỏ và nhẹ nên chúng dao động ở tần số cao. Ví dụ: tần số dao động của phân tử mêtan là 333KHz và bước sóng trung tâm là 3,3um. Vì khối lượng phân tử khác nhau nên bước sóng hấp thụ tia hồng ngoại cũng khác nhau, như trong hình sau:

Cảm biến khí gas NDIR

Ưu điểm: 

1. Các cảm biến thông thường trên thị trường, chẳng hạn như cảm biến đốt cháy xúc tác (CAT), điện hóa (EC), và cảm biến bán dẫn, không thể đo bất kỳ loại khí nào. Ví dụ, không thể đo CO2, nhưng cảm biến NDIR có thể đo CO2. Các khí được đo phổ biến nhất cho NDIR là CH4 và CO2.

2. Oxy không cần thiết. Cảm biến CAT yêu cầu oxy tham gia vào phản ứng oxy hóa. Nhưng NDIR là một cảm biến quang học và không cần oxy.

3. Nồng độ đo có thể đạt 100% v / v. Vì đặc điểm tín hiệu của cảm biến NDIR là: trong môi trường bình thường, cường độ tín hiệu là lớn nhất; nồng độ khí đo càng lớn thì tín hiệu càng nhỏ.

4. Tính ổn định tốt. Độ ổn định của cảm biến NDIR về cơ bản phụ thuộc vào nguồn sáng. Miễn là nguồn sáng tốt được chọn, độ ổn định lâu dài sẽ rất tuyệt vời, và nó có thể đạt được mà không cần hiệu chuẩn trong 2 năm.

5. Chi phí bảo trì thấp.

Nhược điểm: Cảm biến NDIR tiêu tốn điện năng cao. Việc đo nồng độ khí ở mức ppm rất tốn kém. Cấu trúc, phần mềm và phần cứng phức tạp hơn và giá cả tương đối cao hơn so với các dòng khác.

Cảm biến đo nồng độ khí CO2 ES-CO2-01 ( RS485 | 4-20mA | 0-10V )

 

4. Cảm biến khí gas xúc tác

Cảm biến này thực chất là một máy dò khí dựa trên cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim. Một lớp xúc tác chịu nhiệt độ cao được chuẩn bị trên bề mặt của điện trở bạch kim, và ở một nhiệt độ nhất định, khí cháy được xúc tác đốt cháy trên bề mặt. Do đó, nhiệt độ điện trở của bạch kim tăng lên dẫn đến giá trị điện trở thay đổi.

Cảm biến khí gas xúc tác

Vì điện trở platin của cảm biến khí xúc tác thường được bọc bởi các hạt gốm xốp, nên cảm biến này còn được gọi là cảm biến khí hạt xúc tác. Về lý thuyết, cảm biến này có thể phát hiện tất cả các loại khí dễ cháy, nhưng vẫn có nhiều ngoại lệ trong các ứng dụng thực tế. Cảm biến này thường có thể được sử dụng để phát hiện các khí dễ cháy như mêtan, LPG, axeton, v.v. trong không khí.

Ưu điểm: Chịu được khí hậu khắc nghiệt và khí độc, tuổi thọ cao. Có thể phát hiện tất cả các khí dễ cháy, bao gồm ankan và không ankan. Chi phí bảo trì thấp.

Nhược điểm: làm việc trong bóng tối, dễ phát nổ hoặc bắt lửa. Các thành phần dễ bị nhiễm độc bởi các hợp chất sulfua và halogen, làm giảm tuổi thọ của chúng. Trong môi trường thiếu oxy, sai số càng lớn.

Cảm biến này chủ yếu được sử dụng để phát hiện các khí dễ cháy, chẳng hạn như các trạm tạo khí, và các nhà máy khí để phân tích CO, H2, C2H2 và các khí dễ cháy khác trong không khí.

Cảm biến đo nồng độ khí carbon monoxide CO ES-CO-01 ( RS485 Modbus RTU )

Cảm biến nồng độ hydro H2 RS485 ES-H2-01 (RS485 Modbus RTU)

 

5. Cảm biến khí gas từ tính

Sau khi cảm biến khí từ tính cảm nhận nhiệt, ánh sáng, bức xạ và áp suất trong môi trường, các đặc tính từ tính của nó cũng sẽ thay đổi theo. Sử dụng tính năng này, có thể tạo ra nhiều loại cảm biến có độ nhạy cao và đáng tin cậy khác nhau. Máy dò khí từ tính hầu hết là đầu dò từ tính với khả năng đo tương đối mạnh. Khi đo các chất khí, người ta thường dùng từ tính cao của oxy để đo nồng độ oxy. Vì oxy trong không khí có thể bị hút bởi từ trường mạnh. Thường được sử dụng là cảm biến phân tích oxy đối lưu từ nhiệt và cảm biến phân tích oxy cơ-từ.

Ưu điểm: Phát hiện oxy với độ chọn lọc tuyệt vời. Máy phân tích oxy từ tính có độ chính xác cao.

Nhược điểm: kiểu đo đơn lẻ, phạm vi ứng dụng nhỏ.

Nó thường được sử dụng trong sản xuất phân bón hóa học, tách không khí đông lạnh, hệ thống đốt cháy nhà máy nhiệt điện, khí tự nhiên đến axetylen, và đo oxy sản xuất công nghiệp khác. Giám sát khí thải, khí thải, khí thải và các khí thải khác.

 

6. Cảm biến khí gas quang hóa

Cảm biến khí quang hóa (PID) hoạt động bằng cách sử dụng khí ion hóa quang tử để phát hiện khí. Nói một cách đơn giản, chất khí được chiếu tia cực tím do đèn ion tạo ra, và chất khí sẽ bị ion hóa sau khi hấp thụ đủ năng lượng ánh sáng tia cực tím. Mức khí đo được được tính bằng cách phát hiện dòng điện cực nhỏ được tạo ra bởi quá trình ion hóa khí. Nó có thể phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các khí độc khác từ 10ppm đến 10000ppm. Nhiều chất độc hại chứa các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, và PID rất nhạy cảm với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.

Cảm biến khí gas quang hóa

Ưu điểm: PID có độ nhạy cao, không có vấn đề nhiễm độc, an toàn và đáng tin cậy. Có thể phát hiện hơn 400 loại khí hữu cơ dễ bay hơi.

Nhược điểm: không đo được không khí, khí độc và khí thiên nhiên, v.v.

Đây là thiết bị nhạy nhất để phát hiện các chất bay hơi hữu cơ, đặc biệt đối với những rò rỉ khí với nồng độ rất thấp, có những ưu điểm không thể so sánh được so với các thiết bị phát hiện khác.

 

7. Cảm biến khí gas dẫn nhiệt

Cảm biến khí dẫn nhiệt là một thiết bị có thể cảm nhận một loại khí nhất định trong môi trường. Nó chuyển đổi thông tin nồng độ khí thành tín hiệu điện để phát hiện, giám sát, phân tích và báo động. Các vật liệu nhạy cảm với khí dẫn nhiệt đo nồng độ của chúng dựa trên sự khác biệt về độ dẫn nhiệt giữa các chất khí và không khí khác nhau. Thông thường, sự thay đổi độ dẫn nhiệt được chuyển thành sự thay đổi điện trở qua mạch. Loại và mức khí được tính toán từ sự thay đổi giá trị điện trở.

Cảm biến khí gas dẫn nhiệt

Ưu điểm: phạm vi phát hiện rộng, nồng độ phát hiện cao nhất có thể đạt 100%. Hoạt động tốt ổn định, tuổi thọ lâu dài, không có vấn đề lão hóa chất xúc tác.

Nhược điểm: độ chính xác phát hiện kém, độ nhạy thấp, độ lệch nhiệt độ.

Cảm biến khí này được sử dụng rộng rãi trong hóa chất, than đá, quân sự, môi trường, v.v., chỉ để tối ưu hóa hiệu suất cảm biến tốt hơn.

 

8. Máy phân tích sắc ký khí gas

Dựa trên công nghệ tách sắc ký và công nghệ phát hiện, các mẫu khí khác nhau được tách và đo. Do đó cảm biến phân tích đầy đủ. Nó đã được sử dụng trong các thử nghiệm lò hơi của nhà máy điện.

Trong quá trình làm việc, định kỳ lấy một mẫu khí nhất định từ thiết bị lấy mẫu. Cột sắc ký được đưa bởi một khí mang tinh khiết (tức là pha động) với một tốc độ dòng nhất định, và cột sắc ký được lấp đầy bởi một chất rắn hoặc chất lỏng gọi là pha tĩnh. Các thành phần được phân bố lặp lại trong hai pha, và chảy ra khỏi cột sắc ký theo thời gian và đi vào detector để xác định định lượng.

Máy phân tích sắc ký khí gas

 

Ưu điểm: độ nhạy cao, thích hợp cho phân tích vi lượng và vết, và có thể phân tích các khí tách nhiều pha phức tạp.

Nhược điểm: Lấy mẫu thường xuyên không thể đạt được việc lấy mẫu và phân tích liên tục, và hệ thống phức tạp hơn. Nó chủ yếu được sử dụng để phân tích trong phòng thí nghiệm và không thích hợp để giám sát khí mỏ công nghiệp.

 

Bài viết liên quan:

8 thiết bị phát hiện rò khí Gas công nghiệp tốt nhất

Các phương pháp đo Carbon Dioxide (CO2)

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo nồng độ khí carbon monoxide và các vấn đề liên quan