การจำแนกประเภทของเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซ

มาตรฐานแห่งชาติ GB7665-87 กำหนดนิยามของเซ็นเซอร์ไว้ดังนี้: เซ็นเซอร์คืออุปกรณ์หรือเครื่องมือที่สามารถตรวจวัดค่าที่กำหนดและแปลงค่าดังกล่าวเป็นสัญญาณเอาต์พุตที่ใช้งานได้ตามกฎเกณฑ์บางอย่าง เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สใช้สำหรับตรวจวัดองค์ประกอบและปริมาณของแก๊ส โดยทั่วไปแล้ว นิยามของเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สจะขึ้นอยู่กับการจำแนกประเภทของเป้าหมายการตรวจวัด กล่าวคือ เซ็นเซอร์ใดๆ ที่ใช้ตรวจวัดองค์ประกอบและความเข้มข้นของแก๊ส ไม่ว่าจะด้วยวิธีการทางกายภาพหรือทางเคมี ก็เรียกว่าเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สได้ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ที่ใช้ตรวจวัดอัตราการไหลของแก๊สไม่ถือว่าเป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊ส แต่เครื่องวิเคราะห์แก๊สโดยใช้ค่าการนำความร้อนถือเป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สที่สำคัญอย่างหนึ่ง

แม้ว่าบางครั้งจะใช้หลักการตรวจจับที่สอดคล้องกันโดยทั่วไปก็ตาม ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1970 เป็นต้นมา เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สได้กลายเป็นสาขาใหญ่ในด้านเซ็นเซอร์ โดยอยู่ในกลุ่มเซ็นเซอร์เคมี มีเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สหลายชนิดที่เป็นที่นิยมในตลาด:

เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์

เซ็นเซอร์ชนิดนี้ทำขึ้นโดยใช้สารกึ่งตัวนำออกไซด์ของโลหะ ซึ่งค่าการนำไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบของก๊าซในสิ่งแวดล้อมที่อุณหภูมิหนึ่งๆ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์แอลกอฮอล์ทำขึ้นโดยใช้หลักการที่ว่า เมื่อดีบุกไดออกไซด์สัมผัสกับก๊าซแอลกอฮอล์ที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว

เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์สามารถนำไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพในด้านต่างๆ ดังต่อไปนี้: มีเทน อีเทน โพรเพน บิวเทน แอลกอฮอล์ ฟอร์มาลดีไฮด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ เอทิลีน อะเซทิลีน ไวนิลคลอไรด์ สไตรีน กรดอะคริลิก และก๊าซอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซ็นเซอร์นี้มีต้นทุนต่ำและเหมาะสมกับความต้องการในการตรวจจับก๊าซในภาคพลเรือน

เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ประสบความสำเร็จ ได้แก่ ก๊าซมีเทน (ก๊าซธรรมชาติ), แอลกอฮอล์, คาร์บอนมอนอกไซด์ (ก๊าซในเมือง), ไฮโดรเจนซัลไฟด์, แอมโมเนีย (รวมถึงเอมีนและไฮดราซีน) เซ็นเซอร์คุณภาพสูงสามารถตอบสนองความต้องการในการตรวจจับในภาคอุตสาหกรรมได้

ข้อเสีย: ความเสถียรต่ำ และได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความสามารถในการเลือกตรวจจับของเซ็นเซอร์แต่ละตัวไม่เฉพาะเจาะจง และไม่สามารถกำหนดพารามิเตอร์เอาต์พุตได้ ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับใช้ในสถานที่ที่ต้องการความแม่นยำในการวัด ปัจจุบัน ผู้ผลิตหลักของเซ็นเซอร์ชนิดนี้อยู่ในญี่ปุ่น (ผู้คิดค้น) รองลงมาคือจีน และล่าสุดเกาหลีใต้เข้าร่วมด้วย ประเทศอื่นๆ เช่น สหรัฐอเมริกา ก็มีการพัฒนาในด้านนี้อย่างมาก แต่ยังไม่เคยเข้ามามีบทบาทในวงกว้าง! จีนลงทุนทั้งกำลังคนและเวลาในด้านนี้มากพอๆ กับญี่ปุ่น แต่เนื่องจากนโยบายของประเทศ การปิดกั้นข้อมูลทางสังคม และเหตุผลอื่นๆ มาหลายปี คุณภาพการทำงานของเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ได้รับความนิยมในจีนจึงด้อยกว่าผลิตภัณฑ์ของญี่ปุ่นมาก ผมเชื่อว่าด้วยความก้าวหน้าของตลาดและการเติบโตของภาคเอกชน เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ผลิตในจีนจะก้าวไปถึงและเหนือกว่าระดับของญี่ปุ่นได้ในไม่ช้า!

เซ็นเซอร์แก๊สแบบเผาไหม้เร่งปฏิกิริยา

เซนเซอร์นี้ใช้หลักการสร้างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทนต่ออุณหภูมิสูงบนพื้นผิวของตัวต้านทานแพลทินัม โดยที่อุณหภูมิที่กำหนด ก๊าซที่ติดไฟได้จะเร่งปฏิกิริยาการเผาไหม้บนพื้นผิวของตัวต้านทานแพลทินัม การเผาไหม้จะทำให้อุณหภูมิของตัวต้านทานแพลทินัมสูงขึ้นและความต้านทานเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งค่าการเปลี่ยนแปลงนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของก๊าซที่ติดไฟได้ เซนเซอร์ตรวจจับก๊าซที่ติดไฟได้แบบเลือกเฉพาะ กล่าวคือ ก๊าซใดๆ ที่สามารถเผาไหม้ได้จะถูกตรวจจับได้ เซนเซอร์จะไม่ตอบสนองต่อสิ่งใดๆ ที่ไม่สามารถเผาไหม้ได้ แน่นอนว่ามีข้อยกเว้นมากมายสำหรับวลี "สามารถตรวจจับสิ่งใดๆ ที่สามารถเผาไหม้ได้" แต่โดยรวมแล้ว ความสามารถในการเลือกตรวจจับนั้นถูกต้อง เซนเซอร์ตรวจจับก๊าซที่ติดไฟได้แบบเร่งปฏิกิริยามีข้อดีคือ การวัดที่แม่นยำ การตอบสนองที่รวดเร็ว และอายุการใช้งานที่ยาวนาน ผลลัพธ์ของเซนเซอร์มีความสัมพันธ์โดยตรงกับความเสี่ยงต่อการระเบิดของสิ่งแวดล้อม และเป็นเซนเซอร์ที่สำคัญชนิดหนึ่งในด้านการตรวจจับความปลอดภัย

ข้อเสีย: ในกลุ่มก๊าซที่ติดไฟได้นั้น ไม่มีคุณสมบัติในการเลือกตรวจจับ ไฟยังคงทำงานอยู่ และมีความเสี่ยงที่จะเกิดไฟไหม้ ไอระเหยอินทรีย์ส่วนใหญ่เป็นพิษต่อเซ็นเซอร์

ผู้ผลิตเซ็นเซอร์รายหลักอยู่ในประเทศจีน ญี่ปุ่น และสหราชอาณาจักร (ประเทศผู้คิดค้น)! จีนเป็นผู้ใช้เซ็นเซอร์นี้รายใหญ่ที่สุด (เหมืองถ่านหิน) และยังมีเทคโนโลยีการผลิตเซ็นเซอร์ที่ดีที่สุด แม้ว่าจะมีการแทรกแซงการโฆษณาชวนเชื่อจากหลายฝ่ายเพื่อให้สาธารณชนเข้าใจเซ็นเซอร์นี้ผิด แต่ท้ายที่สุดแล้ว ผู้ผลิตเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซจากการเผาไหม้แบบเร่งปฏิกิริยารายใหญ่ก็อยู่ในประเทศจีนเอง

เซ็นเซอร์แก๊สชนิดเซลล์นำความร้อน

ก๊าซแต่ละชนิดมีค่าการนำความร้อนเฉพาะตัว และเมื่อค่าการนำความร้อนของก๊าซสองชนิดขึ้นไปแตกต่างกันมาก ก็สามารถแยกแยะปริมาณขององค์ประกอบใดองค์ประกอบหนึ่งได้โดยใช้เซ็นเซอร์วัดค่าการนำความร้อน เซ็นเซอร์นี้ถูกนำไปใช้ในการตรวจจับไฮโดรเจน ตรวจจับคาร์บอนไดออกไซด์ และตรวจจับมีเทนที่มีความเข้มข้นสูง

เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซมีช่วงการใช้งานที่แคบและมีปัจจัยจำกัดหลายประการ

เป็นผลิตภัณฑ์แบบดั้งเดิมและผลิตกันทั่วโลก คุณภาพของผลิตภัณฑ์จากทั่วโลกนั้นคล้ายคลึงกัน

เซ็นเซอร์แก๊สแบบอิเล็กโทรเคมี

ก๊าซไวไฟ ก๊าซพิษ และก๊าซอันตรายจำนวนมากมีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้า และสามารถถูกออกซิไดซ์หรือรีดิวซ์ด้วยกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าได้

โดยใช้ปฏิกิริยาเหล่านี้ เราสามารถแยกแยะองค์ประกอบของก๊าซและตรวจวัดความเข้มข้นของก๊าซได้ เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบไฟฟ้าเคมีมีหลายประเภท:

1. เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบใช้แบตเตอรี่ (หรือที่รู้จักกันในชื่อแบตเตอรี่แห้ง) คือเซ็นเซอร์ที่ใช้แบตเตอรี่ชนิดเดียวกับที่เราใช้แบตเตอรี่แห้ง เพียงแต่เปลี่ยนขั้วคาร์บอนและแมงกานีสในแบตเตอรี่เป็นขั้วไฟฟ้าก๊าซ ในกรณีของเซ็นเซอร์ออกซิเจน ออกซิเจนจะถูกรีดิวซ์ที่แคโทด อิเล็กตรอนจะไหลผ่านกระแสไฟฟ้าไปยังแอโนด ซึ่งโลหะตะกั่วจะถูกออกซิไดซ์ ขนาดของกระแสไฟฟ้าจะสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มข้นของออกซิเจน เซ็นเซอร์นี้สามารถตรวจจับออกซิเจน ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ คลอรีน ฯลฯ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

2. เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเซลล์อิเล็กโทรไลต์ศักย์คงที่ ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงในการตรวจจับก๊าซรีดิวซิง หลักการทำงานแตกต่างจากเซ็นเซอร์เซลล์แบบเดิม โดยปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าเกิดขึ้นภายใต้แรงของกระแสไฟฟ้า จึงเป็นเซ็นเซอร์วิเคราะห์คูลอมบ์ที่แท้จริง เซ็นเซอร์นี้ถูกนำไปใช้ประสบความสำเร็จในการตรวจจับก๊าซต่างๆ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ไฮโดรเจน แอมโมเนีย ไฮดราซีน และก๊าซอื่นๆ ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์หลักสำหรับการตรวจจับก๊าซพิษและก๊าซอันตราย

3. เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สแบบเซลล์ความเข้มข้น คือ เซ็นเซอร์ที่ทำหน้าที่ตรวจจับแก๊สที่มีปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าที่ด้านทั้งสองของเซลล์ไฟฟ้าเคมี จะก่อให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าความเข้มข้นขึ้นเองโดยธรรมชาติ ซึ่งขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะสัมพันธ์กับความเข้มข้นของแก๊ส ตัวอย่างที่ประสบความสำเร็จของเซ็นเซอร์ชนิดนี้ ได้แก่ เซ็นเซอร์ออกซิเจนสำหรับรถยนต์ และเซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์แบบอิเล็กโทรไลต์แข็ง

4. สิ่งประดิษฐ์นี้เกี่ยวข้องกับเซ็นเซอร์วัดก๊าซแบบกระแสจำกัด ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์สำหรับวัดความเข้มข้นของออกซิเจน โดยใช้หลักการที่ว่ากระแสจำกัดในเซลล์ไฟฟ้าเคมีมีความสัมพันธ์กับความเข้มข้นของตัวนำ เพื่อเตรียมเซ็นเซอร์วัดความเข้มข้นของออกซิเจน (ก๊าซ) ซึ่งใช้สำหรับการตรวจวัดออกซิเจนในยานพาหนะและการตรวจวัดความเข้มข้นของออกซิเจนในน้ำหล่อเย็น

ปัจจุบัน ผู้ผลิตเซ็นเซอร์รายหลักกระจายอยู่ทั่วโลก โดยส่วนใหญ่อยู่ในเยอรมนี ญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา และเมื่อเร็วๆ นี้ก็มีผู้ผลิตจากยุโรปรายใหม่ๆ เข้าร่วมด้วย เช่น สหราชอาณาจักร สวิตเซอร์แลนด์ เป็นต้น จีนเริ่มต้นในด้านนี้มาก่อน แต่กระบวนการพัฒนาอุตสาหกรรมยังไม่ประสบผลสำเร็จเท่าที่ควร

เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซอินฟราเรด

ก๊าซส่วนใหญ่มีพีคการดูดกลืนแสงที่เป็นลักษณะเฉพาะในช่วงอินฟราเรดกลาง และสามารถกำหนดความเข้มข้นของก๊าซได้โดยการตรวจจับการดูดกลืนแสง ณ ตำแหน่งของพีคการดูดกลืนแสงที่เป็นลักษณะเฉพาะเหล่านั้น

เซ็นเซอร์นี้เคยเป็นเครื่องมือวิเคราะห์ขนาดใหญ่ แต่ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมเซ็นเซอร์ที่ใช้เทคโนโลยี MEMS ปริมาตรของเซ็นเซอร์นี้จึงลดลงจาก 10 ลิตร หรือ 45 กิโลกรัม (เทียบเท่ากับบิ๊กแมค) เหลือเพียงประมาณ 2 มิลลิลิตร (ขนาดเท่าหัวแม่มือ) การใช้ตัวตรวจจับอินฟราเรดโดยไม่ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงแบบปรับได้ ทำให้เครื่องมือนี้ปราศจากชิ้นส่วนกลไกที่เคลื่อนไหวและไม่ต้องบำรุงรักษาโดยสิ้นเชิง

เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซอินฟราเรดสามารถจำแนกชนิดของก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพและวัดความเข้มข้นของก๊าซได้อย่างแม่นยำ

เซ็นเซอร์นี้ถูกนำไปใช้งานสำเร็จแล้วในการตรวจจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทน

ปัจจุบัน ผู้ผลิต "เซ็นเซอร์" นี้อยู่ในยุโรป! จีนยังขาดบทบาทในด้านนี้อย่างมาก!

เซ็นเซอร์ออกซิเจนแม่เหล็ก

นี่คือหัวใจหลักของ เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจน แบบแม่เหล็ก แต่ก็ยังได้พัฒนาขั้นตอน "เซ็นเซอร์" ขึ้นมาด้วย

มันถูกสร้างขึ้นโดยอาศัยหลักการที่ว่าออกซิเจนในอากาศสามารถถูกดึงดูดโดยสนามแม่เหล็กแรงสูงได้

เซนเซอร์นี้สามารถใช้ตรวจจับออกซิเจนได้เท่านั้น และมีความแม่นยำสูงมาก ก๊าซ NOx ในบรรยากาศอาจส่งผลกระทบเพียงเล็กน้อย แต่เนื่องจากปริมาณของก๊าซรบกวนเหล่านี้มักน้อยมาก ความแม่นยำของเทคโนโลยีการวิเคราะห์ออกซิเจนด้วยแม่เหล็กจึงแทบจะไม่มีใครเทียบได้!

ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมที่ได้รับการยอมรับ มีผู้ผลิตอยู่ทั่วโลก (ผมกำลังพูดถึงเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนที่เป็นมิเตอร์ตัวเดียว ซึ่งสามารถมองได้ว่าเป็นเซ็นเซอร์ในช่วงระยะหนึ่ง) และผลิตภัณฑ์ที่ผลิตในรูปแบบของเซ็นเซอร์ล้วนๆ นี้ เป็นสิ่งใหม่

คนอื่น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีใหม่ๆ เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซก็กำลังอยู่ในช่วงการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่เช่นกัน เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซมีหลากหลายประเภทมากขึ้น อย่างไรก็ตาม การที่เซ็นเซอร์บางชนิดควรถูกจัดอยู่ในกลุ่มเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซหรือไม่นั้น ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ ตัวอย่างเช่น เครื่องตรวจจับ PID แม้ว่าจะใช้สำหรับการตรวจจับก๊าซเช่นกัน แต่ถึงแม้จะมีขนาดเล็ก แต่เนื่องจากไม่สามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษา ดังนั้น อุปกรณ์ประเภทนี้ไม่ว่าจะเล็กแค่ไหน ก็ควรจัดอยู่ในกลุ่ม "เครื่องมือตรวจจับ" นอกจากนี้ เซ็นเซอร์แบบออปติคอลที่ใช้ใยแก้วนำแสงกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว และถึงแม้ว่าจะไม่ได้เป็น "ภัยคุกคาม" อย่างแท้จริงต่อเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ข้อดีเฉพาะตัวของมันอาจจะกลายเป็นสิ่งสำคัญในอนาคต สุดท้ายนี้ เพื่อผลประโยชน์ทางการค้าของตนเอง นักธุรกิจที่จำหน่ายเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซบางครั้งก็กล่าวเกินจริงเกี่ยวกับความสามารถของเซ็นเซอร์บางชนิด และทำให้การจำแนกประเภทของเซ็นเซอร์สับสน ซึ่งไม่เอื้อต่อการใช้งานเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซอย่างถูกต้องของผู้ใช้ ที่จริงแล้ว การใช้งานเซ็นเซอร์นั้นมีความสำคัญไม่แพ้การผลิตเซ็นเซอร์เลย