Сенсоры химического состава

Спектры поглощения газов в ИК области спектра

В средней ИК области спектра (длина волны λ=3÷6 мкм) лежат фундаментальные полосы поглощения многих промышленных и природных газов, таких как: метан, бутан и другие углеводороды, углекислый и угарный газы, окислы азота, серы и т.д. (см. рис.). Интенсивности полос поглощения в этой спектральной области на порядок и более превосходят интенсивности полос поглощения в других областях спектра, кроме того, максимально расстояние между соседними линиями. Поэтому, оптические сенсоры, построенные по принципу измерения части излучения, поглощающейся детектируемым газом, будут более чувствительны и селективны по сравнению с сенсорами, работающими в других спектральных диапазонах. Источники и приемники излучения – являются главными компонентами таких сенсоров, а использование в их качестве – свето- и фотодиодов, может обеспечить наилучшие значения таких параметров сенсора, как: миниатюрность, энергопотребление, быстродействие, селективность и срок службы.

К числу наиболее перспективных областей применения оптических сенсоров, работающих в средней ИК области, можно отнести следующие:

Домашняя безопасность

Приборы пожарной безопасности для НЕ промышленных применений. В зависимости от требований законодательства, промышленных стандартов или требований заказчика, системы пожарной безопасности должны идентифицировать:

угарный газ (СО), являющийся продуктом горения многих веществ;
углеводороды: метан, пропан, этан, этилен, ацетилен;
формальдегид, уксусную и муравьиную кислоты;
газы: NOx, SOx, HCl, Cl2
дым, тепло

В общем случае, система пожарной безопасности, включает различные комбинации сенсоров на перечисленные выше объекты детектирования, при этом наиболее достоверным каналом для большинства случаев является сенсор угарного газа. Основной целью построения достаточно сложных систем является решение проблемы «ложных срабатываний». Основными тенденциями при использовании новых сенсоров являются требования по уменьшению потребляемой мощности (меньше 2 мВт), сроку службы (до 10 лет) с минимальными затратами на послепродажное обслуживание и удовлетворению промышленных стандартов и местных законодательств.

Контроль качества воздуха

BTEX соединения. Основными объектами для детектирования являются: бензин, толуол, этиловый бензин и ксилен (Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylenes - BTEX). Во многих случаях приходится иметь дело со смесью этих газов, уровень токсичности которых сильно отличается, что значительно усложняет задачу. Например, содержание паров бензина в атмосфере, часто превышает европейский уровень безопасности в 1 ppm (в особенности на бензозаправочных станциях и топливных хранилищах), в то время как допустимый уровень содержания других углеводородов может превышать сотни ppm. Поэтому детектирование паров бензина в смеси других углеводородов не лабораторным оборудованием – до сих пор является не решенной задачей.

Контроль качества воздуха городской среды (Outdoor air quality and emission monitoring). Согласно новым европейским законодательным нормам, компании обязаны постоянно уменьшать выброс газов в окружающую среду, причем уровень допустимого выброса постоянно уменьшается. Контроль за соблюдением данных норм осуществляется государственными надзорным органами и специализированными компаниями и требует газоанализаторов с улучшенными значениями пределов обнаружительной способности к газам. Такими анализаторами планируется оборудовать мини-метеорологические станции, расположенные в местах выброса газов на промышленных производствах, вблизи крупных автомобильных дорог разбросанные по территории крупных населенных пунктов. Основными газами для детектирования являются: углекислый газ и углеводороды.

В жилых помещениях (Indoor air quality – IAQ) Повышенное содержание углекислого в жилых помещениях может приводить появлению головной боли, утомляемости и быть причиной ряда заболеваний. Согласно санитарным нормам, концентрация углекислого газа не должна быть более чем на 600 ppm выше чем концентрация газа вне помещений. Поддержание СО2 на низком уровне, обычно достигается благодаря использованию интегрированных систем климат-контроля – с подогревом, вентиляцией и кондиционированием воздуха, работающих, как правило в масштабах целого здания согласно установленному порядку включения. Переход к индивидуальным системам климат-контроля с датчиками углекислого газа, ответственным за ограниченную площадь и автоматически реагирующим на точечное повышение содержания углекислого газа, может привести к значительному сокращению затрат на электроэнергию по сравнению с традиционными системами.
Помимо углекислого газа, IAQ оборудование может включать датчики для детектирования СО, NO2, озона и летучей органики. Достаточно специфичной задачей является детектирование формальдегида, который получается при обезгаживании новых материалов в современном строительстве. Используемые в данном оборудовании сенсоры, должны быть компактными, с минимумом (или полным отсутствием) эксплуатационных расходов, надежными и не дорогими, причем наиболее важным требованием, является минимальное энергопотребление. Данные требования исключают возможность использования таких комплектующих как газовые лазеры и лазеры на красителях, а также охлаждаемых фотоприемников.
Контроль содержания парниковых газов (Greenhouse gas detection). Наиболее распространенными парниковыми газами являются: водяные пары, углекислый газ СО2, метан СН4, аммоний NH3, оксид азота N2O, озон О3 и халькогениды CFCs.

Промышленная безопасность

Детектирование легковоспламеняющихся газов. Наиболее распространенными для детектирования газами, являются метан и другие углеводороды, из-за их высокой концентрации в природном газе. Сенсоры на углеводороды используются как в стационарных так и портативных газоанализаторах, основные требования к которым постоянно сближаются:

низкое энергопотребление и возможность работы от батарей;
малый вес;
увеличение времени между калибровками вплоть до отказа от поверочных испытаний на весь срок службы;
минимальный уровень чувствительности от единиц ppm до ppb (в ближайшие годы).

Считается, что оптические сенсоры, являются наиболее подходящими для данных применений и могут быть использованы в:

газоанализаторах с открытым каналом или так называемых трассовых газоанализаторах для измерения утечек вдоль трубопроводов или внутри производственных помещений, разрабатываемых как правило для детектирования утечек метана, пропан-бутана, природного газа или других углеводородов;
портативных газоанализаторах для измерения концентраций метана, суммарной концентрации алифатических углеводородов и сопутствующих им агрессивных газов;
портативных течеискателях для обнаружения утечек метана и пропан-бутана.

Детектирование токсичных газов. Основными объектами для детектирования являются: VOC газы (летучие органические соединения - Volatile Organic Compound), BTEX соединения, SO2 и NOx.
Детектирование углекислого газа. Углекислый газ вытесняет кислород в замкнутых помещениях, поэтому контроль за его содержанием, начинает входить в число промышленных стандартов и, в ряде случаев, является уже обязательным (например, на территории Великобритании, в производственных помещениях, в которых расположены кипятильные установки).

Промышленный контроль

Промышленное производство, является одним из основных потребителей различного рода сенсоров, с помощью которых осуществляется контроль и мониторинг производственных процессов, проверка качества продуктов, личная и промышленная безопасность, контроль за окружающей средой и выбросом вредных веществ. Ряд факторов стимулирует разработку и внедрение новых сенсоров и средств контроля:

Высокая стоимость топлива и электроэнергии;
Налоги за выброс СО2 - стимулируют разработку более эффективных систем контроля процессов горения;
Законодательства по охране окружающей среды требуют постоянного мониторинга отходов промышленного производства
Охрана здоровья и безопасность требует, например, контроля BTEX соединений в режиме реального времени в производственных помещениях
Новые требования к сенсорам и средствам контроля требуют возможности их работы без обслуживания и калибровки в течение от 2-х лет и выше. Желательными становятся возможность их работы от батарей в течение всего срока службы и осуществление связи по радиоканалу.

Особенно отметим две новых ниши, разработка сенсоров для которых, находится на начальных стадиях вплоть до необходимости проведения дополнительных исследований.

Контроль состояния пищевых продуктов при производстве, хранении и перевозке.

Детектирование наличия микроорганизмов (например, по присутствию характерных газов, являющихся продуктом их жизнедеятельности)
Контроль внешнего загрязнения продукта (наличия на поверхности смазки, пленок и т.д.)
Определение качества продукта (например: порча рыбы характеризуется содержанием определенного количества летучих амино N-окислов, созревание фруктов – этилена, винная продукция – алкоголя; годная к употреблению рыба должна содержать определенный процент жира и т.д.)

Биореакторы и свалки отходов.

Для контроля состояния закрытых биореакторов, используемых например, при производстве медицинских средств, необходим мониторинг содержания кислорода, аммиака, углекислого газа. В открытых биореакторах, например свалках, необходим мониторинг метана, водорода и летучих органических соединений (VOC газы).

Медицинские применения

Возможность бесконтактной диагностики сердечно-сосудистых, легочных заболеваний, нарушений обмена веществ реализуется в методиках по контролю за дыханием человека, в которых непрерывно, в течение вдоха и выдоха регистрируется и анализируется содержание углекислого газа, кислорода и инертных “меченных” газов. Как отдельное направление, появилась капнография – методика по измерению и анализу содержания углекислого газа в выдохе человека, в том числе, для контроля за анестезиологическими процессами. Актуальны задачи по детектированию анестетических газов, в частности, веселящего газа, в операционных и других специализированных помещений больниц и госпиталей.

Другие применения

Помимо перечисленных выше примеров, существуют другие потребности в сенсорах, работающих в средней ИК области спектра, связанные, например с детектированием жидких и твердых субстанций. Возможными примерами таких сенсоров, являются:

Анализаторы содержания нефтепродуктов в воде и почве
Анализаторы содержания воды в нефти, бензине и др. горюче-смазочных материалах
Бесконтактные, быстродействующие толщиномеры полиэтилена и других органических пленок