Полупроводниковые датчики газа.

Полупроводниковые датчики газа.

Полупроводниковые датчики газа

Не меньшую популярность имеют также датчики газа, изготовленные из полупроводниковых материалов – полупроводниковые датчики газа. Работа данного типа датчиков сходна с принципом действия каталитических: основано на свойствах поглощения газа поверхностью нагретого оксида. Это тонкая пленка окиси металла на кремниевой пластине, для размещения которой используются те же процессы, что и при изготовлении компьютерных микросхем. Поглощение простого газа поверхностью оксида газа образца с последующим каталитическим окислением ведет к изменению электрического сопротивления оксидного материала и может быть соотнесено с концентрацией газа образца. Полупроводниковые датчики газа нагреваются на поверхности до постоянной температуры выше 200 — 250°C для ускорения скорости реакции и сокращения воздействий, вызванных изменением окружающей температуры. Полупроводниковые датчики газа характеризуются простотой и достаточной степенью надёжности, могут обладать высокой степенью чувствительности. Они широко применяются при производстве недорогих детекторов бытового газа. Однако в промышленности они скорее ненадежны, поскольку недостаточно точны при определении отдельных газов, на них также влияют перепады атмосферной температуры и влажности. Возможно, их требуется проверять несколько чаще, чем остальные типы датчиков, потому что они известны потерей чувствительности, если их не контролировать регулярно. Они также медленно реагируют и восстанавливаются после воздействия выброса газа.

Каталические датчики газа

Наиболее часто используемое на сегодняшний день устройство — каталический датчик газа – по сути является современной разработкой более ранней взрывобезопасной лампы, поскольку в его основе лежит принцип горения газа и его превращения в углекислый газ и воду. Каталитический датчик газа для обнаружения горючих газов относятся к электрокаталитическому типу. Они состоят из миниатюрного чувствительного элемента, иногда называемого также шариком, «пеллистором» или «сигистором». Последние два являются зарегистрированными торговыми марками серийных устройств. Они изготовлены из электроподогреваемой катушки с платиновой проволокой, на которую сначала нанесена керамическая подложка, например, оксид алюминия, а затем кроющая наружная оболочка из палладиевого или родиевого катализатора, распыленного на подложку из окиси тория. Принцип работы датчика газа такого типа заключается в том, что при прохождении горючего газа/воздушной смеси по поверхности катализатора возникает горение, и выделяющееся тепло повышает температуру шарика. Это, в свою очередь, ведет к изменению сопротивления платиновой катушки, которое можно измерить, если использовать катушку в качестве температурного датчика в стандартной цепи с измерительным мостом. Изменение сопротивления находится в прямой зависимости от концентрации газа в окружающей среде, его можно отобразить на измерительном инструменте или индикаторе. Чтобы обеспечить стабильность температуры в меняющихся окружающих условиях, в каталитических датчиках газа используются термически согласованные шарики. Они находятся на противоположных участках электрической цепи с мостом для измерения сопротивления, где «чувствительный» датчик реагирует на любой присутствующий горючий газ в отличие от сбалансированного пассивного, или нечувствительного, датчика. Пассивное функционирование достигается или за счет покрытия шарика тонким слоем стекла, или за счет деактивированного катализатора. Таким образом, он действует лишь как компенсатор любых внешних изменений температуры или влажности. Каталитический датчик газа лучше всего устанавливать в прочном металлическом корпусе позади пламегасителя – этот принцип отвечает предъявляемым требованиям безопасности конструкции. Это позволяет смеси газа/воздуха проникать в корпус и к высокоактивному чувствительному элементу, но предотвращает распространение пламени в окружающей среде. Пламегаситель слегка сокращает скорость реагирования датчика, однако в большинстве случаев показание на электрическом выходе появляется уже через несколько секунд после обнаружения газа. Поскольку кривая отклика в значительной степени сглаживается по мере приближения к конечному показанию, время отклика часто определяется как время, необходимое для достижения 90% от его конечного показания и поэтому известное как значение Т90. Значение Т90 для каталитических датчиков составляет обычно 20 — 30 секунд.

Инфракрасные детекторы газа

Полосы поглощения многих горючих газов находятся в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра света, и принцип поглощения в инфракрасной области уже многие годы используется в качестве лабораторных аналитических средств. Инфракрасный детектор газа относится к маломощному и компактному типу оборудования, используемого для промышленных детекторов газа. Эти датчики имеют несколько преимуществ по сравнению с каталитическим типом. Они характеризуются очень высокой скоростью отклика — менее 10 секунд, низкими эксплуатационными расходами и упрощенным контролем благодаря функции самодиагностики у современного оборудования с микропроцессорным управлением. Они также могут быть нечувствительными к любым известным «ядам», отказоустойчивыми и будут успешно работать в инертных атмосферах и в широком диапазоне температур, давления и влажности окружающей среды. Принцип работы датчика газа такого типа основывается на поглощении двух длин волн в инфракрасном диапазоне, когда свет проходит через смесь образца с двумя длинами волны, одна из которой устанавливается на пик поглощения определяемого газа, а другая нет. Два источника света пульсируют альтернативно друг другу, направляя свет по обычному оптическому тракту, чтобы он вышел через взрывозащищенное «окно» и затем прошел сквозь газ образца. Пучки лучей затем отражаются ретроотражателем и опять возвращаются через образец в прибор. Детектор сравнивает силу сигнала лучей образца и эталона и путем вычитания определяет концентрацию газа.