Перевести подих: датчики Winsen для контролю якості повітря

1. Області застосування газоаналізаторів
2. Інфрачервоні датчики вуглекислого газу
3. напівпровідникові газоаналізатори
4. Модулі контролю якості Повітря
5. Висновок

Високоякісні та різноманітні газові датчики і газоаналізатори компанії Winsen призначені для контролю якості повітря в приміщеннях, наявності СО2, аміаку, сірководню, вологості повітря. Вони застосовуються в сільському господарстві, використовуються в різних галузях промисловості, в тому числі і в автомобільній.

Пам'ятаю день переїзду в новий офіс. Неповторний запах свіжого ремонту, чисті, без жодної плямочки, стіни, підлогу і стелю. Новий стіл, ще не завалений робочими папірцями, розташований так, як мені хочеться - біля великого вікна, з якого видно половину міста.

На жаль, в 2003 році придбати подібні прилади було непросто. Можливо, саме тому в той час була заснована компанія Winsen, націлена на перспективний ринок аналізаторів якості повітря.

Сегодня компанія Zhengzhou Winsen Electronics Technology Corp., Ltd впевнено займає лідируючі позиції на ринку газоаналізаторів. Секретом успіху є багаторічні дослідження, багатий досвід виробництва, а також активне використання власних передових технологій. Основу команди Winsen складають 50 талановитих інженерів, які на основі восьми типів технологій, захищених 80 патентами, розробили газоаналізатори для всіх сфер практичного застосування. На 15 виробничих лініях, розташованих в будівлі загальною площею 30 000 м2 випускається близько 400 видів приладів, призначених для вимірювання концентрації різних газів. Щорічно компанія продає близько 15 млн пристроїв, 70% з них - на внутрішньому ринку Китаю. На сьогоднішній день бренд Winsen заслужено є однією з найвідоміших торгових марок.

Області застосування газоаналізаторів

Найбільш затребувана сфера застосування газоаналізаторів - контроль якості повітря в приміщеннях, де живуть і працюють люди (під словом «працюють» мається на увазі діяльність сполучена з потенційно небезпечними технологічними процесами). Під цю категорію потрапляють житлові будинки, торговельні центри, супермаркети, готелі, офісні будівлі, автостоянки, кінотеатри, тренажерні зали, бібліотеки. В даному випадку необхідність контролю якості повітря обумовлена ​​наявністю зовнішніх і внутрішніх забруднювачів, в тому числі і несправностями системи кондиціонування, а також поганим станом міського середовища мегаполісів. Відповідно до сучасних санітарним нормам, в число контрольованих параметрів можуть входити температура, вологість, концентрація вуглекислого газу (СО2), озону (О3), летких органічних речовин (ЛОВ) (Volatile Organic Compounds, VOC): вуглеводнів, альдегідів, спиртів, кетонів та інших , а також рівень задимленості і запиленості.

Для цього напряму компанія Winsen надає широкий асортимент продукції (таблиця 1), що дозволяє проводити всі необхідні вимірювання. Залежно від конкретного завдання можна придбати як прості датчики, що формують електричний сигнал, пропорційний аналізованого параметру, так і закінчені модулі, які здійснюють комплексний контроль якості повітря з передачею інформації по поширеним інтерфейсів, наприклад, UART або I2C, зі світловою і звуковою сигналізацією.

Подібний список контрольованих параметрів повітря використовується і в сільському господарстві. Як для рослинництва, так і для тваринництва температура, вологість і концентрація вуглекислого газу в повітрі грають ключову роль. Вихід цих параметрів за межі допустимих значень може зробити істотний вплив як на врожайність посівів, так і на поголів'я худоби. Додатково до цього списку додається контроль концентрації аміаку (NH3) і сірководню (H2S), що грають важливу роль в процесі обміну речовин рослин і тварин. На сьогоднішній день постійний моніторинг контролю якості повітря для підприємств сільського господарства є життєво важливою ланкою виробничого процесу, без якого дуже складно отримати продукцію необхідної якості.

Таблиця 1. Датчики якості повітря в приміщеннях

Найменування Опис (контрольовані параметри) MP502 Air-Quality Gas Sensor Датчик якості повітря (ЛОВ, толуол, формальдегід, бензол, спирт, ацетон і так далі) MP503 Air-Quality Gas Sensor Датчик якості повітря (алкоголь, дим, ЛОВ та інші) MP901 Air-Quality Gas Sensor Датчик якості повітря (спирт, дим, формальдегід, толуол, ацетон, бензол, побутовий газ, пари фарби та інше) ZPH01 Particles Sensor-Manual Датчик концентрації пилу (тверді частинки більше 1 мкм) ZPH01 Particles and VOC Module-Manual Датчик якості повітря і концентрації пилу (формальдегід, бензол, чадний газ, водень, спирт, аміак, сигаретний дим, тверді частинки більше 1 мкм) ME2-CH2O-Ф16 Formaldehyde sensor , ME2-CH2O-16 × 15 Formaldehyde sensor Датчик формальдегіду ZE07-CH2O-Manual, ZE08-CH2O Manual Електромеханічні датчики для вимірювання концентрації ЛОВ (формальдегід, етанол і так далі) ZP01-MP503 Air-Quality Monitoring Module , ZP07-MP901 Air-Quality Detection Module Датчики якості повітря (формальдегід, бензол, чадний газ, водень, спирт, аміак, сигаретний дим, ароматичні речовини та інші) MH-Z14A NDIR CO2 SENSOR , MH-Z16 NDIR CO2 SENSOR , MH-Z19 NDIR CO2 SENSOR Датчики вуглекислого газу MQ131 High Concentration Ozone Gas Sensor , MQ131 Low Concentration Ozone Gas Sensor датчики озону

Для сільського господарства компанія Winsen пропонує асортимент датчиків (таблиця 2, малюнок 1), що дозволяє комплексно вирішувати завдання контролю якості повітря як для аграрного сектора, так і для сектора тваринництва. На відміну від житлових і робочих приміщень, сільськогосподарські ангари намагаються розміщати в зонах з меншим рівнем екологічного забруднення, тому перелік контрольованих газів для цього сектора менше.

Мал. 1. Датчики для сільського господарства

Таблиця 2. Датчики для сільського господарства

Найменування Межі вимірювання Опис MS-Z2 Temperature & Humidity Sensing 10 ... 90%; 0 ... 60 ℃ Датчик температури і вологості MZS-001 Humidity Module, MZS-002 Humidity Module Датчик вологості MH-410D NDIR CO2 SENSOR 0 ... 5% Датчик вуглекислого газу MH-Z14 NDIR CO2 SENSOR 0 ... 10 000 ppm Датчик вуглекислого газу MG811 Solid Electrolyte CO2 Gas Sensor 350 ... 10 000 ppm Датчик вуглекислого газу ME3-NH3 Electrochemical Ammonia Sensor 0 ... 50 ppm Датчик аміаку ME3-H2S Hydrogen Sulfide Sensor 0 ... 100 ppm Датчик сірководню

У той же час концентрація деяких газів, наприклад CO2, може значно перевищувати допустимий рівень для приміщень, розрахованих для людини, тому межі вимірювань датчиків для сільського господарства можуть відрізнятися від датчиків, розроблених для житлових приміщень (малюнок 2).

Мал. 2. Датчики якості повітря в приміщеннях

Ще більша кількість параметрів необхідно контролювати в автомобільній галузі. Будучи джерелом забруднення повітря планетарного масштабу, транспортні засоби повинні відповідати сучасним жорстким вимогам за рівнем викидів отруйних речовин, в числі яких чадний (СО) і вуглекислий (СО2) гази, оксид азоту (NO2), пил і багато інших. Крім контролю стану автомобіля на стадіях виробництва і технічного обслуговування, обов'язковою умовою його безпечної експлуатації є постійний моніторинг якості повітря в салоні. Попадання в кабіну навіть невеликої кількості вихлопних газів може спровокувати непритомність водія. Контроль концентрації парів палива допоможе вчасно виявити пошкодження паливної системи і запобігти загорянню транспортного засобу. І останньою специфікою автомобільного напрямку є контроль стану водія, в тому числі - і концентрація парів алкоголю (етанолу - С2Н5ОН) в його диханні.

Для автомобільної галузі компанія Winsen пропонує комплект приладів (таблиця 3, малюнок 3), що враховує всю специфіку транспортних засобів і дозволяє проводити вимірювання як в умовах промислового виробництва, так і в процесі експлуатації автомобілів.

Мал. 3. Датчики для автомобільної техніки

Найбільший список контрольованих параметрів якості повітря має промисловий сектор, особливо хімічна галузь - провідний локомотив світової економіки. Для промислових підприємств встановлюються жорсткі ліміти і квоти на кількість викидів шкідливих речовин, цілодобово контрольовані відповідними органами. Тому вимірювання концентрації різних газів є не тільки ключовою ланкою технологічного процесу, а й важливим елементом системи екологічної та, як наслідок, економічної безпеки підприємства. Список газів багато в чому визначається специфікою підприємства. Як правило, в його склад входять діоксид сірки (SO2), монооксид (NO) і діоксид азоту (NO2), чадний (CO) і вуглекислий газ (CO2), кисень (O2), озон (O3), сірководень (H2S), аміак (NH3), водень (Н2), хлор (Cl2), вуглеводні і багато інших. Крім концентрації газів для промислових підприємств необхідно контролювати також рівень запиленості та прозорості повітря виробничих приміщень і димових газів.

Таблиця 3. Датчики для автомобільної техніки

Для промислового напрямку компанія Winsen представляє цілі серії датчиків (таблиця 4, малюнок 4), здатних не тільки вимірювати концентрацію великої кількості різноманітних газів, а й контролювати їх витрати (серія Flow sensor), що дозволяє здійснювати ефективний контроль на всіх етапах виробництва. Пропоновані датчики можуть використовуватися як у складі бортового і стаціонарного обладнання, так і в портативних пересувних лабораторіях.

Мал. 4. Промислові газоаналізатори

Таблиця 4. Промислові газоаналізатори

Найменування Опис Серія MC11 Каталітичні датчики для визначення концентрації горючих газів Серія ME2 Електромеханічні датчики для визначення концентрації кисню О2 Серії ME3 , ME4 Електромеханічні датчики для визначення концентрації CO, SO2, H2S, NH3, H2, Cl2, NO2, O3 і інших речовин NDIR Gas Sensor, MH-440D , MH-410D, MH-710A, MH-741A Недісперсіонние інфрачервоні датчики для визначення концентрації вуглекислого газу CO2 і метану CH4 Flow Sensor F1012, F1013, F1031, F1022 Датчики для визначення швидкості руху газу в газопроводах

Інфрачервоні датчики вуглекислого газу

В основі роботи інфрачервоних газоаналізаторів лежить явище поглинання фотонів молекулами речовини, що використовується в спектроскопії. Більшість газів здатне поглинати світлове випромінювання певних довжин хвиль, комбінація яких дозволяє судити про його хімічний склад. Кількість поглинається випромінювання пропорційно кількості молекул, тому концентрація визначається простим виміром інтенсивності світла після проходження через вимірювальну камеру. За допомогою інфрачервоної спектроскопії можна реєструвати наявність великої кількості речовин, проте найбільшу ефективність цей метод має при визначенні концентрації CO2.

Особливістю вуглекислого газу є інтенсивне поглинання світла з довжиною хвилі 4,26 мкм. Оскільки ця довжина хвилі унікальна для CO2, то вимірювання її інтенсивності цілком достатньо для визначення його кількості в повітрі. Це значно спрощує пристрій реєстратора, дозволяючи використовувати простий недісперсіонний інфрачервоний (Nondispersive Infrared, NDIR) метод вимірювання.

Як джерело світла в газоаналізаторі використовується мініатюрна лампа розжарювання або світлодіод (рисунок 5). Промінь світла, проходячи через вимірювальну камеру, висвітлює фотоелемент, перед яким встановлюється світлофільтр, що пропускає світло тільки однієї довжини хвилі, в даному випадку - 4,26 мкм. Чим вище концентрація CO2, тим менше освітленість фотоелемента. Для забезпечення високої чутливості довжина світлового шляху повинна бути якомога більше, тому при створенні компактних газоаналізаторів часто використовують багаторазове відображення променя від внутрішніх стінок вимірювальної камери.

Мал. 5. Пристрій недісперсіонного інфрачервоного газоаналізатора

Модулі для вимірювання концентрації вуглекислого газу компанії Winsen (таблиця 5, рисунок 6), що використовують інфрачервоний метод, являють собою малогабаритні термокомпенсірованний вимірювачі з високою селективністю, що не залежить від вмісту кисню в повітрі. Висока якість модулів досягається за рахунок поєднання ефективної технології виявлення вуглекислого газу, прецизійної оптичної системи і оригінальною схемотехніки. Результати вимірювань можуть бути отримані в аналоговому, дискретно (ШІМ) або цифровому вигляді по інтерфейсу UART.

Мал. 6. Датчики CO2

модулі MH-Z1x призначені для використання в системах опалення, вентиляції та кондиціонування, в холодильному обладнанні, приладах для контролю якості та очищення повітря, інтелектуальних системах типу «Розумний будинок» або аналогічних. модулі MH-Z19 мають менші габарити і вага, що дозволяє створювати на їх основі більш компактні пристрої, що актуально для портативних і автомобільних додатків. модуль MH-Z14A має більшу точність вимірів, в той час як модуль MH-Z14 має більш широкий робочий діапазон, що найкращим чином підходить для агропромислового сектора. особливістю модуля MH-Z16 є наявність вимірювальної камери великого обсягу, завдяки якій зменшується час відгуку, що актуально для навчального обладнання.

Таблиця 5. Характеристики датчиків СО2

Найменування MH-Z16 NDIR CO2 SENSOR MH-Z14 NDIR CO2 SENSOR MH-Z14A NDIR CO2 SENSOR MH-Z19B NDIR CO2 SENSOR Діапазон вимірювань, ppm 0 ... 5000 0 ... 10000 0 ... 5000 Точність, ppm ± (100 + 6%) ± (50 + 3%) ± (50 + 5%) Напруга живлення, В 4,5 ... 5,5 Середній споживаний ток, мА <85 <60 <20 Вихідний сигнал ШІМ, UART Аналоговий, ШІМ, UART Час готовності, хв 3 Час відгуку, з <30 <90 <120 <120 Робоча температура, ° с 0 ... 50 Робоча вологість,% 0 ... 95 Розміри, мм 97 × 20 × 17 57,5 ​​× 34,7 × 17 57,5 ​​× 34,7 × 17 32,5х20,5х9 Термін служби, років> 5

напівпровідникові газоаналізатори

Чутливий елемент напівпровідникових газоаналізаторів виконаний з оксиду металу з дуже високою активністю, зазвичай SnO2 (малюнок 7). При нагріванні його поверхні до певної температури починається абсорбція атомів кисню повітря, в результаті якої вони іонізуються, що призводить до збільшення опору чутливого елемента. При наявності в повітрі газу рівень іонізації атомів кисню зменшується, що призводить до зменшення опору напівпровідника. Таким чином, вимірюючи опір чутливого елемента, можна визначати концентрацію великої кількості газів.

Мал. 7. Напівпровідникові газоаналізатори

Недоліками напівпровідникових газоаналізаторів є низька селективність і залежність результатів вимірювань від концентрації кисню в повітрі. Однак простота, малі маса, габарити і вартість зумовили їх масове використання. На сьогоднішній день компанія Winsen надає своїм клієнтам широкий спектр напівпровідникових газоаналізаторів загального призначення (таблиця 6 ... таблиця 8), за допомогою яких можна визначати концентрацію великої кількості газів.

Таблиця 6. Характеристики датчиків горючих газів

Найменування MQ-2 Smoke Sensor MQ-4 Methane Gas Sensor / LNG Detection Gas Sensor MQ-5 LPG Detection Sensor MQ-6 Propane LPG Flammable Gas Sensor MQ-8 Hydrogen Sensor Газ Легкозаймистий газ, дим Метан Зріджений газ, метан Зріджений газ Водень Діапазон вимірювань, ppm 300 ... 10 000 (газ) 300 ... 10 000 (CH4) 300 ... 10 000 (CH4, C3H8) 300 ... 10 000 (C3H8) 100 ... 1 000 (H2) Напруга контуру, В DC ≤ 24 Напруга підігрівача, В DC або АС 5 ± 0,1 Потужність підігрівача, мВт ≤ 950 ≤ 900 Чутливість Rs (повітря) / Rs (2000 ppm C3H8) ≥ 5 Rs (повітря) / Rs (5 000 ppm CH4) ≥ 5 Rs (повітря) / Rs (2000 ppm C3H8) ≥ 5 Rs (повітря) / Rs (2000 ppm C3H8) ≥ 5 Rs (повітря) / Rs (1000 ppm H2) ≥ 5 Час прогріву , годину щонайменше 48

Таблиця 7. Характеристики датчиків чадного газу і алкоголю

Найменування MQ-7B Carbon Monoxide Sensor MQ-9B CO & CH4 Detection Sensor MQ3B Semiconductor Alcohol Sensor MQ303B Semiconductor Alcohol Sensor Газ Чадний газ (СО) Чадний газ (СО), метан (СН4) Етанол (C2H5OH) Діапазон вимірювань, ppm 10 ... 500 (СО) 10 ... 500 (СО); 300 ... 10000 (СН4) 25 ... 500 (C2H5OH) Напруга контуру, В DC ≤ 10 ≤ 24 ≤ 6 Напруга підігрівача, В DC або АС 5 ± 0,1 (High temp); 1,5 ± 0,1 (Low temp) 5 ± 0,1 0,9 ± 0,1 Потужність підігрівача, мВт ≤ 900 ≤ 900 ≤ 140 Чутливість Rs (повітря) / Rs (150 ppm CO) ≥ 5 Rs (повітря ) / Rs (150 ppm CO) ≥ 5; Rs (повітря) / Rs (5000 ppm CH4) ≥ 3 Rs (повітря) / Rs (125 ppm C2H5OH) ≥ 5 Rs (повітря) / Rs (125 ppm C2H5OH) ≥ 3 Час прогріву, год Щонайменше 48

Таблиця 8. Характеристики датчиків токсичних газів

Найменування MQ131 Ozone Gas Sensor MQ135 Semiconductor Sensor for Air Quality MQ136 Hydrogen Sulfide Gas Sensor MQ137 Ammonia Gas Sensor MQ138 VOC Gas Sensor Газ Озон Аміак, сульфіді, бензольні сполуки Сірководень Аміак Толуол, ацетон, етанол, Боден діапазон вимірювань 10 ... 10 000 ppm 10 ... 10 000 ppb 10 ... 1 000 ppm (NH3, C7H8, H2, дим) 10 ... 200 ppm (H2S) 5 ... 500 ppm (NH3) 5 ... 500 ppm Напруга контуру В DC ≤ 24 Напруга підігрівача, В DC або АС 5 ± 0,1 Потужність підігрівача, мВт ≤ 900 ≤ 950 ≤ 900 ≤ 900 ≤ 900 Чутлівість Rs (200 ppm O3) / Rs (повітря) ≥ 2 Rs (200 ppb O3) / Rs (повітря) ≥ 2 Rs (повітря) / Rs (400 ppm H2) ≥ 5 Rs (повітря) / Rs (50 ppm H2S) ≥ 3 Rs (повітря) / Rs (50 ppm NH3) ≥2 Rs (повітря) / Rs (50 ppm C7H8) 2 ≥ Година прогріву щонайменш 48 годин

Модулі контролю якості Повітря

Розглянуті вище напівпровідникові і інфрачервоні датчики фактично представляли собою лише перетворювачі інформації про концентрацію газу в електричний сигнал. При використанні даних датчиків на плечі розробника лягає ряд не найпростіших завдань, в числі яких - забезпечення необхідного режиму роботи, облік коливань температури і атмосферного тиску, зчитування та обробка інформації про вимірюваний параметр і прийняття рішень на основі отриманого значення.

У той же час на практиці існує ряд завдань, які потребують точного знання концентрації газу, а лише визначення, чи знаходиться це значення в заданих межах. Так, наприклад, співробітників офісу або водія автомобіля мало цікавить абсолютне значення кількості вуглекислого газу на робочому місці. Але їм необхідно знати, чи придатний повітря в даний момент для дихання чи ні. Те саме можна сказати і до приміщень, в яких встановлено газове обладнання.

Для вирішення подібних завдань компанія Winsen випускає спеціалізовані модулі, що визначають якість повітря в контрольованому приміщенні (рисунок 8). До складу модулів можуть входити датчики газу, температури та атмосферного тиску, електроніка, що забезпечує його нормальне функціонування, і блок прийняття рішень, що порівнює поточні показання з заздалегідь встановленими значеннями. Якщо концентрація газу перевищує допустиме значення - спрацьовує світлова або звукова сигналізація, також встановлена ​​на платі модуля.

Мал. 8. Модулі контролю якості повітря

Інтелектуальні модулі компанії Winsen (таблиця 9) працюють в широкому діапазоні живлячої напруги і температур, не вимагають настройки і калібрування. Деякі моделі мають вбудовану систему самодіагностики і елементи управління (кнопки). Фактично вони являють собою готові пристрої, що вимагають для своєї роботи лише джерела живлення. Для створення пристроїв, орієнтованих на роботу в системах «Розумний будинок», можуть використовуватися модулі, що підтримують популярні інтерфейси передачі даних.

Таблиця 9. Характеристики модулів контролю якості повітря

Найменування ZP01-MP503 Air-Quality Monitoring Module ZP07-MP901 Air-Quality Detection Module ZP04 Combustible Gas Detection Module ZP05 ​​Vehicle-Mounted Fuel Gas Leakage Detection Module ZP06 Vehicle-Mounted Fuel Gas Leakage Detection Module Газ Формальдегід, бензин, чадний газ, водень, етанол, аміак, сигаретний дим і інші Природний газ Вихід 3 рівня забруднення 10 рівнів забруднення 4 світлодіода, 2 кнопки, звуковий сигнал, реле, електромагнітний клапан 3 світлодіода, звуковий сигнал 1 вихідний сигнал Напруга живлення , В 5 ± 0,2 9 ... 12 9..32 Середній споживаний струм, мА ≤ 60 ≤ 80 Час реакції, з ≤ 20 ≤ 30 Час відновлення, з ≤ 60 ≤ 30 Робоча температура, ° с 0 ... 50 -10 ... 55 -40 ... 85 Вологість,% ≤ 95 ≤ 95 20 ... 90 Розміри, мм 24х20х15 25,4х21,7х22,6 25,4х21,7х11 33х17,5 Термін служби, років ≥ 5 ≥ 5

Висновок

Контроль якості повітря є необхідною умовою існування сучасної промислової цивілізації. Невідповідність повітря необхідним нормам робить скрутними роботу підприємств і саме існування людини. Фахівці компанії Winsen знаходяться в постійному пошуку нових і вдосконалення наявних методів вимірювання концентрації газу, пропонуючи своїм клієнтам прилади для всіх існуючих напрямків практичного газового аналізу, здатні вирішити більшість завдань по визначенню якості повітря як в приміщеннях, так і на відкритому просторі.