Amb el ràpid desenvolupament de tecnologies com la Internet de les Coses i la intel·ligència artificial, els sensors de gas, un important dispositiu de detecció conegut com els "cinc sentits elèctrics", estan abraçant oportunitats de desenvolupament sense precedents. Des del monitoratge inicial de gasos industrials tòxics i nocius fins a la seva àmplia aplicació en el diagnòstic mèdic, la llar intel·ligent, el monitoratge ambiental i altres camps actuals, la tecnologia de sensors de gas està experimentant una profunda transformació, passant d'una sola funció a la intel·ligència, la miniaturització i la multidimensionalitat. Aquest article analitzarà exhaustivament les característiques tècniques, els darrers avenços en la investigació i l'estat de l'aplicació global dels sensors de gas, amb especial atenció a les tendències de desenvolupament en el camp del monitoratge de gasos en països com la Xina i els Estats Units.
Característiques tècniques i tendències de desenvolupament dels sensors de gas
Com a convertidor que converteix la fracció volumètrica d'un gas específic en el senyal elèctric corresponent, el sensor de gas s'ha convertit en un component indispensable i important en la tecnologia de detecció moderna. Aquest tipus d'equip processa mostres de gas a través de capçals de detecció, que normalment inclouen passos com ara filtrar impureses i gasos interferents, assecar o tractar amb refrigeració i, finalment, convertir la informació de concentració de gas en senyals elèctrics mesurables. Actualment, hi ha diversos tipus de sensors de gas al mercat, com ara els de tipus semiconductor, els electroquímics, els de combustió catalítica, els sensors de gas infrarojos i els sensors de gas de fotoionització (PID), etc. Cadascun d'ells té les seves pròpies característiques i s'utilitza àmpliament en camps de proves civils, industrials i ambientals.
L'estabilitat i la sensibilitat són els dos indicadors principals per avaluar el rendiment dels sensors de gas. L'estabilitat es refereix a la persistència de la resposta bàsica d'un sensor durant tot el seu temps de funcionament, que depèn de la deriva del zero i la deriva de l'interval. Idealment, per a sensors d'alta qualitat en condicions de treball contínues, la deriva del zero anual hauria de ser inferior al 10%. La sensibilitat es refereix a la relació entre el canvi en la sortida del sensor i el canvi en l'entrada mesurada. La sensibilitat dels diferents tipus de sensors varia significativament, principalment depenent dels principis tècnics i la selecció de materials que adopten. A més, la selectivitat (és a dir, la sensibilitat creuada) i la resistència a la corrosió també són paràmetres importants per avaluar el rendiment dels sensors de gas. La primera determina la capacitat de reconeixement del sensor en un entorn de gasos mixtos, mentre que la segona està relacionada amb la tolerància del sensor en gasos objectiu d'alta concentració.
El desenvolupament actual de la tecnologia de sensors de gas presenta diverses tendències òbvies. En primer lloc, la investigació i el desenvolupament de nous materials i nous processos ha continuat aprofundint. Els materials semiconductors d'òxid metàl·lic tradicionals com ara ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, etc. han madurat. Els investigadors estan dopant, modificant i modificant la superfície dels materials sensibles als gasos existents mitjançant mètodes de modificació química, i millorant el procés de formació de pel·lícules alhora per millorar l'estabilitat i la selectivitat dels sensors. Mentrestant, també s'està avançant activament en el desenvolupament de nous materials com ara materials sensibles als gasos compostos i híbrids semiconductors i materials sensibles als gasos polimèrics. Aquests materials presenten una major sensibilitat, selectivitat i estabilitat a diferents gasos.
La intel·ligència dels sensors és una altra direcció de desenvolupament important. Amb l'aplicació reeixida de noves tecnologies de materials com la nanotecnologia i la tecnologia de pel·lícula fina, els sensors de gas s'estan tornant més integrats i intel·ligents. Aprofitant al màxim les tecnologies integrades multidisciplinàries com la tecnologia micromecànica i microelectrònica, la tecnologia informàtica, la tecnologia de processament de senyals, la tecnologia de sensors i la tecnologia de diagnòstic de fallades, els investigadors estan desenvolupant sensors de gas intel·ligents digitals totalment automàtics capaços de monitoritzar simultàniament múltiples gasos. Un sensor multivariable de tipus resistència química-potencial desenvolupat recentment pel grup de recerca del professor associat Yi Jianxin del Laboratori Estatal Clau de Ciències del Foc de la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina és un representant típic d'aquesta tendència. Aquest sensor realitza la detecció tridimensional i la identificació precisa de múltiples gasos i característiques del foc mitjançant un sol dispositiu 59.
L'optimització de matrius i algoritmes també reben una atenció creixent. A causa del problema de resposta d'ampli espectre d'un sol sensor de gas, és propens a interferències quan existeixen diversos gasos simultàniament. L'ús de diversos sensors de gas per formar una matriu s'ha convertit en una solució eficaç per millorar la capacitat de reconeixement. En augmentar les dimensions del gas detectat, la matriu de sensors pot obtenir més senyals, cosa que afavoreix l'avaluació de més paràmetres i la millora de la capacitat de judici i reconeixement. Tanmateix, a mesura que augmenta el nombre de sensors de la matriu, també augmenta la complexitat del processament de dades. Per tant, l'optimització de la matriu de sensors és particularment important. En l'optimització de matrius, s'adopten àmpliament mètodes com el coeficient de correlació i l'anàlisi de clústers, mentre que els algoritmes de reconeixement de gasos com l'anàlisi de components principals (PCA) i la xarxa neuronal artificial (ANN) han millorat considerablement la capacitat de reconeixement de patrons dels sensors.
Taula: Comparació del rendiment dels principals tipus de sensors de gas
Tipus de sensor, principi de funcionament, avantatges i desavantatges, vida útil típica
L'adsorció de gasos de tipus semiconductor té un baix cost en el canvi de la resistència dels semiconductors, una resposta ràpida, una baixa selectivitat i es veu molt afectada per la temperatura i la humitat durant 2-3 anys.
El gas electroquímic experimenta reaccions REDOX per generar corrent, que té bona selectivitat i alta sensibilitat. Tanmateix, l'electròlit té un desgast limitat i una vida útil d'1-2 anys (per a l'electròlit líquid).
La combustió de gas combustible de tipus catalític provoca canvis de temperatura. Està dissenyada específicament per a la detecció de gas combustible i només és aplicable a gas combustible durant aproximadament tres anys.
Els gasos infrarojos tenen una gran precisió en l'absorció de llum infraroja de longituds d'ona específiques, no causen intoxicació, però tenen un cost elevat i un volum relativament gran durant 5 a 10 anys.
La fotoionització ultraviolada (PID) per a la detecció de molècules de gas de COV té una alta sensibilitat i no pot distingir els tipus de compostos durant 3 a 5 anys.
Val a dir que, tot i que la tecnologia de sensors de gas ha fet progressos considerables, encara s'enfronta a alguns reptes comuns. La vida útil dels sensors restringeix la seva aplicació en certs camps. Per exemple, la vida útil dels sensors semiconductors és d'aproximadament 2 a 3 anys, la dels sensors de gas electroquímics és d'aproximadament 1 a 2 anys a causa de la pèrdua d'electròlits, mentre que la dels sensors electroquímics d'electròlits d'estat sòlid pot arribar als 5 anys. A més, els problemes de deriva (canvis en la resposta del sensor al llarg del temps) i els problemes de consistència (diferències de rendiment entre sensors del mateix lot) també són factors importants que restringeixen l'àmplia aplicació dels sensors de gas. En resposta a aquests problemes, els investigadors, d'una banda, es comprometen a millorar els materials sensibles als gasos i els processos de fabricació, i de l'altra, compensen o suprimeixen la influència de la deriva del sensor en els resultats de la mesura desenvolupant algoritmes avançats de processament de dades.
Els diversos escenaris d'aplicació dels sensors de gas
La tecnologia de sensors de gas ha impregnat tots els aspectes de la vida social. Els seus escenaris d'aplicació han transcendit fa temps l'àmbit tradicional de la monitorització de la seguretat industrial i s'estan expandint ràpidament a múltiples camps com la salut mèdica, la monitorització ambiental, la llar intel·ligent i la seguretat alimentària. Aquesta tendència d'aplicacions diversificades no només reflecteix les possibilitats que ofereix el progrés tecnològic, sinó que també encarna la creixent demanda social de detecció de gasos.
Seguretat industrial i monitorització de gasos perillosos
En l'àmbit de la seguretat industrial, els sensors de gas tenen un paper irreemplaçable, especialment en indústries d'alt risc com l'enginyeria química, el petroli i la mineria. El "14è Pla quinquennal per a la producció segura de productes químics perillosos" de la Xina exigeix clarament que els parcs industrials químics estableixin un sistema integral de monitorització i alerta primerenca per a gasos tòxics i nocius i promoguin la construcció de plataformes intel·ligents de control de riscos. El "Pla d'acció per a la seguretat laboral de l'Internet industrial més" també anima els parcs a desplegar sensors de l'Internet de les coses i plataformes d'anàlisi d'IA per aconseguir un monitoratge en temps real i una resposta coordinada a riscos com les fuites de gas. Aquestes orientacions polítiques han promogut enormement l'aplicació de sensors de gas en l'àmbit de la seguretat industrial.
Els sistemes moderns de monitorització de gasos industrials han desenvolupat una varietat de rutes tècniques. La tecnologia d'imatges de núvols de gas visualitza les fuites de gas presentant visualment les masses de gas com els canvis en els nivells de gris dels píxels a la imatge. La seva capacitat de detecció està relacionada amb factors com la concentració i el volum del gas filtrat, la diferència de temperatura de fons i la distància de monitorització. La tecnologia d'espectroscòpia infraroja per transformada de Fourier pot monitoritzar qualitativament i semiquantitativament més de 500 tipus de gasos, inclosos els inorgànics, orgànics, tòxics i nocius, i pot escanejar simultàniament 30 tipus de gasos. És adequada per als complexos requisits de monitorització de gasos en parcs industrials químics. Aquestes tecnologies avançades, quan es combinen amb sensors de gas tradicionals, formen una xarxa de monitorització de seguretat de gasos industrials multinivell.
A nivell d'implementació específica, els sistemes de monitorització de gasos industrials han de complir amb una sèrie de normes nacionals i internacionals. La "Norma de disseny per a la detecció i alarma de gasos inflamables i tòxics en la indústria petroquímica" GB 50493-2019 de la Xina i l'"Especificació tècnica general per a la monitorització de seguretat de fonts de perill importants de productes químics perillosos" AQ 3035-2010 proporcionen especificacions tècniques per a la monitorització de gasos industrials 26. A nivell internacional, l'OSHA (Administració de Seguretat i Salut en el Treball dels Estats Units) ha desenvolupat una sèrie de normes de detecció de gasos, que exigeixen la detecció de gasos abans d'operacions en espais confinats i garanteixen que la concentració de gasos nocius a l'aire estigui per sota del nivell segur de 610. Les normes de la NFPA (Associació Nacional de Protecció contra Incendis dels Estats Units), com ara la NFPA 72 i la NFPA 54, proposen requisits específics per a la detecció de gasos inflamables i gasos tòxics 610.
Salut mèdica i diagnòstic de malalties
El camp mèdic i de la salut s'està convertint en un dels mercats d'aplicació més prometedors per als sensors de gas. El gas exhalat del cos humà conté un gran nombre de biomarcadors relacionats amb afeccions de salut. Mitjançant la detecció d'aquests biomarcadors, es pot aconseguir una detecció precoç i un seguiment continu de les malalties. El dispositiu de detecció d'acetona respiratòria portàtil desenvolupat per l'equip del Dr. Wang Di del Centre de Recerca de Super Percepció del Laboratori de Zhejiang és un representant típic d'aquesta aplicació. Aquest dispositiu utilitza una ruta de tecnologia colorimètrica per mesurar el contingut d'acetona en l'alè exhalat humà detectant el canvi de color dels materials sensibles al gas, aconseguint així una detecció ràpida i indolora de la diabetis tipus 1.
Quan el nivell d'insulina al cos humà és baix, no pot convertir la glucosa en energia i, en canvi, descompondre el greix. Com a subproducte després de la descomposició del greix, l'acetona s'excreta del cos a través de la respiració. El Dr. Wang Di va explicar 1. En comparació amb les anàlisis de sang tradicionals, aquest mètode de prova d'alè ofereix una millor experiència diagnòstica i terapèutica. A més, l'equip està desenvolupant un sensor d'acetona en pegats de "lliurament diari". Aquest dispositiu portàtil de baix cost pot mesurar automàticament el gas acetona emès per la pell les 24 hores del dia. En el futur, quan es combina amb tecnologia d'intel·ligència artificial, podrà ajudar en el diagnòstic, el seguiment i l'orientació de la medicació de la diabetis.
A més de la diabetis, els sensors de gas també mostren un gran potencial en la gestió de malalties cròniques i el seguiment de malalties respiratòries. La corba de concentració de diòxid de carboni és una base important per jutjar l'estat de ventilació pulmonar dels pacients, mentre que les corbes de concentració de certs marcadors de gasos reflecteixen la tendència de desenvolupament de malalties cròniques. Tradicionalment, la interpretació d'aquestes dades requeria la participació del personal mèdic. Tanmateix, amb la potenciació de la tecnologia d'intel·ligència artificial, els sensors de gas intel·ligents no només poden detectar gasos i dibuixar corbes, sinó que també poden determinar el grau de desenvolupament de la malaltia, reduint considerablement la pressió sobre el personal mèdic.
En el camp dels dispositius portàtils per a la salut, l'aplicació de sensors de gas encara es troba en una fase inicial, però les perspectives són àmplies. Investigadors de Zhuhai Gree Electric Appliances van assenyalar que, tot i que els electrodomèstics són diferents dels dispositius mèdics amb funcions de diagnòstic de malalties, en el camp de la monitorització diària de la salut a la llar, les matrius de sensors de gas tenen avantatges com el baix cost, la no invasió i la miniaturització, cosa que fa que s'espera que apareguin cada cop més en electrodomèstics com ara aparells d'higiene bucal i lavabos intel·ligents com a solucions auxiliars de monitorització i monitorització en temps real. Amb la creixent demanda de salut a la llar, la monitorització de l'estat de salut humana a través d'electrodomèstics esdevindrà una direcció important per al desenvolupament de les llars intel·ligents.
Monitorització ambiental i prevenció i control de la contaminació
La monitorització ambiental és un dels camps on els sensors de gas s'apliquen més àmpliament. A mesura que l'èmfasi global en la protecció del medi ambient continua augmentant, la demanda de monitorització de diversos contaminants a l'atmosfera també creix dia a dia. Els sensors de gas poden detectar gasos nocius com el monòxid de carboni, el diòxid de sofre i l'ozó, proporcionant una eina eficaç per controlar la qualitat de l'aire ambiental.
El sensor de gas electroquímic UGT-E4 de la British Gas Shield Company és un producte representatiu en el camp de la monitorització ambiental. Pot mesurar amb precisió el contingut de contaminants a l'atmosfera i proporcionar suport de dades oportú i precís per als departaments de protecció ambiental. Aquest sensor, mitjançant la integració amb la tecnologia de la informació moderna, ha aconseguit funcions com ara la monitorització remota, la càrrega de dades i l'alarma intel·ligent, millorant significativament l'eficiència i la comoditat de la detecció de gasos. Els usuaris poden fer un seguiment dels canvis en la concentració de gas en qualsevol moment i en qualsevol lloc simplement a través dels seus telèfons mòbils o ordinadors, proporcionant una base científica per a la gestió ambiental i la formulació de polítiques.
Pel que fa al control de la qualitat de l'aire interior, els sensors de gas també tenen un paper important. La norma EN 45544 emesa pel Comitè Europeu d'Estandardització (EN) és específica per a proves de qualitat de l'aire interior i cobreix els requisits de prova per a diversos gasos nocius 610. Els sensors de diòxid de carboni, els sensors de formaldehid, etc. habituals al mercat s'utilitzen àmpliament en residències civils, edificis comercials i locals d'entreteniment públic, ajudant a les persones a crear un entorn interior més saludable i confortable. Especialment durant la pandèmia de la COVID-19, la ventilació interior i la qualitat de l'aire han rebut una atenció sense precedents, cosa que ha promogut encara més el desenvolupament i l'aplicació de tecnologies de sensors relacionades.
El monitoratge d'emissions de carboni és una direcció d'aplicació emergent dels sensors de gasos. En el context de la neutralitat del carboni global, el monitoratge precís dels gasos d'efecte hivernacle com el diòxid de carboni ha esdevingut particularment important. Els sensors de diòxid de carboni infraroig tenen avantatges únics en aquest camp a causa de la seva alta precisió, bona selectivitat i llarga vida útil. Les "Directrius per a la construcció de plataformes intel·ligents de control de riscos de seguretat en parcs industrials químics" a la Xina han inclòs el monitoratge de gasos combustibles/tòxics i l'anàlisi de rastreig de fonts de fuites com a continguts de construcció obligatoris, cosa que reflecteix l'èmfasi del nivell polític en el paper del monitoratge de gasos en el camp de la protecció del medi ambient.
Llar intel·ligent i seguretat alimentària
La llar intel·ligent és el mercat d'aplicacions de consum més prometedor per als sensors de gas. Actualment, els sensors de gas s'apliquen principalment en electrodomèstics com ara purificadors d'aire i aparells d'aire condicionat. Tanmateix, amb la introducció de matrius de sensors i algoritmes intel·ligents, s'està aprofitant gradualment el seu potencial d'aplicació en escenaris com la conservació, la cuina i la monitorització de la salut.
Pel que fa a la conservació d'aliments, els sensors de gas poden controlar les olors desagradables que alliberen els aliments durant l'emmagatzematge per determinar-ne la frescor. Els resultats d'investigacions recents mostren que, tant si s'utilitza un únic sensor per controlar la concentració d'olors com si s'adopta una matriu de sensors de gas combinada amb mètodes de reconeixement de patrons per determinar la frescor dels aliments, s'han aconseguit bons resultats. Tanmateix, a causa de la complexitat dels escenaris reals d'ús del refrigerador (com ara la interferència dels usuaris en obrir i tancar portes, engegar i aturar compressors i la circulació d'aire interna, etc.), així com la influència mútua de diversos gasos volàtils dels ingredients alimentaris, encara hi ha marge de millora en la precisió de la determinació de la frescor dels aliments.
Les aplicacions de cocció són un altre escenari important per als sensors de gas. Durant el procés de cocció es produeixen centenars de compostos gasosos, com ara partícules, alcans, compostos aromàtics, aldehids, cetones, alcohols, alquens i altres compostos orgànics volàtils. En un entorn tan complex, les matrius de sensors de gas mostren avantatges més evidents que els sensors individuals. Els estudis demostren que les matrius de sensors de gas es poden utilitzar per determinar l'estat de cocció dels aliments en funció del gust personal o com a eina auxiliar de control dietètic per informar regularment dels hàbits de cocció als usuaris. Tanmateix, els factors de l'entorn de cocció, com ara les altes temperatures, els fums de cocció i el vapor d'aigua, poden fer que el sensor s'"enverini", cosa que és un problema tècnic que cal resoldre.
En el camp de la seguretat alimentària, la recerca de l'equip de Wang Di ha demostrat el valor potencial d'aplicació dels sensors de gas. Ells tenen com a objectiu "identificar desenes de gasos simultàniament amb un petit connector de telèfon mòbil" i es comprometen a fer que la informació sobre seguretat alimentària estigui fàcilment disponible. Aquest dispositiu olfactiu de matriu altament integrat pot detectar components volàtils en els aliments, determinar la frescor i la seguretat dels aliments i proporcionar referències en temps real als consumidors.
Taula: Principals objectes de detecció i característiques tècniques dels sensors de gas en diversos camps d'aplicació
Camps d'aplicació, principals objectes de detecció, tipus de sensors més utilitzats, reptes tècnics, tendències de desenvolupament
Gas combustible de seguretat industrial, tipus de combustió catalítica de gasos tòxics, tipus electroquímic, tolerància a ambients durs, monitorització síncrona multigas, rastreig de fonts de fuites
Acetona mèdica i sanitària, CO₂, tipus semiconductor de COV, selectivitat i sensibilitat de tipus colorimètric, diagnòstic intel·ligent i portàtil
Desplegament de xarxes d'estabilitat a llarg termini i transmissió de dades en temps real per a la monitorització ambiental de contaminants atmosfèrics i gasos d'efecte hivernacle en formes infrarojes i electroquímiques
Gas volàtil per a aliments intel·ligents per a la llar, tipus semiconductor de fum de cuina, capacitat antiinterferències PID
Poseu-vos en contacte amb Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Lloc web de l'empresa:www.hondetechco.com
Telèfon: +86-15210548582
Data de publicació: 11 de juny de 2025