МЭМС нового поколения для обнаружения нескольких газов

Обнаружение газов является критически важной функцией, но технология не менялась десятилетиями. Итак, когда я услышал о совершенно новом типе датчика от NevadaNano (Sparks, NV), я решил взять интервью у Бена Роджерса, их технического директора.

Спектрометр молекулярных свойств

Они называют свой датчик, устройство на основе МЭМС, спектрометром молекулярных свойств™ (MPS™).

Датчик горючих газов MPS может обнаруживать и определять концентрации 12 наиболее распространенных горючих газов, включая водород; Датчик газа метана MPS предназначен для контроля утечек метана в нефтяной и газовой промышленности; датчик хладагента MPS обнаруживает легковоспламеняющиеся хладагенты с низким уровнем глобального потепления — все они основаны на одной и той же технологии. По словам Роджерса, их датчик гораздо более точен и надежен, чем традиционный датчик Pellistor (каталитический шариковый датчик) и недисперсионный инфракрасный датчик (NDIR). Большинство традиционных датчиков имеют покрытие, которое вызывает какую-то химическую реакцию. Проблема в том, что со временем сенсорные участки, обеспечивающие реакцию, могут быть разрушены. Однако MPS представляет собой инертную поверхность на основе кремния, которая не требует какой-либо химической реакции. Он нагревается, измеряет термодинамические свойства воздуха, а затем снова охлаждается, поэтому, по словам Роджерса, он может работать 10 и более лет без какой-либо калибровки.

Идентификация газа

MPS встроен в корпус размером около дюйма, как показано на рисунке 1. Испытываемый воздух входит через сетчатый экран в верхней части и попадает на подвешенную привязанную микроплиту, диаметр которой равен человеческому волосу. 100 микрон в поперечнике. Плитка может нагреваться до сотен градусов по Цельсию. Источником тепла является джоулев нагреватель, в котором электрический ток подается через резистивный элемент, как показано на вставке к рисунку 1. Ток входит в один из тросов, закручивается и выходит по этой дорожке. «Мы можем измерить сопротивление нагревательной плиты, которое дает нам ее температуру, а также мощность, необходимую для достижения этой температуры», — сказал Роджерс. Соотношение между температурой пластины и мощностью, необходимой для достижения этой температуры, зависит от теплопроводности воздуха. Когда в воздухе есть газы, его тепловые свойства меняются. Например, если в воздухе присутствует метан, а конфорка нагревается, поскольку метан более теплопроводен, чем воздух, для поддержания нужной температуры конфорки требуется больше энергии, чем в отсутствие метана.

Ключом к своим уникальным свойствам MPS является устройство MEMS, производимое аналогично кремниевым чипам:в литейном цехе; и поскольку это устройство MEMS, для его работы требуется очень мало энергии. «До сих пор не существовало датчика горючих газов, который мог бы определить класс обнаруживаемого вами газа. Когда мы делаем обнаружение, мы также предоставляем классификацию. Например, датчик сообщает о присутствующей концентрации и о том, что это водород, средний газ, такой как пентан, или смесь водорода», — сказал Роджерс. «Традиционные датчики газа никогда не имели возможности выполнять классификацию. Вот что делает нас такими точными:мы можем настроить калибровку для любого газа».

Концентрация

Важнейшей единицей концентрации является нижний предел взрываемости (НПВ), представляющий собой наименьшую концентрацию (в объемных процентах) газа в воздухе, которая способна вызвать вспышку огня в присутствии источника воспламенения. Поскольку пользователи хотят знать, насколько они близки к 50 % НПВ, важна возможность определить, какой газ присутствует, поскольку НПВ для каждого газа отличается.

На рис. 2 показаны графики доставленной концентрации в зависимости от сообщаемой концентрации. Это иллюстрирует одну из основных проблем с датчиками в этой области. Идеальный датчик сообщает вам именно то, что сообщается — он идет прямо посередине. Датчик, который завышает концентрацию, вызовет тревогу слишком рано, что приведет к дорогостоящему ложному срабатыванию. Неполная отчетность дает ложноотрицательный результат, что опасно. В идеале вы хотели бы, чтобы кривая была прямо посередине. Как видно на графике справа, точность датчика MPS для семи различных газов находится на приемлемом уровне.

Что делает MPS таким точным, так это то, что калибровка автоматически настраивается программным обеспечением датчика в режиме реального времени для любого присутствующего газа.

MPS и традиционные датчики газа

Датчик NDIR обычно откалиброван по метану, поэтому график доставленного и зарегистрированного метана представляет собой один к одному (рис. 3, слева). Но для всех этих других газов, с которыми вы обычно сталкиваетесь в этих приложениях, он будет сильно завышен — он будет слишком высоким. И он также склонен к ложным срабатываниям, когда влажность или температура меняются относительно быстро. Важно отметить, что он вообще не видит водород, который становится все более важным газом во всем мире для многих приложений.

Каталитическая бусина (кошачья бусина) — это еще один датчик в этом пространстве (рис. 3, справа). Когда вы откалибруете его на метан, это правильно для метана, но если вы столкнетесь с каким-либо из этих других газов, которые типичны для этих применений, показания будут низкими. Кроме того, со временем кошачья бусина, основанная на каталитической реакции, легко отравляется. Если кто-то находится в той же комнате, что и этот датчик, с кремом для рук, этого достаточно, чтобы отравить его и он больше не работает.

Или, если вы пожарный и в тот день натираете грузовик воском, все датчики в вашем здании могут быть отравлены. Таким образом, он требует частого и дорогостоящего обслуживания — вы должны проверять его на регулярной основе — некоторые места проверяют их каждый день или каждый месяц, чтобы они не были отравлены.

«Как показано на рисунке 2, наш датчик также следует по траектории прямо посередине с точки зрения доставленной концентрации по сравнению с зарегистрированной. Мы очень точны для всех этих газов, даже несмотря на то, что MPS откалиброван только на метан на заводе. Но из-за того, как мы изучаем воздух, мы действительно можем определить, какой газ присутствует, что беспрецедентно», — сказал Роджерс.

Алгоритмы

«Мы хороши в двух вещах, — сказал Роджерс. «Один из них создает датчик нагревательной пластины, на разработку которого ушли годы. Во-вторых, научиться разговаривать с этой плитой. Базовое устройство довольно простое — всего лишь нагретый резистор и датчик температуры. То, как эта информация используется, является ключом к функционированию датчика. Данные, поступающие от нагревательной плиты, а также данные, поступающие от датчика окружающей среды, который измеряет температуру, давление и влажность, используются для получения показаний. «Каждые две секунды мы берем данные с плиты, мы берем данные с датчика окружающей среды и запускаем кучу алгоритмов, на разработку которых у нас ушло 15 лет, и получаем:«это этот газ, это эта концентрация» и в этом вся хитрость», — сказал Роджерс.

Использование тех же данных, но изменение алгоритмов позволило NevadaNano разработать десятки продуктов, основанных на изменениях программного обеспечения. Например, есть новое поколение хладагентов, которые снижают глобальное потепление. Но многие из этих новых хладагентов, используемых в кондиционерах, холодильниках и т. д., легко воспламеняются. Следовательно, все бытовые кондиционеры потребуют датчиков воспламеняемости для предотвращения небезопасного состояния. Основываясь на термодинамических свойствах этих молекул хладагента, компания NevadaNano смогла создать продукт, уникально подходящий для этого конкретного вида газа или нескольких, просто внеся изменения в программное обеспечение. Итак, примерно через месяц у них появился новый альфа-продукт, и они начали выводить его и показывать людям.

Калибровка

Я спросил Роджерса, нужно ли им калибровать каждый датчик для определенного газа. Он ответил, что это зависит от того, какой газ нужно обнаружить. Для стандартных горючих газов они используют метан в качестве калибровочного газа на заводе. «После того, как мы показали датчику метан, нам не нужно калибровать его по водороду, бутану, пропану — он интуитивно определяет и все остальные газы». Так, например, им не обязательно использовать водород на заводе для калибровки датчика, специфичного для водорода.

Приложения

Затем я спросил Роджерса о типичных приложениях. «Мы просто датчик — мы то маленькое устройство в форме ведра, которое подключается к детекторной системе. Например, если бы вы сегодня пришли на нефтеперерабатывающий завод и осмотрели стены, вы бы увидели много десятков устройств, похожих на счетчики электроэнергии». К ним подключено несколько датчиков, вероятно, в том числе датчик сероводорода, датчик кислорода, датчик угарного газа и датчик горючих газов, например MPS.

Пожарные и другие лица, оказывающие первую помощь, вбегающие в здание, обычно носят так называемый датчик с четырьмя датчиками газа — небольшое устройство размером с мобильный телефон, которое сидит на плече и имеет четыре датчика газа, включая MPS.

Подводя итоги

По словам Роджерса, MPS является самой инновационной технологией обнаружения газа за более чем 30 лет. Он преодолевает недостатки существующих технологий; он стабилен в широком диапазоне рабочих температур, в том числе при быстрых изменениях температуры и влажности; это точно для списка обычных легковоспламеняющихся газов (включая водород). Кроме того, MPS можно использовать в средах с несколькими или неизвестными газами, он является искробезопасным, надежным и невосприимчивым к отравлению.

Эта статья была написана Эдом Брауном, редактором Sensor Technology. Для получения дополнительной информации посетите здесь .