Революционный MEMS мультигазовый датчик: точный детект 12 горючих газов

Детектирование газов — критически важная функция, но технология не менялась десятилетиями. Поэтому, когда я услышал о принципиально новом типе датчика от компании NevadaNano (Спаркс, штат Невада), я решил интервьюировать Бена Роджерса, их директора по инженерии.

Спектрометр молекулярных свойств

Их датчик, MEMS-устройство, назван Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

Датчик горючих газов MPS может детектировать и идентифицировать концентрации 12 самых распространенных горючих газов, включая водород; датчик метана MPS предназначен для мониторинга утечек метана в нефтегазовой отрасли; датчик хладагентов MPS обнаруживает слабогорючие хладагенты с низким потенциалом глобального потепления — все на одной технологии. По словам Роджерса, их датчик намного точнее и надежнее традиционных пеллисторов (каталитических бусин) и недисперсионных инфракрасных датчиков (NDIR). Большинство традиционных датчиков имеют покрытие, инициирующее химическую реакцию. Проблема в том, что со временем чувствительные участки, обеспечивающие реакцию, могут быть разрушены. MPS же имеет инертную кремниевую поверхность, не требующую химической реакции. Он нагревается, измеряет термодинамические свойства воздуха и снова остывает, поэтому может служить 10 лет и более без калибровки, по словам Роджерса.

Идентификация газа

MPS собран в корпусе размером около дюйма, как показано на рисунке 1. Воздух для теста входит через сетчатый экран сверху и попадает на подвешенную, закрепленную микро-горячую пластину, диаметром с человеческий волосок — 100 микрон. Горячая пластина может нагреваться до сотен градусов Цельсия. Источник тепла — джоулевский нагреватель, в который электрический ток подается через резистивный элемент, как показано на вставке рисунка 1. Ток входит по одной из закрепляющих ножек, вихрется и выходит по другой дорожке. «Мы можем измерить сопротивление горячей пластины, что дает нам её температуру и мощность, необходимую для достижения этой температуры», — сказал Роджерс. Соотношение между температурой пластины и мощностью, необходимой для её достижения, является функцией теплопроводности воздуха. Когда в воздухе присутствуют газы, его тепловые свойства меняются. Например, если в воздухе есть метан и горячая пластина нагревается, так как метан теплопроводнее воздуха, для поддержания нужной температуры пластины требуется больше мощности, чем когда метана нет.

Ключ к уникальным свойствам — MPS является MEMS-устройством, производимым аналогично кремниевым чипам: на фабрике; и поскольку это MEMS-устройство, ему требуется очень мало энергии для работы. «Никогда раньше не было датчика горючих газов, который мог бы сказать класс детектируемого газа. Когда мы делаем детекцию, мы также предоставляем классификацию. Например, датчик сообщает присутствующую концентрацию и что это водород, или средний газ вроде пентана, или смесь водорода», — сказал Роджерс. «Традиционные газовые датчики никогда не имели возможности классификации. Именно это делает нас такими точными: потому что мы можем адаптировать нашу калибровку под любой присутствующий газ».

Концентрация

Единица концентрации, которая имеет значение — Нижний Предел Взрывоопасности (LEL), это наименьшая концентрация (в процентах объема) газа в воздухе, способная дать вспышку пламени при наличии источника зажигания. Поскольку пользователи хотят знать, насколько близки они к 50% LEL, способность идентифицировать, какой газ присутствует, важна, потому что LEL для каждого газа разный.

Рисунок 2 показывает графики поданной концентрации против сообщенной. Он иллюстрирует одну из главных проблем датчиков в этой области. Идеальный датчик показывает точное значение — идет прямо по середине. Датчик, завышающий концентрацию, сработает слишком рано, давая дорогую ложную тревогу. Завышение дает ложную отрицательную величину, что опасно. Идеально хотелось бы, чтобы кривая шла прямо по середине. Как видно на правом графике, точность датчика MPS попадает в точку для семи разных газов.

То, что делает MPS таким точным, — калибровка автоматически корректируется в реальном времени программным обеспечением датчика для любого присутствующего газа.

MPS против традиционных газовых датчиков

NDIR-датчик обычно калибруется на метан, поэтому график поданое/сообщенное для метана один к одному (рисунок 3, слева). Но для всех остальных газов, типичных для этих приложений, он сильно завышает — показывает завышенные значения. Он также склонен к ложным срабатываниям при быстрых изменениях влажности или температуры. Важно, он вообще не видит водород, который становится всё более важным газовом во всем мире для множества приложений.

Каталитическая бусина (cat bead) — другой датчик в этой сфере (рисунок 3, справа). При калибровке на метан он точен для метана, но если встречаются другие типичные газы, он занижает показания. Кроме того, со временем cat bead, основанный на каталитической реакции, легко отравляется. Если кто-то просто в той же комнате, что и датчик, с кремом для рук, этого достаточно, чтобы отравить его, и он перестанет работать.

Или если вы пожарный и востили грузовик в тот день, все датчики в вашем здании могут быть отравлены. Поэтому требуется частая и дорогая обслуживание — нужно проверять их регулярно — некоторые места проверяют их каждый день или каждый месяц, чтобы предотвратить отравление.

«Как показано на рисунке 2, наш датчик также идет по траектории прямо по середине в терминах поданной против сообщенной концентрации. Мы высокоточны для всех этих газов, хотя MPS калибруется на заводе только на метан. Но благодаря тому, как мы опрашиваем воздух, мы действительно можем определить, какой газ присутствует, что беспрецедентно», — сказал Роджерс.

Алгоритмы

«Мы хороши в двух вещах», — сказал Роджерс. «Одно — построение датчика на горячей пластине, что заняло годы разработки. И два — обучение тому, как общаться с этой горячей пластиной». Базовое устройство довольно просто — просто нагревательный резистор и измерение температуры. Как эта информация используется — ключ к работе датчика. Данные с горячей пластины вместе с данными от экологического датчика, измеряющего температуру, давление и влажность, используются для получения показаний. «Каждые две секунды мы берем данные с горячей пластины, берем данные с экологического датчика и прогоняем кучу алгоритмов, разработку которых заняло 15 лет, и на выходе получаем: "этот газ, эта концентрация", и это и есть секрет», — сказал Роджерс.

Использование тех же данных, но с изменением алгоритмов, позволило NevadaNano разработать десятки продуктов на основе программных изменений. Например, есть новое поколение хладагентов с низким потенциалом глобального потепления. Но многие из этих новых хладагентов, используемых в кондиционерах и холодильниках, горючи. Поэтому все бытовые кондиционеры потребуют датчиков горючести для предотвращения небезопасных условий. Основываясь на термодинамических свойствах молекул этих хладагентов, NevadaNano смогли за около месяца выпустить новый альфа-продукт уникально приспособленный к конкретному виду газа или нескольким, просто изменив ПО.

Калибровка

Я спросил Роджерса, нужно ли калибровать каждый датчик для конкретного газа. Он ответил, что это зависит от того, какой газ нужно детектировать. Для стандартных горючих газов они используют метан как калибровочный газ на заводе. «Как только мы показали датчику метан, нам не нужно затем калибровать его на водород, бутан, пропан — он интуитивно чувствует все остальные газы». Так, например, им не обязательно использовать водород на заводе для калибровки водородно-специфического датчика.

Применения

Затем я спросил Роджерса о типичных приложениях. «Мы просто датчик — то маленькое ведрообразное устройство, которое вставляется в детекторную систему. Например, если вы пойдете на нефтеперерабатывающий завод сегодня и осмотрите стены, вы увидите многие десятки устройств, похожих на счетчики электроэнергии». В них вставлено множество датчиков, вероятно, включая датчик сероводорода, кислородный датчик, датчик угарного газа и датчик горючих газов, такой как MPS.

Пожарные и другие первые реагенты, вбегающие в здание, обычно носят так называемый четырехгазовый датчик — небольшое устройство размером с мобильный телефон, которое сидит на плече и имеет четыре газовых датчика, включая MPS.

Подведение итогов

По словам Роджерса, MPS — самая инновационная технология детектирования газов за последние 30 лет. Она преодолевает недостатки существующих технологий; стабильна в широких рабочих диапазонах, включая быстрые изменения температуры и влажности; точна для списка распространенных горючих газов (включая водород). Кроме того, MPS можно использовать в средах с множественными или неизвестными газами и является внутренне безопасной, надежной и устойчивой к отравлению.

Статью написал Эд Браун, редактор Sensor Technology. Для получения дополнительной информации посетите сайт .