Критерии выбора газоанализатора могут быть различными. Но, так или иначе, необходимо избрать наиболее подходящий принцип измерения для задач мониторинга загазованности.
Сегодня используются следующие типы сенсоров:
- термокаталитический
- термокондуктивный
- полупроводниковый
- электрохимический
- гальванический
- инфракрасный (оптический)
- интерферометрический
- фотоионизационный (ФИД)
- пиролитический
- фотометрический
Термокаталитический сенсор
Наиболее часто встречающийся вид сенсора. Его принцип действия основан на подсчете количества тепла, которое выделяется при сгорании горючих газов или паров в катализаторе. Керамический принцип представляет собой разновидность термокаталитического. Однако, в нем задействован иной тип катализатора — мелкодисперсный (керамический).
В структуре датчика присутствуют два чувствительных элемента – рабочий и компенсационный. Первый представляет собой спираль, сделанную из какого-либо драгоценного металла (обычно это платина), и катализатор, чувствительный к горючим газам.
Когда в воздушной смеси, в которой наличествует горючий газ, происходит реакция с катализатором, то температура элемента растет. Тем самым, изменяется электрическое сопротивление спирали в почти линейной зависимости от концентрации газа.
Компенсирующий элемент, состоящий из платиновой спирали и стекла, не имеет чувствительности к горючим газам, его роль выражена в компенсации условий окружающей среды.
Преимущества термокаталического датчика: линейность выходной характеристики, быстрый отклик, устойчивость к перепадам температуры и влажности окружающей среды, а также долговечность.
Применение: измерение довзывоопасных концентраций (ДВК) горючих газов и паров в диапазоне от 0 до 100% НКПР.
Преимущества керамического датчика: линейность характеристики, более быстрый отклик, возможность измерения ПДК (в единицах млн-1), устойчивость к изменениям в окружающей среде.
Применение: измерение довзрывоопасных концентраций (ДВК) и предельно-допустимых концентраций (ПДК) горючих газов и паров.
Термокондуктивный
Основа принципа действия термокондуктивного датчика — это измерение разницы в теплопроводности. Архитектурно этот вид сенсора схож с термокаталитическим. Он также состоит из рабочего и компенсирующего элемента.
Сам компенсирующий элемент изолирован, а реакция с газом происходит на рабочем элементе. Когда на него попадает газ, происходит изменение в теплоотдаче (связано с теплопроводностью). Температура элемента повышается, что влечет за собой изменение сопротивления платиновой спирали.
Преимущества: линейная характеристика, стабильность показаний, долговечность, возможность измерения негорючих газов (аргона, азота и углекислого газа), а также возможность измерений в бескислородной среде.
Применение: измерение высоких концентраций горючих газов и паров.
Полупроводниковый
В этих датчиках задействован полупроводник с металлоксидным напылением. При контакте с целевым газом его сопротивление изменяется.
В составе датчиков этого типа присутствует нагревательная спираль и проводник, нанесенный на трубку из глинозема. По бокам трубки имеются контакты из драгоценного металла. Они измеряют сопротивление.
Когда датчик улавливает газ, он окисляется. В следствие этого уменьшается электрическое сопротивление, которое преобразуется в концентрацию.
Преимущества: чувствительность к сверхнизким концентрациям, которые сложно фиксировать другими типами датчиков, долговременная стабильность, устойчивость к отравлению, а также селективность.
Применение: измерение ПДК широкого спектра токсичных и горючих газов.
Электрохимический
Сенсоры этого типа в измерении используют процесс электролиза. В датчике задействованы три электрода: рабочий (газопроницаемая пленка с нанесенным катализатором из драгоценного металла), референсный и интегрирующий. Все они установлены в одном корпусе с электролитом, сделанном из пластика.
Постоянное напряжение между рабочим и референсным электродами обеспечивается потенциостатической цепью. Когда на рабочем и интегрирующем электродах происходит реакция, то образуется ток, пропорциональный концентрации газа, который анализируется.
Преимущества: линейный выходной сигнал, высокая точность и хорошая воспроизводимость результатов.
Применение: измерение ПДК токсичных веществ.
Гальванический
Датчик этого типа построен по принципу простого аккумулятора. Его составляющие – это катод, выполненный из драгоценного металла, анод (проволока), помещенные в электролит, и разделительная мембрана, которая крепится к внешней стороне катода.
Кислород, который поступает через разделительную мембрану, на катоде восстанавливается, а на аноде — окисляется. Электрический ток, возникающий при этом, создает напряжение, пропорциональное концентрации кислорода, и подается на выход.
Преимущества: простота, долговечность в сравнении с электрохимическим датчиком, не требует внешнего питания, линейная выходная характеристика, быстрый отклик и отсутствие зависимости от колебаний температуры/влажности.
Инфракрасный (оптический)
Как известно, многие газы способны поглощать инфракрасные лучи — у каждого из них имеется свой спектр поглощения. В составе оптического сенсора имеется источник ИК-света и датчик. Между ними установлены оптический фильтр и измерительная ячейка. Газ, который в нее поступает, поглощает определенное количество инфракрасного света. При этом, датчиком регистрируется снижение интенсивности поступившего ИК-света и на базе калибровочной кривой генерируется выходной сигнал.
Преимущества: быстрый отклик, повторяемость, стабильность при изменении окружающих условий, отсутствие эффектов старения и отравления.
Применение: измерение довзывоопасных концентраций (ДВК) горючих газов и паров в диапазоне от 0 до 100% НКПР, а также концентрации в диапазоне от 0 до 100% объема.
Интерферометрический
В работе этого вида сенсоров задействован принцип интерферометрии, при котором измеряется коэффициент рефракции газа.
Две функциональные составляющие сенсора – источник света и оптическая система зеркал, линз, призмы и светочувствительного датчика. Свет от источника разделяется плоскопараллельным зеркалом на два луча (А и В) и отражается призмой. Луч А движется по круговому маршруту через камеру D, наполненную измеряемым газом, а луч В – через камеру E с референсным газом. После этого лучи А и В встречаются в точке С зеркала и, проходя через систему зеркал и линз, формируют на светочувствительном датчике картину интерференции.
Данная картина сдвигается в пропорции к разнице в коэффициенте рефракции между измеряемым и референсным газами. Датчик измеряет сдвиг, чтобы измерить коэффициент рефракции, и преобразует его в концентрацию газа или количество тепла.
Преимущества: низкая погрешность измерений, долговременная стабильность, высокая линейность и быстрый отклик, отсутствие влияния изменений в температуре и давлении (за счет механизма коррекции).
Применение: измерение концентраций горючих газов, углекислого газа и элегаза, а также калорийности природного газа.
Фотоионизационный (ФИД)
Основной принцип работы этого вида сенсоров – ионизация контролируемого газа. Это происходит с помощью ультрафиолета. В результате такого взаимодействия возникает электрический ток.
Газ, попадая в ионизационную камеру, подвергается действию УФ излучения, в результате которого газ теряет электроны и начинает генерировать катионы (положительные ионы). Электроны и катионы притягиваются катодом и анодом. Возникает электрический ток, пропорциональный значению концентрации.
Для процесса ионизации требуются фотоны с энергией выше энергии анализируемого газа, поэтому в ФИД, как правило, используют УФ-лампы с энергией 10,6 эВ (изготовлены из фторида магния и наполнены криптоном) или 11,7 эВ (изготовлены из фторида лития и наполнены аргоном).
Преимущества: чувствительность к низким концентрациям, широкий спектр измеряемых веществ.
Применение: измерение крайне малых концентраций (на уровне ppm и ppb) летучих органических соединений.
Пиролитический
Принцип, по которому функционирует этот вид сенсоров, основан на пиролизе контролируемого газа, при котором образуется оксид, частицы которого измеряются датчиком.
Архитектурно сенсор включает в себя нагреватель и датчик частиц. По центру нагревателя проходит кварцевая трубка с нагревательным элементом. Датчик частиц имеет две камеры – рабочую и компенсационную.
Газ, который анализируется, реагирует на температуру и окисляется, попадая в рабочую камеру датчика частиц с источником α-частиц, с помощью которого происходит ионизация воздуха и возбуждается электрический ток.
Частицы газа, попавшие в камеру, начинают поглощать ионы, что приводит к снижению тока ионизации. Это снижение выходного сигнала пропорционально концентрации целевого газа. Компенсационная камера позволяет компенсировать колебания температуры, влажности и давления окружающей среды.
Преимущества: непревзойденная стабильность показаний (благодаря использованию источника америция-241 с периодом полураспада около 400 лет), быстрый отклик, линейность выходного сигнала и устойчивость к изменениям в окружающих условиях.