气体传感是一项关键功能,但这项技术几十年来都没有改变。所以,当我听说内华达诺市(Sparks, NV)有一种全新的传感器时,我决定采访本·罗杰斯,他们的工程总监。

分子性质谱仪

他们称他们的传感器是一种基于MEMS的设备,即分子特性光谱仪TM(MPS™)。

MPS可燃气体传感器可以检测和识别12种最常见的可燃气体的浓度,包括氢气;MPS甲烷气体传感器用于监测石油和天然气行业的甲烷泄漏;MPS制冷剂气体传感器检测轻度可燃低全球变暖制冷剂-所有基于相同的技术。罗杰斯说,他们的传感器比传统的催化珠传感器和非色散红外传感器(NDIR)更准确和可靠。大多数传统传感器都有一层可以激发某种化学反应的涂层。问题是,随着时间的推移,使反应发生的传感部位可能会被破坏。然而MPS是一种惰性的硅基表面,不需要任何化学反应。罗杰斯说,它会加热,测量空气的热力学性质,然后再次冷却,所以它可以在没有任何校准的情况下持续10年或更长时间。

识别天然气

MPS内置于大约一英寸大小的封装中,如图1所示。要测试的空气通过顶部的网状筛网进入并撞击悬浮的束缚微型热板,其直径与人的头发相同 -100微米。热板可以加热到数百摄氏度。热源是joule加热器,其中电流通过电阻元件进料,如图1的插图所示。电流进入其中一个系绳,周围旋转并在该迹线上出来。“我们可以测量热板的电阻,这使我们提供了它的温度,并且达到该温度的功率,”罗杰斯说。板的温度与达到该温度所需的功率之间的关系是空气导热率的函数。当空气有气体时,其热性能发生变化。例如,如果在空气中存在甲烷并且加热热板,因为甲烷比空气更热导电,因此在不存在甲烷时保持热板需要更多的功率以使其在正确的温度下。

MPS独特性能的关键在于,它是一种MEMS器件,类似于硅芯片:在铸造厂生产;而且因为它是MEMS设备,所以运行时只需要很少的能量。“以前从来没有一种可燃传感器可以告诉你所检测的气体的类别。当我们进行检测时,我们还提供了一个分类。例如,传感器报告当前的浓度,它是氢,或中等气体,如戊烷,或氢混合物,”罗杰斯说。“传统的气体传感器从来没有进行分类的能力。这就是我们如此精确的原因:因为我们可以根据那里的任何气体调整我们的校准。”

浓度

重要的浓度单位是低爆炸极限(LEL),它是在有火源存在的情况下,空气中能够产生闪光的气体的最低浓度(按体积百分比计算)。由于用户想知道他们离LEL的50%有多近,因此识别出哪一种气体的LEL是很重要的,因为每种气体的LEL是不同的。

图2.(由Nevadanano提供)

图2显示了交付浓度与报告浓度之间的关系图。它说明了传感器在这个领域的一个主要问题。一个完美的传感器能准确地告诉你报告的内容——它正好在中间。过高报告浓度的传感器会过早触发警报,造成代价高昂的误报。漏报会造成假阴性,这是危险的。理想情况下,你会希望曲线正好在中间。从右边的图中可以看出,MPS传感器对七种不同气体的准确性是正确的。

MPS之所以如此精确,是因为无论存在何种气体,传感器软件都会自动实时调整校准。

MPS与传统气体传感器

图3。(由NevadaNano)

NDIR传感器通常校准为甲烷,因此甲烷报道的递送的Vs图是一至一(图3,左)。但对于您通常在这些应用程序中遇到的所有这些其他气体,它将远过报告 - 它将读取高位。当湿度或温度相对速度变化时,它也容易出现误报。重要的是,它根本没有看到氢,这在世界上正在成为世界各地的越来越重要的气体。

催化珠(猫珠)是这个空间中的另一个传感器(图3,右)。当你将其校准为甲烷时,它对甲烷是正确的,但如果你遇到这些典型应用中的其他气体,它的读数会很低。此外,随着时间的推移,依赖催化反应的猫珠很容易中毒。如果有人和这个传感器在同一个房间,涂了护手霜,这就足以毒害它,让它不再工作。

或者如果你是一名消防员,那天你给卡车打蜡,你大楼里的所有传感器可能都中毒了。因此,它需要频繁和昂贵的维修-你必须定期检查-有些地方每天或每个月检查,以防止它们中毒。

“如图2所示,我们的传感器还遵循中间的轨迹,就递送而非报告的浓度。对于所有这些气体来说,我们非常准确,即使MPS只有工厂校准到甲烷。但由于我们如何询问空气,我们实际上能够确定哪些天然气存在,这是前所未有的,“罗杰斯说。

算法

“我们擅长两件事,”罗杰斯说。“其中之一是制造热板传感器,这需要多年的开发。第二,学会怎么跟电炉说话。”基本的装置非常简单——只有一个加热电阻和一个温度测量器。如何使用这些信息是传感器发挥作用的关键。来自热板的数据以及来自测量温度、压力和湿度的环境传感器的数据用于获取读数。罗杰斯说:“每两秒钟我们就从热板上获取数据,从环境传感器中获取数据,然后运行一系列算法,这些算法花了我们15年的时间来开发,最终得出结论:‘就是这种气体,就是这种浓度,’这就是关键所在。”

采用相同的数据但更改算法已启用Nevadanano以开发基于软件更改的数十种产品。例如,有一种新的制冷剂,这是全球变暖的新制冷剂。但是许多在空调单元和冰箱等中使用的新制冷剂是易燃的。因此,所有住宅空调将需要可燃性传感器以防止不安全的条件。基于那些制冷剂分子的热力学性质,Nevadanano能够提出一种独特地适合那种特定的气体或多个物种的产品,只是通过进行软件改变。所以,在大约一个月内,他们有一个新的alpha产品,并开始将它取出并向人们展示。

校准

我问罗杰斯他们是否需要为一种特定的气体校准每个传感器。他回答说,这取决于需要检测哪种气体。对于标准可燃气体,工厂使用甲烷作为标定气体。“一旦我们向传感器展示了甲烷,我们就不必再将其校准为氢气、丁烷、丙烷——它也可以直观地感知其他所有气体。”例如,他们不必在工厂使用氢来校准特定的氢传感器。

应用程序

然后我问罗杰斯典型的应用。“我们只是一个传感器——我们是一个小桶状的设备,可以插到探测系统中。例如,如果你今天去一家精炼厂,环顾四周的墙壁,你会看到许多类似电表的设备。”它们有多个传感器,可能包括一个硫化氢传感器,一个氧气传感器,一个一氧化碳传感器,和一个易燃气体传感器,如MPS。

消防员和其他冲进大楼的急救人员通常会佩戴一种叫做“四气传感器”的东西——一种手机大小的装置,放在他们的肩膀上,里面有四个气体传感器,其中包括一个MPS。

总结它

罗杰斯表示,MPS是30多年来最具创新性的气体检测技术。它克服了现有技术的缺点;它在广泛的操作范围内是稳定的,包括快速的温度和湿度变化;它准确地列出了常见的可燃气体(包括氢气)。此外,MPS可以用于存在多种或未知气体的环境中,本质上是安全的,坚固的,并对中毒免疫。

本文由《传感器技术》编辑Ed Brown撰写。欲了解更多信息,请访问这里


传感器技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年6月号传感器技术杂志。

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