Các nhà sinh vật học cho rằng mũi người có thể phân biệt được khoảng 10.000 mùi. Mũi của chó có thể phân biệt khoảng 2 triệu mùi khác nhau và nó cũng có “khả năng phân tích” cao. Một mùi cụ thể có thể được tìm thấy từ nhiều mùi hỗn hợp. Mặc dù vậy, trong tự nhiên vẫn tồn tại nhiều chất khí không màu, không mùi mà cả con người và động vật đều không thể ngửi thấy. Do đó, chúng ta cần sử dụng cảm biến khí để đo nồng độ của các loại khí khác nhau.
Cảm biến khí phát hiện một loại khí cụ thể và đo liệu khí đó có ở gần cảm biến hay không hoặc hàm lượng của nó trong không khí. Vì vậy, cảm biến khí gas thường không thể thiếu trong hệ thống an toàn. Cảm biến khí có nhiều loại khác nhau và có thể đo các loại khí khác nhau. Có các cảm biến đo các khí không độc hại như oxy và carbon dioxide, và các cảm biến phát hiện các khí độc hại như carbon monoxide, TVOC và amoniac. Cảm biến khí thường được sử dụng ở những nơi dễ cháy, nổ và độc hại để bảo vệ người lao động.
Định nghĩa
Cảm biến khí Gas là một thiết bị quan trọng được sử dụng để đo lường và giám sát khí trong môi trường dựa trên các nguyên tắc cảm biến khác nhau và sử dụng các thiết bị điện tử. Các phương pháp phát hiện khác nhau này bao gồm hấp thụ, dẫn điện, quang phổ hoặc cơ khí để xác định sự có mặt của khí trong không khí. Với mỗi phương pháp, cảm biến có khả năng chuyển đổi tín hiệu từ khí đã phát hiện thành các giá trị đo lường có thể được hiển thị trên các thiết bị điện tử hoặc máy tính. Nói cách khác, cảm biến khí Gas là một công cụ quan trọng trong việc giám sát và kiểm soát môi trường. Nó cho phép chúng ta xác định các thành phần và nồng độ của khí trong không khí, giúp chúng ta nắm bắt thông tin quan trọng về chất lượng không khí và đưa ra các biện pháp phòng ngừa và kiểm soát thích hợp.
Nguyên lý hoạt động
Khả năng phát hiện khí của cảm biến Gas phụ thuộc vào chemiresister (điện trở hóa trị) để dẫn dòng điện. Chemiresistor được sử dụng phổ biến nhất là Thiếc Dioxit (SnO2), là một chất bán dẫn loại N có các điện tử tự do (còn được gọi là chất cho). Thông thường trong không khí chứa nhiều oxy hơn các khí dễ cháy. Các phần tử oxy sẽ thu hút các điện tử tự do có trong SnO2 và đẩy chúng lên bề mặt của SnO2. Vì không có electron tự do nên dòng điện đầu ra sẽ bằng không. Ảnh GIF dưới đây cho thấy các phân tử oxy (màu xanh lam) thu hút các điện tử tự do (màu đen) bên trong SnO2 và ngăn không cho nó có các điện tử tự do để dẫn dòng điện.
Khi đặt cảm biến trong môi trường khí độc hoặc dễ cháy, khí khử này (màu da cam) phản ứng với các phần tử oxy bị hấp phụ và phá vỡ liên kết hóa học giữa oxy và các điện tử tự do, do đó giải phóng các điện tử tự do . Khi các điện tử tự do trở lại vị trí ban đầu, chúng có thể dẫn dòng điện, sự dẫn điện này sẽ tỷ lệ thuận với số lượng điện tử tự do có sẵn trong SnO2, nếu khí có độc tính cao thì sẽ có nhiều điện tử tự do hơn.
Ứng dụng
Cảm biến khí không chỉ được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp mà còn có ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Dưới đây là một số lĩnh vực chính mà gas detector được áp dụng.
Trong ngành công nghiệp
Trong ngành công nghiệp, cảm biến khí đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho người lao động. Tại các nhà máy sản xuất hóa chất, khí đốt hay dầu mỏ, việc phát hiện khí độc kịp thời có thể giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động. Những thiết bị này thường được lắp đặt ở các vị trí dễ xảy ra sự cố, giúp nhân viên làm việc an toàn hơn.
Trong hộ gia đình
Cảm biến khí cũng đang trở nên phổ biến hơn trong các hộ gia đình. Các thiết bị phát hiện carbon monoxide và khí gas tự nhiên được lắp đặt trong nhà bếp và gần các thiết bị đun nấu. Việc lắp đặt gas detector giúp gia đình bạn có thể ngủ ngon hơn, yên tâm hơn trước những nguy cơ tiềm ẩn.
Trong các phương tiện giao thông
Một số loại xe hơi hiện đại cũng được trang bị cảm biến khí để phát hiện khí độc trong cabin. Khi nồng độ khí độc vượt quá ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ cảnh báo tài xế và tự động điều chỉnh hệ thống thông gió để bảo vệ sự an toàn cho hành khách.
Giám sát khí CO và NO2
Khí CO (carbon monoxide) là khí không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí một chút, được phát ra từ động cơ sử dụng xăng. Tác động của khí CO tới sức khoẻ con người có thể gây nhức đầu, chóng mặt, suy nhược, đau bụng và nôn mửa, thậm chí gây lú lẫn và dẫn tới tử vong khi hít quá nhiều.
Khí NO2 (nitơ dioxide) được thải ra từ những động cơ sử dụng dầu diesel, nặng hơn không khí và làm nặng hơn các bệnh về đường hô hấp, đặc biệt là hen suyễn. Thiết bị cảm biến giám sát khí CO và NO2 có tác dụng là giám sát khí CO và NO2 thải ra từ các bãi đỗ xe indoor, nhà để xe nhiều tầng, gara, các nơi xe chở hàng đỗ và bốc dỡ hàng...để đảm bảo an toàn cho con người và tiết kiệm hiệu suất năng lượng bằng cách chỉ kích hoạt điều khiển quạt khi cần.
Thiết bị giám sát khí CO và NO2 của Belimo được thiết kế để phát hiện 2 loại khí này trong các bãi đậu xe nhiều tầng, cơ sở bảo dưỡng đô thị, bến xe, đại lý ô tô, bến bốc hàng, nhà kho và bất kỳ vị trí nào khác yêu cầu giám sát khí thải từ xe.
Thiết bị giám sát khí CO và NO2 Belimo cung cấp đầu ra rơle hoặc đầu ra tương tự với đèn LED có thể lập trình, báo động âm thanh và đèn nhấp nháy để điều khiển quạt và van điều tiết. Một mạng lưới kết nối CAN-bus đồng cấp và BACnet MS/TP* cung cấp các lợi ích lắp đặt và đi dây giảm.
Các mô-đun cảm biến có thể thay thế tại chỗ giúp giảm thiểu nỗ lực bảo trì dịch vụ. Ưu điểm của thiết bị cảm biến giám sát khí CO và NO2 của Belimo:
- Giải pháp độc lập với tích hợp liền mạch
- Mô-đun cảm biến khí kép
- Dễ dàng thay thế mô-đun cảm biến
- Báo động âm thanh và đèn nhấp nháy có thể điều chỉnh
Formaldehyde
Formaldehyde là chất gây ô nhiễm không khí thường thấy ở môi trường trong nhà. Những vật dụng gia đình như giấy dán tường, sản phẩm gỗ ép, sơn và khói thuốc lá đều phát ra nó. Tiếp xúc với formaldehyde ở nồng độ cao có thể dẫn đến kích ứng đường hô hấp, đau đầu, một số triệu chứng về hô hấp và tăng nguy cơ mắc một số bệnh ung thư. Các cảm biến chất lượng không khí trong nhà hiện tại thiếu độ nhạy để phát hiện formaldehyde ở mức thấp như vậy. Đây là điều mà nhóm nhà nghiên cứu tập trung vào.
Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật in 3D để phát triển cảm biến làm từ aerogel, còn được gọi là khói đông lạnh. Loại cảm biến này có thể phát hiện hàm lượng formaldehyde cực thấp trong không khí trong nhà mà nhóm nhà nghiên cứu đã thử nghiệm. Thông qua in 3D, nhóm nhà nghiên cứu tạo ra aerogel, cho phép kiểm soát chính xác thiết kế cảm biến. Điều này cũng giúp nâng cao hiệu suất khi phát hiện formaldehyde và các loại khí khác ở nồng độ thấp. Để làm được điều này, nhóm nhà nghiên cứu chọn thiếc dioxide (SnO2 ) - một vật liệu bán dẫn có đặc tính cảm biến tuyệt vời (đặc biệt là formaldehyde)-cho phép phát hiện ngay cả ở nồng độ thấp.
