Перевести дыхание: датчики Winsen для контроля качества воздуха
7 сентября 2017
Высококачественные и разнообразные газовые датчики и газоанализаторы компании Winsen предназначены для контроля качества воздуха в помещениях, наличия СО2, аммиака, сероводорода, влажности воздуха. Они применяются в сельском хозяйстве, используются в различных отраслях промышленности, в том числе и в автомобильной.
Помню день переезда в новый офис. Неповторимый запах свежего ремонта, чистые, без единого пятнышка, стены, пол и потолок. Новый стол, еще не заваленный рабочими бумажками, расположенный так, как мне хочется – возле большого окна, из которого видно половину города.
Однако очень скоро что-то пошло не так. Когда в очередной раз ухудшилось самочувствие, стало понятно, что в офисе проблемы с вентиляцией. Пришлось работать с открытой форточкой и зимой, и летом, а также отодвинуть стол от окна. Тогда очень не хватало какого-нибудь устройства, способного проверять качество воздуха в помещении и хотя бы «пищать» о том, что все плохо.
К сожалению, в 2003 году приобрести подобные приборы было непросто. Возможно, именно поэтому в то время была основана компания Winsen, нацеленная на перспективный рынок анализаторов качества воздуха.
Сегодня компания Zhengzhou Winsen Electronics Technology Corp., Ltd уверенно занимает лидирующие позиции на рынке газоанализаторов. Секретом успеха являются многолетние исследования, богатый опыт производства, а также активное использование собственных передовых технологий. Основу команды Winsen составляют 50 талантливых инженеров, которые на основе восьми типов технологий, защищенных 80 патентами, разработали газоанализаторы для всех сфер практического применения. На 15 производственных линиях, расположенных в здании общей площадью 30 000 м2 выпускается около 400 видов приборов, предназначенных для измерения концентрации различных газов. Ежегодно компания продает около 15 млн устройств, 70% из них – на внутреннем рынке Китая. На сегодняшний день бренд Winsen заслуженно является одной из самых известных торговых марок.
Области применения газоанализаторов
Самая востребованная область применения газоанализаторов – контроль качества воздуха в помещениях, где живут и работают люди (под словом «работают» подразумевается деятельность, не сопряженная с потенциально опасными технологическими процессами). Под эту категорию попадают жилые дома, торговые центры, супермаркеты, гостиницы, офисные здания, автостоянки, кинотеатры, тренажерные залы, библиотеки. В данном случае необходимость контроля качества воздуха обусловлена наличием внешних и внутренних загрязнителей, в том числе и неисправностями системы кондиционирования, а также плохим состоянием городской среды мегаполисов. Согласно современным санитарным нормам, в число контролируемых параметров могут входить температура, влажность, концентрация углекислого газа (СО2), озона (О3), летучих органических веществ (ЛОВ) (Volatile Organic Compounds, VOC): углеводородов, альдегидов, спиртов, кетонов и других, а также уровень задымленности и запыленности.
Для данного направления компания Winsen предоставляет широкий ассортимент продукции (таблица 1), позволяющий проводить все необходимые измерения. В зависимости от конкретной задачи можно приобрести как простые датчики, формирующие электрический сигнал, пропорциональный анализируемому параметру, так и законченные модули, осуществляющие комплексный контроль качества воздуха с передачей информации по распространенным интерфейсам, например, UART или I2C, со световой и звуковой сигнализацией.
Подобный список контролируемых параметров воздуха используется и в сельском хозяйстве. Как для растениеводства, так и для животноводства температура, влажность и концентрация углекислого газа в воздухе играют ключевую роль. Выход этих параметров за пределы допустимых значений может оказать существенное влияние как на урожайность посевов, так и на поголовье скота. Дополнительно к этому списку добавляется контроль концентрации аммиака (NH3) и сероводорода (H2S), играющих важную роль в процессе обмена веществ растений и животных. На сегодняшний день постоянный мониторинг контроля качества воздуха для предприятий сельского хозяйства является жизненно важным звеном производственного процесса, без которого очень сложно получить продукцию требуемого качества.
Таблица 1. Датчики качества воздуха в помещениях
| Наименование | Описание (контролируемые параметры) |
|---|---|
| MP502 Air-Quality Gas Sensor | Датчик качества воздуха (ЛОВ, толуол, формальдегид, бензол, спирт, ацетон и так далее) |
| MP503 Air-Quality Gas Sensor | Датчик качества воздуха (алкоголь, дым, ЛОВ и другие) |
| MP901 Air-Quality Gas Sensor | Датчик качества воздуха (спирт, дым, формальдегид, толуол, ацетон, бензол, бытовой газ, пары краски и прочее) |
| ZPH01 Particles Sensor-Manual | Датчик концентрации пыли (твердые частицы более 1 мкм) |
| ZPH01 Particles and VOC Module-Manual | Датчик качества воздуха и концентрации пыли (формальдегид, бензол, угарный газ, водород, спирт, аммиак, сигаретный дым, твердые частицы более 1 мкм) |
| ME2-CH2O-Ф16 Formaldehyde sensor, ME2-CH2O-16×15 Formaldehyde sensor | Датчик формальдегида |
| ZE07-CH2O-Manual, ZE08-CH2O Manual | Электромеханические датчики для измерения концентрации ЛОВ (формальдегид, этанол и так далее) |
| ZP01-MP503 Air-Quality Monitoring Module, ZP07-MP901 Air-Quality Detection Module | Датчики качества воздуха (формальдегид, бензол, угарный газ, водород, спирт, аммиак, сигаретный дым, ароматические вещества и прочие) |
| MH-Z14A NDIR CO2 SENSOR, MH-Z16 NDIR CO2 SENSOR, MH-Z19 NDIR CO2 SENSOR | Датчики углекислого газа |
| MQ131 High Concentration Ozone Gas Sensor, MQ131 Low Concentration Ozone Gas Sensor | Датчики озона |
Для сельского хозяйства компания Winsen предлагает ассортимент датчиков (таблица 2, рисунок 1), позволяющий комплексно решать задачи контроля качества воздуха как для аграрного сектора, так и для сектора животноводства. В отличие от жилых и рабочих помещений, сельскохозяйственные ангары стараются размещать в зонах с меньшим уровнем экологического загрязнения, поэтому перечень контролируемых газов для этого сектора меньше.
Рис. 1. Датчики для сельского хозяйства
Таблица 2. Датчики для сельского хозяйства
| Наименование | Пределы измерения | Описание |
|---|---|---|
| MS-Z2 Temperature & Humidity Sensing | 10…90%; 0…60℃ | Датчик температуры и влажности |
| MZS-001 Humidity Module, MZS-002 Humidity Module | Датчик влажности | |
| MH-410D NDIR CO2 SENSOR | 0…5% | Датчик углекислого газа |
| MH-Z14 NDIR CO2 SENSOR | 0…10 000 ppm | Датчик углекислого газа |
| MG811 Solid Electrolyte CO2 Gas Sensor | 350…10 000 ppm | Датчик углекислого газа |
| ME3-NH3 Electrochemical Ammonia Sensor | 0…50 ppm | Датчик аммиака |
| ME3-H2S Hydrogen Sulfide Sensor | 0…100 ppm | Датчик сероводорода |
В то же время концентрация некоторых газов, например CO2, может значительно превышать допустимый уровень для помещений, рассчитанных для человека, поэтому пределы измерений датчиков для сельского хозяйства могут отличаться от датчиков, разработанных для жилых помещений (рисунок 2).
Рис. 2. Датчики качества воздуха в помещениях
Еще большее количество параметров необходимо контролировать в автомобильной отрасли. Являясь источником загрязнения воздуха планетарного масштаба, транспортные средства должны соответствовать современным жестким требованиям по уровню выбросов ядовитых веществ, в числе которых угарный (СО) и углекислый (СО2) газы, оксид азота (NO2), пыль и многие другие. Кроме контроля состояния автомобиля на стадиях производства и технического обслуживания, обязательным условием его безопасной эксплуатации является постоянный мониторинг качества воздуха в салоне. Попадание в кабину даже небольшого количества выхлопных газов может спровоцировать обморок водителя. Контроль концентрации паров топлива поможет вовремя обнаружить повреждения топливной системы и предотвратить возгорание транспортного средства. И последней спецификой автомобильного направления является контроль состояния водителя, в том числе – и концентрация паров алкоголя (этанола – С2Н5ОН) в его дыхании.
Для автомобильной отрасли компания Winsen предлагает комплект приборов (таблица 3, рисунок 3), учитывающий всю специфику транспортных средств и позволяющий проводить измерения как в условиях промышленного производства, так и в процессе эксплуатации автомобилей.
Рис. 3. Датчики для автомобильной техники
Самый большой список контролируемых параметров качества воздуха имеет промышленный сектор, особенно химическая отрасль – ведущий локомотив мировой экономики. Для промышленных предприятий устанавливаются жесткие лимиты и квоты на количество выбрасываемых вредных веществ, круглосуточно контролируемые соответствующими органами. Поэтому измерение концентрации различных газов является не только ключевым звеном технологического процесса, но и важным элементом системы экологической и, как следствие, экономической безопасности предприятия. Список газов во многом определяется спецификой предприятия. Как правило, в его состав входят диоксид серы (SO2), монооксид (NO) и двуокись азота (NO2), угарный (CO) и углекислый газ (CO2), кислород (O2), озон (O3), сероводород (H2S), аммиак (NH3), водород (Н2), хлор (Cl2), углеводороды и многие другие. Кроме концентрации газов для промышленных предприятий необходимо контролировать также уровень запыленности и прозрачности воздуха производственных помещений и дымовых газов.
Таблица 3. Датчики для автомобильной техники
| Наименование | Пределы измерения | Описание |
|---|---|---|
| ME2-CO Electrochemical Carbon Monoxide Sensor with UL certificate | 0…1000 ppm | Датчик угарного газа (СО) |
| ME2-CH2O-Ф16 Formaldehyde sensor | 0…10 ppm | Датчик формальдегида (CH2O) |
| ME2-C2H5OH-Ф16 Alcohol sensor | 0…1 мг/л | Датчик алкоголя (C2H5OH) |
| MQ303B Semiconductor Alcohol Sensor | 20…500 ppm | Датчик алкоголя (C2H5OH) |
| MP-4 Nature Gas Sensor/ Combustible gas sensor | 300…10000 ppm | Датчик природного газа (CH4) |
| MP503 Air-Quality Gas Sensor | 10…1000 ppm (алкоголь) | Датчик качества воздуха (алкоголь, сигаретный дым, ЛОВ и прочие) |
| MH-Z19B NDIR CO2 SENSOR | 0…2000 ppm, 0…5000 ppm | Датчик углекислого газа |
Для промышленного направления компания Winsen представляет целые серии датчиков (таблица 4, рисунок 4), способных не только измерять концентрацию большого количества разнообразных газов, но и контролировать их расход (серия Flow sensor), что позволяет осуществлять эффективный контроль на всех этапах производства. Предлагаемые датчики могут использоваться как в составе бортового и стационарного оборудования, так и в портативных передвижных лабораториях.
Рис. 4. Промышленные газоанализаторы
Таблица 4. Промышленные газоанализаторы
| Наименование | Описание |
|---|---|
| Серия MC11 | Каталитические датчики для определения концентрации горючих газов |
| Серия ME2 | Электромеханические датчики для определения концентрации кислорода О2 |
| Серии ME3, ME4 | Электромеханические датчики для определения концентрации CO, SO2, H2S, NH3, H2, Cl2, NO2, O3 и других веществ |
| NDIR Gas Sensor, MH-440D, MH-410D, MH-710A, MH-741A | Недисперсионные инфракрасные датчики для определения концентрации углекислого газа CO2 и метана CH4 |
| Flow Sensor F1012, F1013, F1031, F1022 | Датчики для определения скорости движения газа в газопроводах |
Инфракрасные датчики углекислого газа
В основе работы инфракрасных газоанализаторов лежит явление поглощения фотонов молекулами вещества, используемое в спектроскопии. Большинство газов способно поглощать световое излучение определенных длин волн, комбинация которых позволяет судить о его химическом составе. Количество поглощаемого излучения пропорционально количеству молекул, поэтому концентрация определяется простым измерением интенсивности света после прохождения через измерительную камеру. С помощью инфракрасной спектроскопии можно регистрировать наличие большого количества веществ, однако наибольшую эффективность этот метод имеет при определении концентрации CO2.
Особенностью углекислого газа является интенсивное поглощение света с длиной волны 4,26 мкм. Поскольку эта длина волны уникальна для CO2, то измерения ее интенсивности вполне достаточно для определения его количества в воздухе. Это значительно упрощает устройство регистратора, позволяя использовать простой недисперсионный инфракрасный (Nondispersive Infrared, NDIR) метод измерения.
В качестве источника света в газоанализаторе используется миниатюрная лампа накаливания или светодиод (рисунок 5). Луч света, проходя через измерительную камеру, освещает фотоэлемент, перед которым устанавливается светофильтр, пропускающий свет только одной длины волны, в данном случае – 4,26 мкм. Чем выше концентрация CO2, тем меньше освещенность фотоэлемента. Для обеспечения высокой чувствительности длина светового пути должна быть как можно больше, поэтому при создании компактных газоанализаторов часто используют многократное отражение луча от внутренних стенок измерительной камеры.
Рис. 5. Устройство недисперсионного инфракрасного газоанализатора
Модули для измерения концентрации углекислого газа компании Winsen (таблица 5, рисунок 6), использующие инфракрасный метод, представляют собой малогабаритные термокомпенсированные измерители с высокой селективностью, не зависящей от содержания кислорода в воздухе. Высокое качество модулей достигается за счет сочетания эффективной технологии обнаружения углекислого газа, прецизионной оптической системы и оригинальной схемотехники. Результаты измерений могут быть получены в аналоговом, дискретном (ШИМ) или цифровом виде по интерфейсу UART.
Рис. 6. Датчики CO2
Модули MH-Z1x предназначены для использования в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, в холодильном оборудовании, приборах для контроля качества и очистки воздуха, интеллектуальных системах типа «Умный дом» или аналогичных. Модули MH-Z19 имеют меньшие габариты и вес, что позволяет создавать на их основе более компактные устройства, что актуально для портативных и автомобильных приложений. Модуль MH-Z14A имеет большую точность измерений, в то время как модуль MH-Z14 имеет более широкий рабочий диапазон, что наилучшим образом подходит для агропромышленного сектора. Особенностью модуля MH-Z16 является наличие измерительной камеры большого объема, благодаря которой уменьшается время отклика, что актуально для учебного оборудования.
Таблица 5. Характеристики датчиков СО2
| Наименование | MH-Z16 NDIR CO2 SENSOR | MH-Z14 NDIR CO2 SENSOR | MH-Z14A NDIR CO2 SENSOR | MH-Z19B NDIR CO2 SENSOR |
|---|---|---|---|---|
| Диапазон измерений, ppm | 0…5000 | 0…10000 | 0…5000 | |
| Точность, ppm | ±(100+6%) | ±(50+3%) | ±(50+5%) | |
| Напряжение питания, В | 4,5…5,5 | |||
| Средний потребляемый ток, мА | < 85 | < 60 | < 20 | |
| Выходной сигнал | ШИМ, UART | Аналоговый, ШИМ, UART | ||
| Время готовности, мин | 3 | |||
| Время отклика, с | < 30 | < 90 | < 120 | < 120 |
| Рабочая температура, °С | 0…50 | |||
| Рабочая влажность, % | 0…95 | |||
| Размеры, мм | 97×20×17 | 57,5×34,7×17 | 57,5×34,7×17 | 32,5х20,5х9 |
| Срок службы, лет | > 5 | |||
Полупроводниковые газоанализаторы
Чувствительный элемент полупроводниковых газоанализаторов выполнен из оксида металла с очень высокой активностью, обычно SnO2 (рисунок 7). При нагревании его поверхности до определенной температуры начинается абсорбция атомов кислорода воздуха, в результате которой они ионизируются, что приводит к увеличению сопротивления чувствительного элемента. При наличии в воздухе газа уровень ионизации атомов кислорода уменьшается, что приводит к уменьшению сопротивления полупроводника. Таким образом, измеряя сопротивление чувствительного элемента, можно определять концентрацию большого количества газов.
Рис. 7. Полупроводниковые газоанализаторы
Недостатками полупроводниковых газоанализаторов является низкая селективность и зависимость результатов измерений от концентрации кислорода в воздухе. Однако простота, малые масса, габариты и стоимость обусловили их массовое использование. На сегодняшний день компания Winsen предоставляет своим клиентам широкий спектр полупроводниковых газоанализаторов общего назначения (таблица 6…таблица 8), с помощью которых можно определять концентрацию большого количества газов.
Таблица 6. Характеристики датчиков горючих газов
| Наименование | MQ-2 Smoke Sensor | MQ-4 Methane Gas Sensor/ LNG Detection Gas Sensor | MQ-5 LPG Detection Sensor | MQ-6 Propane LPG Flammable Gas Sensor | MQ-8 Hydrogen Sensor |
|---|---|---|---|---|---|
| Газ | Легковоспламеняющийся газ, дым | Метан | Сжиженный газ, метан | Сжиженный газ | Водород |
| Диапазон измерений, ppm | 300…10 000 (газ) | 300…10 000 (CH4) | 300…10 000 (CH4, C3H8) | 300…10 000 (C3H8) | 100…1 000 (H2) |
| Напряжение контура, В DC | ≤ 24 | ||||
| Напряжение подогревателя, В DC или АС | 5 ±0,1 | ||||
| Мощность подогревателя, мВт | ≤ 950 | ≤ 900 | |||
| Чувствительность | Rs (воздух)/Rs (2000 ppm C3H8) ≥ 5 | Rs (воздух)/Rs (5 000 ppm CH4) ≥ 5 | Rs (воздух)/Rs (2000 ppm C3H8) ≥ 5 | Rs (воздух)/Rs (2000 ppm C3H8) ≥ 5 | Rs (воздух)/Rs (1000 ppm H2) ≥ 5 |
| Время прогрева, час | Не менее 48 | ||||
Таблица 7. Характеристики датчиков угарного газа и алкоголя
| Наименование | MQ-7B Carbon Monoxide Sensor | MQ-9B CO & CH4 Detection Sensor | MQ3B Semiconductor Alcohol Sensor | MQ303B Semiconductor Alcohol Sensor |
|---|---|---|---|---|
| Газ | Угарный газ (СО) | Угарный газ (СО), метан (СН4) | Этанол (C2H5OH) | |
| Диапазон измерений, ppm | 10…500 (СО) | 10…500 (СО); 300…10000 (СН4) | 25…500 (C2H5OH) | |
| Напряжение контура, В DC | ≤ 10 | ≤ 24 | ≤ 6 | |
| Напряжение подогревателя, В DC или АС | 5 ±0,1 (High temp); 1,5 ±0,1(Low temp) | 5 ±0,1 | 0,9 ±0,1 | |
| Мощность подогревателя, мВт | ≤ 900 | ≤ 900 | ≤ 140 | |
| Чувствительность | Rs (воздух)/Rs (150 ppm CO) ≥ 5 | Rs (воздух)/Rs (150 ppm CO) ≥ 5; Rs (воздух)/Rs (5000 ppm CH4) ≥ 3 | Rs (воздух)/Rs (125 ppm C2H5OH) ≥ 5 | Rs (воздух)/Rs (125 ppm C2H5OH) ≥ 3 |
| Время прогрева, час | Не менее 48 | |||
Таблица 8. Характеристики датчиков токсичных газов
| Наименование | MQ131 Ozone Gas Sensor | MQ135 Semiconductor Sensor for Air Quality | MQ136 Hydrogen Sulfide Gas Sensor | MQ137 Ammonia Gas Sensor | MQ138 VOC Gas Sensor | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Газ | Озон | Аммиак, сульфиды, бензольные соединения | Сероводород | Аммиак | Толуол, ацетон, этанол, водород | |
| Диапазон измерений | 10…10 000 ppm | 10…10 000 ppb | 10…1 000 ppm (NH3, C7H8, H2, дым) | 10…200 ppm (H2S) | 5…500 ppm (NH3) | 5…500 ppm |
| Напряжение контура, В DC | ≤ 24 | |||||
| Напряжение подогревателя, В DC или АС | 5 ±0,1 | |||||
| Мощность подогревателя, мВт | ≤ 900 | ≤ 950 | ≤ 900 | ≤ 900 | ≤ 900 | |
| Чувствительность | Rs (200 ppm O3)/Rs (воздух) ≥ 2 | Rs (200 ppb O3) /Rs (воздух) ≥ 2 | Rs (воздух)/Rs (400 ppm H2) ≥ 5 | Rs (воздух)/Rs (50 ppm H2S) ≥ 3 | Rs (воздух)/Rs (50 ppm NH3) ≥2 | Rs (воздух)/Rs (50 ppm C7H8) ≥ 2 |
| Время прогрева | Не менее 48 часов | |||||
Модули контроля качества воздуха
Рассмотренные выше полупроводниковые и инфракрасные датчики фактически представляли собой лишь преобразователи информации о концентрации газа в электрический сигнал. При использовании данных датчиков на плечи разработчика ложится ряд не самых простых задач, в числе которых – обеспечение необходимого режима работы, учет колебаний температуры и атмосферного давления, считывание и обработка информации об измеряемом параметре и принятие решений на основе полученного значения.
В то же время на практике существует ряд задач, не требующих точного знания концентрации газа, а лишь определения, находится ли это значение в заданных пределах. Так, например, сотрудников офиса или водителя автомобиля мало интересует абсолютное значение количества углекислого газа на рабочем месте. Но им необходимо знать, пригоден ли воздух в данный момент для дыхания или нет. То же относится и к помещениям, в которых установлено газовое оборудование.
Для решения подобных задач компания Winsen выпускает специализированные модули, определяющие качество воздуха в контролируемом помещении (рисунок 8). В состав модулей могут входить датчики газа, температуры и атмосферного давления, электроника, обеспечивающая его нормальное функционирование, и блок принятия решений, сравнивающий текущие показания с заранее предустановленными значениями. Если концентрация газа превышает допустимое значение — срабатывает световая или звуковая сигнализация, также установленная на плате модуля.
Рис. 8. Модули контроля качества воздуха
Интеллектуальные модули компании Winsen (таблица 9) работают в широком диапазоне питающих напряжений и температур, не требуют настройки и калибровки. Некоторые модели имеют встроенную систему самодиагностики и элементы управления (кнопки). Фактически они представляют собой готовые устройства, требующие для своей работы лишь источника питания. Для создания устройств, ориентированных на работу в системах «Умный дом», могут использоваться модули, поддерживающие популярные интерфейсы передачи данных.
Таблица 9. Характеристики модулей контроля качества воздуха
| Наименование | ZP01-MP503 Air-Quality Monitoring Module | ZP07-MP901 Air-Quality Detection Module | ZP04 Combustible Gas Detection Module | ZP05 Vehicle-Mounted Fuel Gas Leakage Detection Module | ZP06 Vehicle-Mounted Fuel Gas Leakage Detection Module |
|---|---|---|---|---|---|
| Газ | Формальдегид, бензин, угарный газ, водород, этанол, аммиак, сигаретный дым и прочие | Природный газ | |||
| Выход | 3 уровня загрязнения | 10 уровней загрязнения | 4 светодиода, 2 кнопки, звуковой сигнал, реле, электромагнитный клапан | 3 светодиода, звуковой сигнал | 1 выходной сигнал |
| Напряжение питания, В | 5 ± 0,2 | 9…12 | 9..32 | ||
| Средний потребляемый ток, мА | ≤ 60 | ≤ 80 | |||
| Время реакции, с | ≤ 20 | ≤ 30 | |||
| Время восстановления, с | ≤ 60 | ≤ 30 | |||
| Рабочая температура, °С | 0…50 | –10…55 | –40…85 | ||
| Влажность, % | ≤ 95 | ≤ 95 | 20…90 | ||
| Размеры, мм | 24х20х15 | 25,4х21,7х22,6 | 25,4х21,7х11 | 33х17,5 | |
| Срок службы, лет | ≥ 5 | ≥ 5 | |||
Заключение
Контроль качества воздуха является необходимым условием существования современной промышленной цивилизации. Несоответствие воздуха требуемым нормам делает затруднительными работу предприятий и само существование человека. Специалисты компании Winsen находятся в постоянном поиске новых и совершенствовании имеющихся методов измерения концентрации газа, предлагая своим клиентам приборы для всех существующих направлений практического газового анализа, способные решить большинство задач по определению качества воздуха как в помещениях, так и на открытом пространстве.
Наши информационные каналы