Sparčiai tobulėjant tokioms technologijoms kaip daiktų internetas ir dirbtinis intelektas, dujų jutikliai – svarbus jutimo įtaisas, žinomas kaip „penki elektriniai pojūčiai“, – išnaudoja precedento neturinčias plėtros galimybes. Nuo pradinio pramoninių toksiškų ir kenksmingų dujų stebėjimo iki plataus taikymo medicininėje diagnostikoje, išmaniuosiuose namuose, aplinkos stebėjime ir kitose srityse, dujų jutiklių technologija išgyvena gilią transformaciją – nuo vienos funkcijos iki intelektualumo, miniatiūrizacijos ir daugiamačio pritaikymo. Šiame straipsnyje bus išsamiai analizuojamos dujų jutiklių techninės charakteristikos, naujausia tyrimų pažanga ir pasaulinė taikymo būklė, ypatingą dėmesį skiriant dujų stebėjimo srities plėtros tendencijoms tokiose šalyse kaip Kinija ir Jungtinės Valstijos.
Dujų jutiklių techninės charakteristikos ir plėtros tendencijos
Dujų jutiklis, kaip keitiklis, kuris konkrečių dujų tūrio dalį paverčia atitinkamu elektriniu signalu, tapo nepakeičiamu ir svarbiu šiuolaikinių jutiklių technologijų komponentu. Šio tipo įranga apdoroja dujų mėginius per aptikimo galvutes, paprastai apima tokius veiksmus kaip priemaišų ir trukdančių dujų filtravimas, džiovinimas arba šaldymas ir galiausiai dujų koncentracijos informacijos pavertimas išmatuojamais elektriniais signalais. Šiuo metu rinkoje yra įvairių tipų dujų jutiklių, įskaitant puslaidininkinius, elektrocheminius, katalizinio degimo, infraraudonųjų spindulių dujų jutiklius ir fotojonizacijos (PID) dujų jutiklius ir kt. Kiekvienas iš jų turi savo charakteristikas ir yra plačiai naudojamas civilinių, pramoninių ir aplinkos bandymų srityse.
Stabilumas ir jautrumas yra du pagrindiniai rodikliai, vertinant dujų jutiklių veikimą. Stabilumas reiškia jutiklio pagrindinio atsako išlikimą per visą jo darbo laiką, kuris priklauso nuo nulio poslinkio ir intervalo poslinkio. Idealiu atveju, aukštos kokybės jutikliams, veikiantiems nuolat, metinis nulio poslinkis turėtų būti mažesnis nei 10 %. Jautrumas reiškia jutiklio išėjimo signalo pokyčio ir išmatuoto įvesties signalo pokyčio santykį. Skirtingų tipų jutiklių jautrumas labai skiriasi, daugiausia priklausomai nuo jų naudojamų techninių principų ir medžiagų pasirinkimo. Be to, selektyvumas (t. y. kryžminis jautrumas) ir atsparumas korozijai taip pat yra svarbūs parametrai vertinant dujų jutiklių veikimą. Pirmasis lemia jutiklio atpažinimo gebėjimą mišrių dujų aplinkoje, o antrasis yra susijęs su jutiklio tolerancija didelės koncentracijos tikslinėse dujose.
Dabartinė dujų jutiklių technologijos plėtra rodo keletą akivaizdžių tendencijų. Visų pirma, toliau gilėja naujų medžiagų ir procesų tyrimai ir plėtra. Tradicinės metalo oksido puslaidininkinės medžiagos, tokios kaip ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ ir kt., tapo brandžios. Tyrėjai legiruoja, modifikuoja ir modifikuoja esamas dujoms jautrias medžiagas cheminės modifikacijos metodais, tuo pačiu metu tobulindami plėvelės formavimo procesą, kad padidintų jutiklių stabilumą ir selektyvumą. Tuo pačiu metu aktyviai plėtojamos naujos medžiagos, tokios kaip kompozicinės ir hibridinės puslaidininkinės dujoms jautrios medžiagos ir polimerinės dujoms jautrios medžiagos. Šios medžiagos pasižymi didesniu jautrumu, selektyvumu ir stabilumu skirtingoms dujoms.
Jutiklių intelektas yra dar viena svarbi plėtros kryptis. Sėkmingai pritaikius naujas medžiagų technologijas, tokias kaip nanotechnologijos ir plonasluoksnės technologijos, dujų jutikliai tampa vis labiau integruoti ir išmanesni. Visapusiškai išnaudodami daugiadisciplines integruotas technologijas, tokias kaip mikromechanikos ir mikroelektronikos technologijos, kompiuterinės technologijos, signalų apdorojimo technologijos, jutiklių technologijos ir gedimų diagnostikos technologijos, tyrėjai kuria visiškai automatinius skaitmeninius išmaniuosius dujų jutiklius, galinčius vienu metu stebėti kelias dujas. Tipiškas šios tendencijos atstovas yra cheminio atsparumo potencialo tipo daugiamatis jutiklis, kurį neseniai sukūrė Kinijos mokslo ir technologijų universiteto Valstybinės gaisrų mokslo laboratorijos docento Yi Jianxin tyrimų grupė. Šis jutiklis vienu įrenginiu realizuoja trimatį kelių dujų ir gaisro charakteristikų aptikimą ir tikslų identifikavimą 59.
Vis daugiau dėmesio skiriama masyvų sudarymui ir algoritmų optimizavimui. Dėl plataus spektro atsako problemos, susijusios su vienu dujų jutikliu, jis yra linkęs į trukdžius, kai vienu metu egzistuoja kelios dujos. Kelių dujų jutiklių naudojimas matricai suformuoti tapo veiksmingu sprendimu, siekiant pagerinti atpažinimo gebėjimą. Padidinus aptiktų dujų matmenis, jutiklių matrica gali gauti daugiau signalų, o tai padeda įvertinti daugiau parametrų ir pagerinti vertinimo bei atpažinimo galimybes. Tačiau didėjant jutiklių skaičiui matricoje, didėja ir duomenų apdorojimo sudėtingumas. Todėl jutiklių matricos optimizavimas yra ypač svarbus. Optimizuojant matricas, plačiai taikomi tokie metodai kaip koreliacijos koeficientas ir klasterinė analizė, o dujų atpažinimo algoritmai, tokie kaip pagrindinių komponenčių analizė (PCA) ir dirbtinis neuroninis tinklas (DNT), labai pagerino jutiklių atpažinimo gebėjimą.
Lentelė: Pagrindinių dujų jutiklių tipų našumo palyginimas
Jutiklio tipas, veikimo principas, privalumai ir trūkumai, tipinė tarnavimo trukmė
Puslaidininkinio tipo dujų adsorbcija pasižymi mažomis sąnaudomis keičiant puslaidininkių varžą, greitu atsaku, prastu selektyvumu ir 2–3 metus labai veikiama temperatūros ir drėgmės.
Elektrocheminės dujos patiria REDOX reakcijas ir sukuria srovę, kuri pasižymi geru selektyvumu ir dideliu jautrumu. Tačiau elektrolitas yra ribotai nusidėvintis ir jo tarnavimo laikas yra 1–2 metai (skysto elektrolito).
Katalizinio degimo tipo degančios dujos sukelia temperatūros pokyčius. Jis specialiai sukurtas degiųjų dujų aptikimui ir taikomas tik degiosioms dujoms maždaug trejus metus.
Infraraudonųjų spindulių dujos pasižymi dideliu tikslumu sugeriant tam tikro bangos ilgio infraraudonąją šviesą, nesukelia apsinuodijimo, tačiau yra brangios ir 5–10 metų užtenka gana dideliam kiekiui.
Fotojonizacijos (PID) ultravioletinė fotojonizacija, skirta lakiųjų organinių junginių (LOJ) dujų molekulėms aptikti, pasižymi dideliu jautrumu ir negali atskirti junginių tipų 3–5 metus.
Verta paminėti, kad nors dujų jutiklių technologija padarė didelę pažangą, ji vis dar susiduria su kai kuriais bendrais iššūkiais. Jutiklių naudojimo trukmė riboja jų taikymą tam tikrose srityse. Pavyzdžiui, puslaidininkinių jutiklių naudojimo laikas yra maždaug 2–3 metai, elektrocheminių dujų jutiklių – apie 1–2 metus dėl elektrolito praradimo, o kietojo kūno elektrolitų elektrocheminių jutiklių – iki 5 metų. Be to, dreifo problemos (jutiklio atsako pokyčiai laikui bėgant) ir nuoseklumo problemos (jutiklio veikimo skirtumai tarp tos pačios partijos jutiklių) taip pat yra svarbūs veiksniai, ribojantys platų dujų jutiklių taikymą. Reaguodami į šias problemas, tyrėjai, viena vertus, yra įsipareigoję tobulinti dujoms jautrias medžiagas ir gamybos procesus, kita vertus, jie kompensuoja arba slopina jutiklio dreifo įtaką matavimo rezultatams, kurdami pažangius duomenų apdorojimo algoritmus.
Įvairūs dujų jutiklių taikymo scenarijai
Dujų jutiklių technologija persmelkė visus socialinio gyvenimo aspektus. Jos taikymo scenarijai jau seniai peržengė tradicinės pramoninės saugos stebėsenos taikymo sritį ir sparčiai plečiasi į įvairias sritis, tokias kaip medicininė sveikata, aplinkos stebėsena, išmanieji namai ir maisto sauga. Ši įvairiapusiško taikymo tendencija ne tik atspindi technologinės pažangos atvertas galimybes, bet ir įkūnija augantį socialinį dujų aptikimo poreikį.
Pramoninė sauga ir pavojingų dujų stebėsena
Pramoninės saugos srityje dujų jutikliai atlieka nepakeičiamą vaidmenį, ypač didelės rizikos pramonės šakose, tokiose kaip chemijos inžinerija, naftos ir kasybos pramonė. Kinijos „14-asis penkerių metų planas dėl saugios pavojingų cheminių medžiagų gamybos“ aiškiai reikalauja, kad chemijos pramonės parkai sukurtų išsamią toksiškų ir kenksmingų dujų stebėsenos ir ankstyvojo perspėjimo sistemą ir skatintų išmaniųjų rizikos kontrolės platformų kūrimą. „Pramoninis internetas plius darbo saugos veiksmų planas“ taip pat skatina parkus diegti daiktų interneto jutiklius ir dirbtinio intelekto analizės platformas, kad būtų galima stebėti realiuoju laiku ir koordinuotai reaguoti į tokias rizikas kaip dujų nuotėkis. Šios politikos kryptys labai paskatino dujų jutiklių taikymą pramoninės saugos srityje.
Šiuolaikinės pramoninių dujų stebėjimo sistemos sukūrė įvairius techninius būdus. Dujų debesies vaizdavimo technologija vizualizuoja dujų nuotėkį, vizualiai pateikdama dujų mases kaip pikselių pilkumo lygio pokyčius vaizde. Jos aptikimo galimybės yra susijusios su tokiais veiksniais kaip nutekėjusių dujų koncentracija ir tūris, foninės temperatūros skirtumas ir stebėjimo atstumas. Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektroskopijos technologija gali kokybiškai ir pusiau kiekybiškai stebėti daugiau nei 500 rūšių dujų, įskaitant neorganines, organines, toksiškas ir kenksmingas, ir vienu metu gali nuskaityti 30 rūšių dujas. Ji tinka sudėtingiems dujų stebėjimo reikalavimams chemijos pramonės parkuose. Šios pažangios technologijos, derinamos su tradiciniais dujų jutikliais, sudaro daugiapakopį pramoninių dujų saugos stebėjimo tinklą.
Konkrečiu įgyvendinimo lygmeniu pramoninių dujų stebėjimo sistemos turi atitikti daugybę nacionalinių ir tarptautinių standartų. Kinijos „Degiųjų ir toksiškų dujų aptikimo ir signalizacijos naftos chemijos pramonėje projektavimo standartas“ GB 50493-2019 ir „Bendrosios techninės specifikacijos pavojingų cheminių medžiagų pagrindinių pavojaus šaltinių saugos stebėjimui“ AQ 3035-2010 pateikia technines pramoninių dujų stebėjimo specifikacijas 26. Tarptautiniu mastu OSHA (Jungtinių Amerikos Valstijų darbuotojų saugos ir sveikatos administracija) sukūrė dujų aptikimo standartų seriją, reikalaujančią aptikti dujas prieš operacijas uždarose erdvėse ir užtikrinant, kad kenksmingų dujų koncentracija ore būtų mažesnė už saugų 610 lygį. NFPA (Jungtinių Amerikos Valstijų Nacionalinės priešgaisrinės apsaugos asociacijos) standartai, tokie kaip NFPA 72 ir NFPA 54, nustato konkrečius degių ir toksiškų dujų 610 aptikimo reikalavimus.
Medicininė sveikata ir ligų diagnostika
Medicinos ir sveikatos sritis tampa viena perspektyviausių dujų jutiklių taikymo rinkų. Žmogaus kūno iškvepiamose dujose yra daug su sveikatos būkle susijusių biožymenų. Aptikus šiuos biožymenis, galima anksti atlikti ligų patikrą ir nuolat stebėti jas. Tipiškas šios taikymo pavyzdys yra rankinis kvėpavimo metu acetono aptikimo prietaisas, kurį sukūrė dr. Wang Di komanda iš Zhejiang laboratorijos „Super Perception“ tyrimų centro. Šis prietaisas naudoja kolorimetrinę technologiją acetono kiekiui žmogaus iškvepiamame ore matuoti, aptikdamas dujoms jautrių medžiagų spalvos pasikeitimą, taip greitai ir neskausmingai nustatant 1 tipo diabetą.
Kai žmogaus organizme yra žemas insulino lygis, jis negali paversti gliukozės energija ir vietoj to skaidyti riebalų. Kaip vienas iš šalutinių riebalų skaidymo produktų, acetonas pašalinamas iš organizmo kvėpuojant. Dr. Wang Di paaiškino 1. Palyginti su tradiciniais kraujo tyrimais, šis kvėpavimo testo metodas suteikia geresnę diagnostinę ir terapinę patirtį. Be to, komanda kuria „kasdien išleidžiamą“ acetono jutiklį. Šis nebrangus nešiojamas prietaisas gali automatiškai matuoti iš odos išsiskiriančias acetono dujas visą parą. Ateityje, derinamas su dirbtinio intelekto technologija, jis gali padėti diagnozuoti, stebėti diabetą ir skirti vaistus.
Be diabeto, dujų jutikliai taip pat turi didelį potencialą lėtinių ligų valdyme ir kvėpavimo takų ligų stebėjime. Anglies dioksido koncentracijos kreivė yra svarbus pagrindas vertinant pacientų plaučių ventiliacijos būklę, o tam tikrų dujų žymeklių koncentracijos kreivės atspindi lėtinių ligų vystymosi tendencijas. Tradiciškai šių duomenų interpretavimui reikėjo medicinos personalo dalyvavimo. Tačiau, įgalinus dirbtinio intelekto technologijas, išmanieji dujų jutikliai gali ne tik aptikti dujas ir braižyti kreives, bet ir nustatyti ligos išsivystymo laipsnį, o tai labai sumažina medicinos personalo krūvį.
Sveikatos priežiūros nešiojamųjų prietaisų srityje dujų jutiklių taikymas dar tik pradinėje stadijoje, tačiau perspektyvos plačios. „Zhuhai Gree Electric Appliances“ tyrėjai atkreipė dėmesį, kad nors buitiniai prietaisai skiriasi nuo medicinos prietaisų, atliekančių ligų diagnozavimo funkcijas, kasdienio namų sveikatos stebėjimo srityje dujų jutiklių matricos turi tokių privalumų kaip maža kaina, neinvaziškumas ir miniatiūrizavimas, todėl tikimasi, kad jos vis dažniau bus naudojamos buitiniuose prietaisuose, tokiuose kaip burnos higienos prietaisai ir išmanieji tualetai, kaip pagalbiniai stebėjimo ir stebėjimo realiuoju laiku sprendimai. Didėjant namų sveikatos poreikiui, žmonių sveikatos būklės stebėjimas buitiniais prietaisais taps svarbia išmaniųjų namų plėtros kryptimi.
Aplinkos monitoringas ir taršos prevencija bei kontrolė
Aplinkos monitoringas yra viena iš sričių, kurioje dujų jutikliai yra plačiausiai taikomi. Kadangi pasaulinis dėmesys aplinkos apsaugai nuolat didėja, kasdien auga ir įvairių atmosferos teršalų monitoringo poreikis. Dujų jutikliai gali aptikti kenksmingas dujas, tokias kaip anglies monoksidas, sieros dioksidas ir ozonas, todėl yra veiksminga priemonė aplinkos oro kokybei stebėti.
„British Gas Shield Company“ elektrocheminis dujų jutiklis UGT-E4 yra reprezentatyvus produktas aplinkos monitoringo srityje. Jis gali tiksliai išmatuoti teršalų kiekį atmosferoje ir laiku bei tiksliai pateikti duomenis aplinkos apsaugos departamentams. Šis jutiklis, integravęsis su šiuolaikinėmis informacinėmis technologijomis, pasižymi tokiomis funkcijomis kaip nuotolinis stebėjimas, duomenų įkėlimas ir išmanioji signalizacija, o tai žymiai padidina dujų aptikimo efektyvumą ir patogumą. Vartotojai gali stebėti dujų koncentracijos pokyčius bet kuriuo metu ir bet kur tiesiog per savo mobiliuosius telefonus ar kompiuterius, o tai suteikia mokslinį pagrindą aplinkos valdymui ir politikos formavimui.
Kalbant apie patalpų oro kokybės stebėjimą, dujų jutikliai taip pat atlieka svarbų vaidmenį. Europos standartizacijos komiteto (EN) išleistas standartas EN 45544 skirtas specialiai patalpų oro kokybės tyrimams ir apima įvairių kenksmingų dujų 610 bandymo reikalavimus. Įprasti rinkoje esantys anglies dioksido, formaldehido ir kt. jutikliai plačiai naudojami civilinėse gyvenamosiose patalpose, komerciniuose pastatuose ir viešosiose pramogų vietose, padedant žmonėms sukurti sveikesnę ir patogesnę patalpų aplinką. Ypač COVID-19 pandemijos metu patalpų vėdinimas ir oro kokybė sulaukė precedento neturinčio dėmesio, o tai dar labiau skatina susijusių jutiklių technologijų kūrimą ir taikymą.
Anglies dioksido emisijos stebėjimas yra nauja dujų jutiklių taikymo kryptis. Atsižvelgiant į pasaulinį anglies dioksido neutralumo siekį, tikslus šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas, stebėjimas tapo ypač svarbus. Infraraudonųjų spindulių anglies dioksido jutikliai šioje srityje turi unikalių pranašumų dėl didelio tikslumo, gero selektyvumo ir ilgo tarnavimo laiko. Kinijos „Pažangių saugos rizikos kontrolės platformų statybos chemijos pramonės parkuose gairėse“ degių / toksiškų dujų stebėjimas ir nuotėkio šaltinių sekimas nurodomi kaip privalomi statybos elementai, o tai atspindi politikos lygmens dėmesį dujų stebėjimo vaidmeniui aplinkos apsaugos srityje.
Išmanieji namai ir maisto sauga
Išmanieji namai yra perspektyviausia vartotojų taikomųjų dujų jutiklių rinka. Šiuo metu dujų jutikliai daugiausia naudojami buitiniuose prietaisuose, tokiuose kaip oro valytuvai ir gryno oro kondicionieriai. Tačiau, atsiradus jutiklių matricoms ir išmaniesiems algoritmams, jų taikymo potencialas pamažu išnaudojamas tokiose srityse kaip konservavimas, maisto gaminimas ir sveikatos stebėsena.
Kalbant apie maisto konservavimą, dujų jutikliai gali stebėti nemalonius kvapus, skleidžiamus maisto laikymo metu, kad nustatytų maisto šviežumą. Naujausi tyrimų rezultatai rodo, kad gerų rezultatų pasiekta tiek naudojant vieną jutiklį kvapų koncentracijai stebėti, tiek naudojant dujų jutiklių masyvą kartu su šablonų atpažinimo metodais maisto šviežumui nustatyti. Tačiau dėl sudėtingų faktinių šaldytuvo naudojimo scenarijų (pvz., trukdžių, kuriuos sukelia naudotojų durelių atidarymas ir uždarymas, kompresorių paleidimas ir stabdymas, vidinė oro cirkuliacija ir kt.), taip pat dėl abipusės įvairių lakiųjų dujų iš maisto ingredientų įtakos, maisto šviežumo nustatymo tikslumas dar gali būti tobulinamas.
Dar vienas svarbus dujų jutiklių taikymo scenarijus yra maisto gaminimas. Maisto gaminimo proceso metu susidaro šimtai dujinių junginių, įskaitant kietąsias daleles, alkanus, aromatinius junginius, aldehidus, ketonus, alkoholius, alkenus ir kitus lakiuosius organinius junginius. Tokioje sudėtingoje aplinkoje dujų jutiklių matricos turi daugiau akivaizdžių pranašumų nei pavieniai jutikliai. Tyrimai rodo, kad dujų jutiklių matricos gali būti naudojamos maisto gaminimo būsenai nustatyti pagal asmeninį skonį arba kaip pagalbinė mitybos stebėjimo priemonė, reguliariai teikianti vartotojams ataskaitas apie maisto gaminimo įpročius. Tačiau tokie maisto gaminimo aplinkos veiksniai kaip aukšta temperatūra, maisto gaminimo dūmai ir vandens garai gali lengvai „apnuodyti“ jutiklį, o tai yra techninė problema, kurią reikia išspręsti.
Maisto saugos srityje Wang Di komandos tyrimai parodė dujų jutiklių potencialią taikymo vertę. Jų tikslas – „vienu metu identifikuoti dešimtis dujų naudojant mažą mobiliojo telefono įskiepį“ ir jie yra įsipareigoję užtikrinti, kad informacija apie maisto saugą būtų lengvai prieinama. Šis itin integruotas masyvinis uoslės prietaisas gali aptikti lakiuosius maisto komponentus, nustatyti maisto šviežumą ir saugą bei pateikti vartotojams informaciją realiuoju laiku.
Lentelė: Pagrindiniai aptikimo objektai ir dujų jutiklių techninės charakteristikos įvairiose taikymo srityse
Taikymo sritys, pagrindiniai aptikimo objektai, dažniausiai naudojami jutiklių tipai, techniniai iššūkiai, plėtros tendencijos
Pramoninės saugos degiosios dujos, toksiškos dujos, katalizinio degimo tipas, elektrocheminis tipas, atšiaurių aplinkos sąlygų toleravimas, daugiadujinis sinchroninis stebėjimas, nuotėkio šaltinio sekimas
Medicininis ir sveikatos acetonas, CO₂, lakiųjų organinių junginių puslaidininkinis tipas, kolorimetrinis tipas, selektyvumas ir jautrumas, nešiojama ir išmani diagnostika
Ilgalaikio stabilumo tinklo diegimas ir realaus laiko duomenų perdavimas aplinkos oro teršalų ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų stebėsenai infraraudonųjų spindulių ir elektrocheminiu būdu
Išmanieji namai: maisto lakiosios dujos, puslaidininkinis dūmų tipas, PID apsauga nuo trukdžių
Prašome susisiekti su „Honde Technology Co., LTD.“
Email: info@hondetech.com
Įmonės svetainė:www.hondetechco.com
Tel.: +86-15210548582
Įrašo laikas: 2025 m. birželio 11 d.