选对传感器,简化空气质量以及工业气体检测电路方案设计

2019年08月14日 作者:Teardown

我们知道,象微粒和有毒气体之类空气污染对人体健康是有害的。 另一方面,在工业领域,产生自不良燃烧工艺的高浓度气体,如甲烷、丙烷和一氧化碳,可能存在直接安全风险。 为了克服这些问题,社会各个群体,如房屋业主、商业建筑或工业场所运营商、城市管理部门以及环境机构,都需要有设备来监控空气质量,检测是否存在各种气体。

空气污染调查

根据世界卫生组织 (WHO) 报告,空气污染,特别是颗粒物 (PM) 污染,会直接导致各种疾病和死亡。 可能最多只有 10 或 25 微米大小的小微粒(称 PM10 和 PM25),对健康威胁最大。 此类尺寸的颗粒通常由公路车辆以及家庭和工业活动产生,也有来自然来源,如土壤和沙子。 无论是发达国家还是发展中国家,人们都有可能受到高浓度 PM 污染的伤害。据欧洲环境机构 2012 年报告所称,欧盟有超过 80% 的城市人口受到 PM 颗粒的伤害,PM 水平高于 2005 年 WHO 的空气质量指导要求。

城市当局面临提升空气质量的压力。 各种与交通相关的方案已经得到实施,以减少市中心的车辆排放污染。 许多城市已经收取交通拥堵费,以减少车流量,同时其它包括英国伯明翰和考文垂市主导的氢燃料电池车辆试验和伦敦无线电动车充电在内的研究和试运行工作正如火如荼的展开,其终极目标就是建立广泛使用电动车的可行基础设施。 准确的空气质量数据将为当局提供重要信息,帮助仓位评估此类努力的成果。

空气质量监控

就室内空气质量 (IAQ) 来说,家庭和办公室已有使用空气净化器。 最近有高端系统已经进入市场,其中就带有监控空气质量的智能传感器。 这种信息可以通过屏幕显示给用户,并且可以用于调节净化器,以便采用最适当方式来清除各种气体以及颗粒,如碎头发、灰尘和烟草烟。

Sharp GP2Y1010 就是一个灰尘传感器,能够使用红外 LED 和光电晶体管检测出周围环境所存在的颗粒数量。 空气样本可以通过传感器外壳中的一系列孔提取从而实现监控,这些孔一般位于 IR LED 和检测器的上面,如图 1 所示。

当微粒通过传感器时,光电晶体管作出响应,指示样本中的微粒浓度。 这种传感器的主要优势就是能够产生与微粒浓度成正比的输出 (µg/m³)。 这样就能简化空气质量监控系统的设计,因为这种微粒浓度的表示方式广泛用于空气质量监控应用。

建筑物中的人员排放的一氧化碳 (CO2) 水平也对空气质量有影响,特别是在大型商业建筑中,如办公大楼。 准确、实时检测 CO2 提供了一种的手段来有效控制空调或通风系统,以优化空气质量并最大限度地缩小建筑物的总体能耗。Amphenol Advanced Sensors 的 Telaire CO2 传感器,如 T6613 和 T6615,能够让 HVAC 系统实现按需控制通风 (DCV)。 在 DCV 系统中,当建筑物中存在大量人员活动时,传感器就会检测到 CO2 水平上升。 通风系统仅当二氧化碳水平到达一个预定极限值时才启动,并且当低于可接受的水平时关闭。 当建筑物中很少有人活动时,系统会很少启动,以免建筑物过通风。 这样可以减少通风系统能源消耗,并降低供热成本。

Telaire 传感器使用非分散红外 (NDIR) 技术检测 CO2 的浓度,其中就利用了 CO2 分子能够吸收特定红外波长这一特性。 每个传感器包括一个红外光源、一个专利的波导、定制设计红外滤光片以及一个微机械热电堆检测器,能够测量光吸收,使得 CO2 浓度能被计算出来。 T6613 传感器使用 GE 的专利 ABC Logic™ 自校准算法,让传感器随时根据低人员活动水平来进行校准。 T6615 传感器是双通道器件,具有独立的测量和参照通道,无需使用 ABC Logic(自动校准程序,GE 专利)即可保持长期自动校准。

工业气体检测

在包括化工处理、采矿或制造业在内的工业领域,可燃或易爆气体泄漏(如丙烷或甲烷),或存在象一氧化碳之类潜在危险的气体,都可能产生安全威胁,需要立即检测出来。

欧洲 ATEX 指令强制要求雇主不仅要在可能存在爆炸环境的工作场所实施爆炸预防措施,而且要对工作人员提供足够的防护。 特别要说明的是,1999/92/EC 指令(关于提升有爆炸气体潜在风险场所的工作人员安全和健康保护)要求在到达爆炸条件前要给工作人员提供足够的光学和声学方面的警告并立即进行疏散。

合适的符合 BS EN 60079-29-1:2007 针对可燃气体的检测器性能要求和 IEC/EN60079-1 基本安全要求(ESR) 的气体检测设备可以按照 ATEX 规范获得认证。 安全完整性水平 (SIL) 标准 EN50402 和 EN61508 也适用。

Parallax 提供各种用于检测危险气体的设备和系统的传感器,可以用在工业应用领域,也可以用在家庭应用领域。 例如 Parallax 605-00008 气体传感器适合用于检测液化石油气 (LPG)、异丁烷、丙烷、甲烷、酒精或氢气,也可用于烟雾检测。 该传感器由一个小型氧化铝 (Al2O3) 管子、一个二氧化锡 (SnO3) 感应层、一个测量电极以及一个加热器组成。 加热器将感应元件保持在合适的工作温度。 当连接到如图 2 所示的电路时,传感器的电阻会随着所检测到的气体浓度而变化。

经过正确校准后,605-00008 传感器可以用于触发警报,通知浓度超过预设水平。 Parallax 建议检测器在空气中应校准到能检测 1000 ppm LPG,或1000 ppm 异丁烷,且负载电阻 (RL) 在 5 kΩ 和 47 kΩ 之间。 为实现精确设置,还应考虑温度和湿度影响。 气体敏感性特性和温度/湿度依赖性在传感器规格书中有详细说明。

其它应用,如飞机上所用的锅炉燃烧控制器或氧气发生器,要求准确检测氧气流量,以确保设备正确工作。 象 Honeywell KGZ10 这样的氧气传感器在这类应用中的寿命比较长。

该传感器包含两个二氧化锆 (ZrO2) 阀瓣,两个阀瓣之间是一个气密小室。 其中一个阀瓣起氧气泵的作用,用于填充和放空小室。 第二个阀瓣测量分压差比率,并生成相应的感应电压。 传感器上的加热元件产生 700°C 的高温,这是 ZrO2 正常工作所需的温度。 与替代型电化传感器不同,这些氧化锆型传感器不要求参照气体,因此精确度和耐久性更强。

KGZ-10 传感器由电子测量电路操作,控制传感器的工作和信号处理。 设计人员既可以将这个电路并到其自己的硬件中,也可以直接使用 Honeywell 提供的 Oxymac、Elecdit 或 DE800 接口板。 这些接口板实现了操作和读取传感器所需的所有功能,包括用于加热元件的控制电路,同时支持功能测试和校准。 该板的信号处理部分以电压或电流形式生成所测氧气量的线性输出。 DE800 板集成了加热器电源,而 Oxymac50 和 Elecdit 板要求外部加热器电源。

结论

气体和微粒传感器在测量确保公众和个人健康的空气质量方面起着很多重要作用,在象危险报警和过程控制器这样的工业安全系统中也至关重要。 在有大量人员活动的办公室或其它建筑中,可靠的空气质量测量能够帮助减少运营成本和环境排放。

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