Термокатализ или оптика: сравнение популярных технологий обнаружения газа
Термокаталитические датчики, также известные как пеллисторы, существуют уже несколько десятилетий. В основе технологии, использующейся в термокаталитических датчиках, лежит контактный метод обнаружения горючего газа. Основными компонентами такого датчика являются пеллисторы - шарики из платиновой проволоки, смотанной в виде спирали внутри пористой керамической подложки, как правило, выполненной из оксида алюминия. Рабочая температура спиралей достигает 450 оС за счет нагрева от протекающего в них тока. Один из пеллисторов, называемых обычно активным, покрыт катализатором, который нагревается при контакте с газом в процессе реакции окисления. Нагрев, в свою очередь, изменяет электрическое сопротивление спирали активного пеллистора и по разнице сопротивлений (относительно пассивного) определяется концентрация горючего газа.
С момента появления на рынке и на протяжении почти шести десятилетий, конструкция термокаталитических датчиков не претерпела особых изменений, а все улучшения, которые вносились в технологию, сводились, главным образом, к улучшению свойств катализатора и уменьшению размеров самих пеллисторов для экономии энергопотребления.
Термокаталитические датчики довольно универсальны благодаря своей способности реагировать по-разному на разные газы как по скорости реакции, так и по ее интенсивности. Это происходит по следующим причинам:
- химическая активность катализатора. Данный фактор определяет интенсивность химической реакции между каталитическим покрытием и газом, с которым оно взаимодействует. Разные по химическому составу катализаторы реагируют на различные газы с различной интенсивностью
- скорость диффузии газа. Большие молекулы, такие как длинные углеводородные цепи, диффундируют через атмосферу и фильтрующие элементы медленнее, чем более мелкие, таким образом им требуется больше времени для достижения необходимой концентрации, которая вызовет химическую реакцию с пеллистором.
- теплоотдача горения. Различные газы сгорают (сжигаются) с различной теплоотдачей, в результате чего, разное количество тепла передается через катализатор к платиновой спирали, что обусловливает разницу в изменении сопротивления и, соответственно, падения напряжения, в цепи пеллистора.
- нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР) - наименьшая концентрация горючих газов и паров в воздухе, при которой возможно распространение пламени. Различные газы становятся взрывоопасными при различных концентрациях, газ с более высоким уровнем НКПР будет входить в более интенсивную реакцию с катализатором.
Недостатки устаревающей технологии
Несмотря на простоту конструкции и относительную дешевизну термокаталитических датчиков, эта технология имеет ряд недостатков.
Основной недостаток заключается в базовом принципе технологии - использовании химической реакции для обнаружения газа, что приводит к постепенному ухудшению чувствительности датчика и даже его полной деградации, в следствии выгорания катушки, если датчик подвергается воздействию окружающей среды с высокой концентрацией углеводородов.
Вторым серьезным недостатком технологии является ее восприимчивость к химическому отравлению рядом газов и паров, образованными соединениями, характерными, в первую очередь, для газовой и нефтяной промышленности: силиконовые пары, различные производные углеводородов, кремнийорганические и свинцовые соединения, сера и сероводород, растворители и топливные присадки и многие другие. Эти отравляющие термокаталитический датчик вещества постепенно уменьшают способность датчика эффективно определять наличие и концентрацию горючего газа, в конечном итоге, делая его применение бесполезным, что приводит к созданию потенциально опасной ситуации.
Третьим недостатком термокаталитической технологии является необходимость обеспечения безопасной эксплуатации самого датчика. Учитывая его назначение и принцип действия, который основан на сжигании находящихся в атмосфере горючих газов, такой датчик должен быть заключен в прочный металлический корпус, при этом пеллисторы должны быть отделены от окружающего воздуха пламегасителями, например, металлокерамическими фильтрами (синтерами), которые вместе с металлическим корпусом представляют единую оболочку, обеспечивающую взрывозащиту вида d. Наличие пламегасителя оказывает существенное влияние на скорость реакции и чувствительность датчика, который, при определенных обстоятельствах, может не реагировать даже на довольно высокую концентрацию конкретных газов.
Четвертый недостаток термокаталитических датчиков заключается в том, что, поскольку процесс сгорания требует присутствия кислорода, их эффективность серьезно снижается, а показания значительно искажаются в условиях недостаточного присутствия в атмосфере кислорода, т. е. инертное или обедненное кислородом окружение (которые часто встречаются в нефтегазовой промышленности) делают их полностью непригодными к применению. В таких условиях термокаталитические датчики могут оставаться не чувствительными к растущей концентрации горючего газа даже при превышении ею значений НКПР.
Наконец, термокаталитические датчики обладают высоким энергопотреблением (сотни мВт), что является критически важным для портативных и беспроводных стационарных газоанализаторов, основным источником питания в которых служит аккумулаторная батарея.
Оптические NDIR датчики как альтернатива термокаталитическим датчикам
Оптические газовые датчики нового поколения стали мощной альтернативой датчикам, использующим устаревшую термокаталитическим технологию. В основе оптической технологии NDIR (non - dispersive infrared) лежит бесконтактный способ определения концентрации горючих газов, учитывающий способность углеводородов поглощать излучение с определенной длиной волны в инфракрасном диапазоне (ИК - диапазоне).
Принцип работы оптического датчика, определяющего тип и концентрацию горючего газа, основан на изменении интенсивности ИК - излучения до и после его поглощения молекулами горючего газа в процессе прохождении внутри измерительной камеры оптического газового датчика. Величина такого изменения зависит только от концентрации измеряемого газа. До последнего времени в качестве источника ИК-излучения использовалась импульсная лампа накаливания, а в качестве приемника – пироэлектрический фотодетектор. Такая конструкция характерна для традиционных оптических датчиков.Качественный скачок в развитии эта концепция получила в последнем поколении инфракрасных оптических газовых датчиках MIPEX, где, наряду с другими революционными достижениями, используются новейшие светодиодный излучатель и светодиодный фотоприемник, обладающие исключительно низким энергопотреблением и долговечностью.
Подобно своим предшественникам, оптические датчики MIPEX обладают всеми преимуществами, характерными для традиционных оптических газовых датчиков, такими как, неотравляемость, селективная чувствительность к углеводородам, способность работать в отсутствии кислорода и т.д., при этом они лишены недостатков, свойственных традиционным оптическим датчикам, которые замедляли их проникновение на рынок до настоящего времени: датчики MIPEX обладают повышенной надежностью, практически не подвержены влиянию запыленности и микроконденсации внутри газовой камеры, не подвержены влиянию дрейфа, имеют более высокую точность и скорость определения концентрации газа, не используют металлокерамические фильтры для осуществления взрывозащиты.
И наконец, оптические газовые датчики MIPEX, обладают лучшими в мире характеристиками энергопотребления, недостижимыми не только для термокаталитических датчиков, типичное энергопотребление которых составляет около 200 мВт, но и для традиционных оптических датчиков, потребляющих в среднем десятки мВт. Рекордно низкое энергопотребление менее 3 мВт является отличительной чертой всей линейки продукции оптических датчиков MIPEX, а новейшее поколение датчиков семейства MIPEX-04 в 1000 раз более энергоэффективно по сравнению с ближайшими западными аналогами.
При всех достоинствах оптической технологии присущи и недостатки, главным из которых является ограниченный набор определяемых газов. Из-за ограничений самой технологии, NDIR датчики не столь универсальны как их аналоги на основе пеллисторов, которые способны обнаруживать такие газы как водород и ацетилен. Однако и этот недостаток превращается в достоинство, когда необходимо обнаруживать крупные молекулы газа, характерные для углеводородов. Обладая высокой селективной чувствительностью к углеводородам, сегодня оптические датчики вытесняют термокаталитические практически во всех сегментах промышленной безопасности. Они являются идеальным выбором и для портативных многогазовых анализаторов с углеводородным каналом, применяемых для контроля ПДК рабочей зоны.Подводя итоги
Оптические газовые датчики NDIR последнего поколения лишены эксплуатационных ограничений своих предшественников на основе пеллисторов и обладают следующими преимуществами:
- революционно низкое энергопотребление, позволяюще достичь рекордной продолжительности автономной работы портативных и стационарных анализаторов горючих газов на их основе. Уже сейчас на рынке доступны портативные многогазовые анализаторы ведущих мировых игроков рынка промышленной безопасности, непрерывно работающие без подзарядки аккумуляторной батарей до 30 месяцев. В основе этих приборов лежит новейшее поколение оптических газовых датчиков MIPEX-04. Таким образом, на наших глазах рождается совершенно новый рынок портативных необслуживаемых многогазовых анализаторов – клипов;
- самый высокий уровень взрывозащиты – искробезопасноая электрическая цепь «ia», который стал возможен благодаря отсутствию горючих элементов (в сравнении с термокаталитическими датчиками) и элементов с повышенной температурой (в сравнении с традиционными оптическими датчиками);
- возможность работы в инертной и обедненной кислородом среде;
- ударопрочность и устойчивость к химическому отравлению;
- значительно более длительный срок службы (до 10 лет) и интервалы между калибровкой (до 30 месяцев);
- повышенная селективная чувствительность к углеводородам;
- минимальный дрейф сигнала и наличие цифровых интерфейсов.
Оптические газовые датчики MIPEX, разработанные с использованием ультрасовременной запатентованной технологии и технологических ноу-хау, представлены различными семействами, каждое из которых оптимизировано для определенных типов устройств и/или сценариев применения: от полностью цифровых оптических газовых датчиков семейства MIPEX-02, которые используются в широком спектре современных портативных и стационарных газоанализаторов до революционных датчиков семейства MIPEX-04, благодаря которому формируется совершенно новый рынок необслуживаемых портативных газоанализаторов–клипов.
Для облегчения миграции с термокаталитической технологии на современную оптическую, мы разработали семейство газовых датчиков MIPEX-03, специально адаптированных для простой замены пеллисторов. В условиях ограниченности ресурсов, датчики MIPEX-03 делают доступной новейшую оптическую технологию для широкого спектра компаний, производящих оборудование для газового анализа.
