Zaloguj się
Wszystkie
10 lipca 2025
31
Chyba największymi motorami napędowymi tego segmentu elementów elektronicznych są: rosnąca świadomość społeczna, a zarazem zaostrzające się normy środowiskowe dotyczące powietrza, którym oddychamy. Jest to szczególnie widoczne w segmencie najtańszych komponentów. Zwiększone zapotrzebowanie na czujniki gazów, dymu czy układy pozwalające na szacowanie jakości powietrza sprawiło, że na rynku pojawiło się wiele prostych w implementacji elementów tego rodzaju. Wysoki popyt na te układy, wynikający z masowości ich stosowania, sprawił z kolei, że ich ceny są obecnie naprawdę niewygórowane.
Do grupy elementów, o której traktuje poniższy artykuł, zalicza się szerokie spektrum sensorów, które łączy funkcja – badanie jakichś parametrów powietrza (czy dokładniej mówiąc – gazów oraz ich mieszanin).
VOC, o których mowa jest w tekście, to – jak podaje CIOP (Centralny Instytut Ochrony Pracy) – szeroka grupa organicznych związków chemicznych, które łatwo parują w temperaturze otoczenia (tj. których temperatura wrzenia mieści się w zakresie 50...250°C) i charakteryzują się wysoką prężnością par oraz małą rozpuszczalnością w wodzie. W warunkach domowych VOC emitowane są przede wszystkim przez materiały wykończeniowe (np. dywany, wykładziny, laminaty czy płyty meblowe) oraz farby, kleje, szpachlówki, ale również środki czyszczące, kosmetyki czy aerozole. Krótkotrwale ekspozycje na podwyższone poziomy tych związków w powietrzu mogą powodować podrażnienia dróg oddechowych, bóle głowy, nudności czy np. zaburzenia koordynacji. Długotrwała ekspozycja prowadzić może do uszkodzenia wątroby, nerek, układu nerwowego, a dodatkowo VOC mogą zwiększać ryzyko powstawania nowotworów. Wiele z tych związków reaguje dodatkowo na światło, tworząc ozon, który w zwiększonych stężeniach również ma bardzo negatywny wpływ na nasze zdrowie.
Poziomy VOC w naszym otoczeniu nie przekraczają na ogół poziomu ok. 5 ppm (części na milion, tj. 1 ppm = 0,0001%), ale typowe wartości stężenia w naszych domach mieszczą się w zakresach od 0...0,065 ppm (warunki idealne) do 0,66...2 ppm (kiepska jakość powietrza).
Inny spośród ważnych współczynników jakości powietrza opisuje tzw. pyły zawieszone. Wskaźniki PM2,5 oraz PM10 mówią o zawartości mieszaniny drobnych cząstek stałych i ciekłych unoszących się w powietrzu. Podział dotyczy rozmiaru cząstek: wskaźnik PM10 opisuje frakcję cząstek o średnicy ≤10 μm, osiadającą głównie w górnych drogach oddechowych, z kolei PM2,5 opisuje cząstki mniejsze (≤2,5 μm), które penetrują nawet oskrzeliki czy nawet przenikają do krwiobiegu – co czyni ją szczególnie niebezpiecznymi dla zdrowia. Głównym źródłem PM10 jest spalanie paliw, w tym drewna, węgla czy paliw motoryzacyjnych. Pyły PM2,5 powstają również na skutek spalania gazowych. Krótkotrwała ekspozycja na podwyższoną koncentrację pyłów może powodować podrażnienia, zaostrzenie astmy, zaburzenia pracy układu krążenia, natomiast długotrwała prowadzi do przewlekłych chorób serca, układu oddechowego czy też nowotworów (np. płuc lub krtani).
Za bezpieczne (wg europejskiej dyrektywy AAQD) uznaje się poziomy rocznej ekspozycji do 20 μg/m³ dla PM2,5 i 40 μg/m³ dla PM10. Typowe pomiary w domach mieszczą się w większości przypadków w zakresie od 0 do 1 μg/m³.
Oprócz powyższych parametrów mierzone są także wielkości bardziej oczywiste: stężenia tlenków azotu (czyli Nox, a w szczególności dwutlenku azotu – NO2) – pochodzących z ruchu drogowego, dwutlenku siarki (SO2) – będącego produktem procesów spalania wielu paliw (głównie węgla i biomasy), a także dwutlenku i tlenku węgla (CO2 oraz CO). Spośród dwóch ostatnich ten pierwszy wykorzystuje się tylko jako wskaźnik jakości powietrza, zwłaszcza w pomieszczeniach, zaś drugi to znany wszystkim czad, czyli bardzo niebezpieczny gaz powstający głównie w niesprawnych piecach. Dlatego detektory czadu są bardzo ważne w miejscach, gdzie znajdują się piece węglowe czy gazowe (zwłaszcza starsze). Podwyższony poziom tego bezwonnego gazu w powietrzu może doprowadzić do ciężkiego zatrucia, a nawet zgonu, w bardzo krótkim czasie.
Rodzaje czujników i zasady ich działania
Czujniki półprzewodnikowe/oparte na tlenkach metali (MOX – Metal Oxide lub MOS – Metal Oxide Semiconductor)
Czujniki te oparte są na podobnej zasadzie działania, co tranzystory polowe (FET – Field Effect Transistor), ale zamiast sterowanej elektrycznie bramki nadają one półprzewodnikową warstwę reaktywną formującą kanał. Warstwa ta najczęściej wykonywana jest z tlenku cyny, który wykazuje właściwości półprzewodzące. Inne materiały, z jakich wykonywane są te elementy, to tlenek cynku (ZnO), czy wolframu (WO3).
W czystym powietrzu elektrony donorowe w dwutlenku cyny są przyciągane w kierunku tlenu atmosferycznego, który jest adsorbowany na powierzchni materiału, zapobiegając przepływowi prądu elektrycznego. W obecności gazów redukujących, takich jak tlenek węgla, gęstość powierzchniowa zaadsorbowanego tlenu zmniejsza się, ponieważ reaguje on z wykrywanymi gazami. Oznacza to zwiększenie koncentracji elektronów, co umożliwia swobodny przepływ prądu przez czujnik, a tym samym zmniejszenie jego rezystancji.
Aby zwiększyć czułość i szybkość działania tych sensorów, elementy te są podgrzewane, dzięki czemu reakcja z tlenem zachodzi o wiele szybciej. Niestety przekłada się to na zmniejszenie żywotności sensora (typowo do kilku lat użytkowania) oraz zwiększenie poboru mocy.
Sensory te stosuje się głównie do detekcji gazów palnych, tlenku węgla, alkoholu i VOC. Charakteryzują się one dosyć wysoką czułością, ale niską selektywnością (co oznacza, że wiele rodzajów gazów powoduje aktywację sensora).
Sensory MOS nie są zbyt szybkie – czas narastania sygnału jest na poziomie od pojedynczych sekund do pojedynczych minut, podobnie czas regeneracji materiału sensora (tj. czas, po jakim wskazanie spadnie do poziomu wyjściowego po eliminacji wykrywanych gazów z otoczenia). Dodatkowo, wiele z tych sensorów wymaga wygrzewania – nawet do 24 h – przed kalibracją i normalnym działaniem w systemie.
Czujniki rezystancyjne (chemorezystancyjne sensory VOC)
Sensory te są bardzo podobne do opisanych powyżej sensorów MOX, ale zostały one zoptymalizowane do detekcji organicznych substancji lotnych i gazów. Zmiana oporu sensora następuje nie w wyniku reakcji redukcji, a adsorpcji cząsteczek związków organicznych na powierzchni czułego materiału sensora (stosowane są tutaj tlenki metali, jak i wybrane materiały organiczne).
Sensory te mają podobne parametry, jak zwykłe czujniki MOX, jednak są bardziej selektywne, kosztem zmniejszonej czułości. Tego rodzaju elementy stosowane są często w miernikach jakości powietrza czy systemach smart-home.
Wśród najbardziej znanych czujników rezystancyjnych znajdują się popularne i szeroko dostępne układy:
- MQ-2 – detekcja dymu, LPG, metan, butan
- MQ-3 – metan, CNG,
- MQ-4 – LPG, gaz ziemny,
- MQ-7B – tlenek węgla (CO),
- MQ-135 – CO, amoniak, benzen, alkohole, dym.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
