- 用于監控空氣質量和安全性的傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/12/9
我們知道，象微粒和有毒氣體之類空氣污染對人體健康是有害的。 另一方面，在工業領域，產生自不良燃燒工藝的高濃度氣體，如甲烷、丙烷和一氧化碳，可能存在直接安全風險。 為了克服這些問題，社會各個群體，如房屋業主、商業建筑或工業場所運營商、城市管理部門以及環境機構，都需要有設備來監控空氣質量，檢測是否存在各種氣體。
空氣污染調查
根據世界衛生組織 (WHO) 報告，空氣污染，特別是顆粒物 (PM) 污染，會直接導致各種疾病和死亡。 可能最多只有 10 或 25 微米大小的小微粒（稱 PM10 和 PM25），對健康威脅最大。 此類尺寸的顆粒通常由公路車輛以及家庭和工業活動產生，也有來自然來源，如土壤和沙子。 無論是發達國家還是發展中國家，人們都有可能受到高濃度 PM 污染的傷害。據歐洲環境機構 2012 年報告所稱，歐盟有超過 80% 的城市人口受到 PM 顆粒的傷害，PM 水平高于 2005 年 WHO 的空氣質量指導要求。
城市當局面臨提升空氣質量的壓力。 各種與交通相關的方案已經得到實施，以減少市中心的車輛排放污染。 許多城市已經收取交通擁堵費，以減少車流量，同時其它包括英國伯明翰和考文垂市主導的氫燃料電池車輛試驗和倫敦無線電動車充電在內的研究和試運行工作正如火如荼的展開，其終極目標就是建立廣泛使用電動車的可行基礎設施。 準確的空氣質量數據將為當局提供重要信息，幫助倉位評估此類努力的成果。
空氣質量監控
就室內空氣質量 (IAQ) 來說，家庭和辦公室已有使用空氣凈化器。 最近有高端系統已經進入市場，其中就帶有監控空氣質量的智能傳感器。 這種信息可以通過屏幕顯示給用戶，并且可以用于調節凈化器，以便采用最適當方式來清除各種氣體以及顆粒，如碎頭發、灰塵和煙草煙。
Sharp GP2Y1010 就是一個灰塵傳感器，能夠使用紅外 LED 和光電晶體管檢測出周圍環境所存在的顆粒數量。 空氣樣本可以通過傳感器外殼中的一系列孔提取從而實現監控，這些孔一般位于 IR LED 和檢測器的上面，如圖 1 所示。
Sharp GP2Y1010 灰塵傳感器
圖 1：Sharp GP2Y1010 灰塵傳感器示意圖。
當微粒通過傳感器時，光電晶體管作出響應，指示樣本中的微粒濃度。 這種傳感器的主要優勢就是能夠產生與微粒濃度成正比的輸出 (µg/m³)。 這樣就能簡化空氣質量監控系統的設計，因為這種微粒濃度的表示方式廣泛用于空氣質量監控應用。
建筑物中的人員排放的一氧化碳 (CO2) 水平也對空氣質量有影響，特別是在大型商業建筑中，如辦公大樓。 準確、實時檢測 CO2 提供了一種的手段來有效控制空調或通風系統，以優化空氣質量并最大限度地縮小建筑物的總體能耗。Amphenol Advanced Sensors 的 Telaire CO2 傳感器，如 T6613 和 T6615，能夠讓 HVAC 系統實現按需控制通風 (DCV)。 在 DCV 系統中，當建筑物中存在大量人員活動時，傳感器就會檢測到 CO2 水平上升。 通風系統僅當二氧化碳水平到達一個預定極限值時才啟動，并且當低于可接受的水平時關閉。 當建筑物中很少有人活動時，系統會很少啟動，以免建筑物過通風。 這樣可以減少通風系統能源消耗，并降低供熱成本。
Telaire 傳感器使用非分散紅外 (NDIR) 技術檢測 CO2 的濃度，其中就利用了 CO2 分子能夠吸收特定紅外波長這一特性。 每個傳感器包括一個紅外光源、一個專利的波導、定制設計紅外濾光片以及一個微機械熱電堆檢測器，能夠測量光吸收，使得 CO2 濃度能被計算出來。 T6613 傳感器使用 GE 的專利 ABC Logic™ 自校準算法，讓傳感器隨時根據低人員活動水平來進行校準。 T6615 傳感器是雙通道器件，具有獨立的測量和參照通道，無需使用 ABC Logic（自動校準程序，GE 專利）即可保持長期自動校準。
工業氣體檢測
在包括化工處理、采礦或制造業在內的工業領域，可燃或易爆氣體泄漏（如丙烷或甲烷），或存在象一氧化碳之類潛在危險的氣體，都可能產生安全威脅，需要立即檢測出來。
歐洲 ATEX 指令強制要求雇主不僅要在可能存在爆炸環境的工作場所實施爆炸預防措施，而且要對工作人員提供足夠的防護。 特別要說明的是，1999/92/EC 指令（關于提升有爆炸氣體潛在風險場所的工作人員安全和健康保護）要求在到達爆炸條件前要給工作人員提供足夠的光學和聲學方面的警告并立即進行疏散。
合適的符合 BS EN 60079-29-1:2007 針對可燃氣體的檢測器性能要求和 IEC/EN60079-1 基本安全要求(ESR) 的氣體檢測設備可以按照 ATEX 規范獲得認證。 安全完整性水平 (SIL) 標準 EN50402 和 EN61508 也適用。Parallax 提供各種用于檢測危險氣體的設備和系統的傳感器，可以用在工業應用領域，也可以用在家庭應用領域。 例如 Parallax 605-00008 氣體傳感器適合用于檢測液化石油氣 (LPG)、異丁烷、丙烷、甲烷、酒精或氫氣，也可用于煙霧檢測。 該傳感器由一個小型氧化鋁 (Al2O3) 管子、一個二氧化錫 (SnO3) 感應層、一個測量電極以及一個加熱器組成。 加熱器將感應元件保持在合適的工作溫度。 當連接到如圖 2 所示的電路時，傳感器的電阻會隨著所檢測到的氣體濃度而變化。
經過正確校準后，605-00008 傳感器可以用于觸發警報，通知濃度超過預設水平。 Parallax 建議檢測器在空氣中應校準到能檢測 1000 ppm LPG，或1000 ppm 異丁烷，且負載電阻 (RL) 在 5 kΩ 和 47 kΩ 之間。 為實現精確設置，還應考慮溫度和濕度影響。 氣體敏感性特性和溫度/濕度依賴性在傳感器規格書中有詳細說明。
Parallax 605-00008 氣體傳感器
圖 2：運行 Parallax 605-00008 氣體傳感器的示范電路。
其它應用，如飛機上所用的鍋爐燃燒控制器或氧氣發生器，要求準確檢測氧氣流量，以確保設備正確工作。 氧氣傳感器在這類應用中的壽命比較長。
該傳感器包含兩個二氧化鋯 (ZrO2) 閥瓣，兩個閥瓣之間是一個氣密小室。 其中一個閥瓣起氧氣泵的作用，用于填充和放空小室。 第二個閥瓣測量分壓差比率，并生成相應的感應電壓。 傳感器上的加熱元件產生 700°C 的高溫，這是 ZrO2 正常工作所需的溫度。 與替代型電化傳感器不同，這些氧化鋯型傳感器不要求參照氣體，因此精確度和耐久性更強。
KGZ-10 傳感器由電子測量電路操作，控制傳感器的工作和信號處理。 設計人員既可以將這個電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。 這些接口板實現了操作和讀取傳感器所需的所有功能，包括用于加熱元件的控制電路，同時支持功能測試和校準。 該板的信號處理部分以電壓或電流形式生成所測氧氣量的線性輸出。 DE800 板集成了加熱器電源，而 Oxymac50 和 Elecdit 板要求外部加熱器電源。
結論
氣體和微粒傳感器在測量確保公眾和個人健康的空氣質量方面起著很多重要作用，在象危險報警和過程控制器這樣的工業安全系統中也至關重要。 在有大量人員活動的辦公室或其它建筑中，可靠的空氣質量測量能夠幫助減少運營成本和環境排放。
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