氣體傳感器廣泛用于監(jiān)測(cè)工業(yè)過程、安全系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室和建筑基礎(chǔ)設(shè)施中的氣體濃度。根據(jù)目標(biāo)氣體、所需的精度、操作條件和系統(tǒng)約束，應(yīng)用不同的測(cè)量技術(shù)。

在可用的氣體檢測(cè)技術(shù)中，NDIR (非色散紅外) 和電化學(xué)氣體傳感器是最常用的。它們基于根本不同的物理和化學(xué)原理，因此服務(wù)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

工采網(wǎng)比較了NDIR和電化學(xué)氣體傳感器的區(qū)別，于本文解釋兩種傳感技術(shù)的工作原理，概述它們的典型應(yīng)用案例，并重點(diǎn)介紹為特定應(yīng)用選擇傳感器時(shí)要考慮的關(guān)鍵因素。

了解氣體傳感器的工作原理

氣體傳感器通過將物理或化學(xué)相互作用轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來測(cè)量目標(biāo)氣體的濃度。存在不同的感測(cè)技術(shù)，因?yàn)闅怏w的物理性質(zhì)、反應(yīng)性和所需的檢測(cè)極限不同。

在實(shí)際的氣體檢測(cè)系統(tǒng)中，兩種技術(shù)被最廣泛地使用。NDIR傳感器通過測(cè)量特定波長的紅外光吸收來確定氣體濃度。電化學(xué)傳感器依賴于電極表面的化學(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生與氣體濃度成比例的電流。

這兩種方法都是公認(rèn)的，但針對(duì)不同的操作條件，氣體類型和系統(tǒng)要求進(jìn)行了優(yōu)化。在為特定應(yīng)用選擇傳感器時(shí)，了解這些差異至關(guān)重要。

什么是NDIR氣體傳感器？

NDIR (非分散紅外) 氣體傳感器基于特定分子 (如二氧化碳CO2、甲烷CH4和其他碳?xì)浠衔? 的紅外吸收特性來測(cè)量氣體濃度。每種目標(biāo)氣體吸收特征波長的紅外輻射，這使得選擇性測(cè)量成為可能。

在NDIR傳感器中，紅外源通過包含采樣氣體的測(cè)量室發(fā)射輻射。當(dāng)氣體通過光路時(shí)，部分紅外能量在特定于氣體的波長處被吸收，例如對(duì)于CO2約為4.26 μm。紅外探測(cè)器測(cè)量剩余的輻射強(qiáng)度，并使用朗伯-比爾定律計(jì)算氣體濃度。

典型的NDIR傳感器由紅外發(fā)射器，光學(xué)測(cè)量室，波長選擇濾波器，光電探測(cè)器和信號(hào)處理電子器件組成。該架構(gòu)允許穩(wěn)定的、可重復(fù)的測(cè)量，而在傳感器和氣體之間沒有直接的化學(xué)相互作用。

NDIR技術(shù)用于檢測(cè)氣體，例如二氧化碳CO2，甲烷CH4，丙烷C3H8，制冷劑和其他紅外活性化合物。NDIR傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是長期精度高，不受氧氣濃度的影響，使用壽命可以超過十年。由于傳感原理是純光學(xué)的，因此NDIR傳感器具有抗中毒性，并且表現(xiàn)出最小的長期漂移。

實(shí)際的限制包括與電化學(xué)傳感器相比更高的初始成本，更大的物理尺寸，以及需要保持光學(xué)元件清潔，以保持測(cè)量精度。

什么是電化學(xué)氣體傳感器？

電化學(xué)氣體傳感器通過氣體在工作電極上的氧化或者還原反應(yīng)產(chǎn)生電流，該電流的大小與目標(biāo)氣體的濃度成正比，來測(cè)量氣體濃度。

在電化學(xué)傳感器中，目標(biāo)氣體通過可滲透膜擴(kuò)散到感測(cè)單元中。在電池內(nèi)部，在存在電解質(zhì)的情況下，氣體在一個(gè)或多個(gè)電極的表面處反應(yīng)。該氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流，該電流被處理并轉(zhuǎn)換成濃度值。

典型的電化學(xué)傳感器由陽極、陰極、電解質(zhì)和控制氣體進(jìn)入的擴(kuò)散阻擋層或膜組成。這種結(jié)構(gòu)允許高靈敏度，特別是在低氣體濃度下。

電化學(xué)傳感器通常用于檢測(cè)諸如一氧化碳、硫化氫、氧氣、二氧化氮、二氧化硫、氯和氨的氣體。其緊湊的尺寸和非常低的功耗使其非常適合便攜式和電池供電的設(shè)備。

同時(shí)，電化學(xué)傳感器具有固有的局限性。由于正在進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，傳感元件逐漸退化，這將使用壽命限制在大約一到三年。傳感器性能受溫度和濕度的影響，需要定期校準(zhǔn)以保持精度。此外，大多數(shù)電化學(xué)傳感器依賴于氧的存在來維持反應(yīng)，這限制了它們?cè)谪氀醐h(huán)境中的使用。

NDIR與電化學(xué)傳感器對(duì)比: 

這一比較表明，現(xiàn)代NDIR傳感器將高精度和長使用壽命與便攜式和個(gè)人安全設(shè)備的適用性相結(jié)合，而電化學(xué)傳感器仍然是短期或一次性應(yīng)用的簡(jiǎn)單低功耗解決方案。

要考慮的性能因素

精度和穩(wěn)定性

NDIR傳感器可在長時(shí)間內(nèi)提供穩(wěn)定、可重復(fù)的測(cè)量，并能抵抗信號(hào)漂移和大多數(shù)干擾氣體。電化學(xué)傳感器具有良好的初始精度，但隨著電極和電解質(zhì)的老化，它們的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低。

響應(yīng)時(shí)間

由于在電極表面的直接化學(xué)反應(yīng)，電化學(xué)傳感器通常響應(yīng)稍微更快。NDIR傳感器在1-3秒內(nèi)做出響應(yīng)，這足以在便攜式和個(gè)人安全設(shè)備中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

環(huán)境敏感性

NDIR傳感器在廣泛的溫度和濕度水平范圍內(nèi)保持精度。電化學(xué)傳感器對(duì)快速的環(huán)境變化更敏感，這可能會(huì)影響惡劣或可變條件下的讀數(shù)。

交叉敏感性

電化學(xué)傳感器可能對(duì)非目標(biāo)氣體反應(yīng)，導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù) (例如，CO檢測(cè)中的氫干擾)。NDIR傳感器使用波長選擇性紅外吸收，確保對(duì)目標(biāo)氣體的高選擇性。

維護(hù)和校準(zhǔn)

需要定期校準(zhǔn)以保持NDIR和電化學(xué)氣體傳感器的測(cè)量精度，但兩種技術(shù)之間的長期維護(hù)工作差異很大。

NDIR傳感器通常不需要頻繁的校準(zhǔn)，通常間隔為六到十二個(gè)月，具體取決于操作條件和監(jiān)管要求。許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)結(jié)合了自校準(zhǔn)功能，例如自動(dòng)基線校正 (ABC)，其補(bǔ)償隨時(shí)間的緩慢基線漂移。由于傳感原理是光學(xué)和非消耗性的，因此NDIR傳感器不依賴于可更換的組件，從而降低了維護(hù)工作量并可預(yù)測(cè)長期性能。

電化學(xué)傳感器需要更頻繁的校準(zhǔn)，通常每三到六個(gè)月。它們的傳感元件由于正在進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)而逐漸退化，這限制了使用壽命并需要定期更換傳感器。長期儲(chǔ)存條件也會(huì)影響性能，特別是在干燥或貧氧環(huán)境中。

在常規(guī)維護(hù)訪問可能受到限制的便攜式和個(gè)人安全設(shè)備中，降低的校準(zhǔn)頻率和耗材的缺乏使NDIR傳感器更適合長期部署。

功耗和IoT集成

電源效率是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，特別是對(duì)于電池供電的便攜式設(shè)備。

傳統(tǒng)上，由于紅外光源，NDIR傳感器被認(rèn)為是相對(duì)耗電的。但是，基于MEMS IR發(fā)射器和優(yōu)化的占空比的現(xiàn)代設(shè)計(jì)已顯著降低了功耗，使NDIR傳感器適用于具有長電池壽命的便攜式儀器和個(gè)人安全設(shè)備。它們的穩(wěn)定輸出和低漂移在頻繁重新校準(zhǔn)不切實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中特別有價(jià)值。

電化學(xué)傳感器保持高能效，非常適合超低功耗可穿戴探測(cè)器和緊湊型個(gè)人監(jiān)視器。它們的低電流消耗允許在小型電池供電設(shè)備中連續(xù)運(yùn)行，盡管這以更短的傳感器壽命和更高的維護(hù)要求為代價(jià)。

從物聯(lián)網(wǎng)集成的角度來看，這兩種傳感器類型都可以使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口和協(xié)議 (如Wi-Fi、LoRa、Zigbee或nb-iot) 輕松連接到無線網(wǎng)絡(luò)。NDIR傳感器越來越多地用于連接的便攜式氣體檢測(cè)器和自主安全節(jié)點(diǎn)，而電化學(xué)傳感器通常部署在輕型個(gè)人安全設(shè)備中。

在互聯(lián)安全系統(tǒng)中，NDIR和電化學(xué)技術(shù)之間的選擇不僅取決于功耗，還取決于所需的使用壽命、校準(zhǔn)策略和總擁有成本。

按傳感器類型的應(yīng)用

NDIR傳感器應(yīng)用

NDIR氣體傳感器越來越多地用于便攜式和自主檢測(cè)設(shè)備，其中長期穩(wěn)定性，低漂移和可預(yù)測(cè)的性能至關(guān)重要。

典型應(yīng)用包括:

• 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和維護(hù)人員使用的用于CH4，CO2和碳?xì)浠衔锏谋銛y式氣體探測(cè)器

• 個(gè)人安全裝置需要較長的使用壽命和最小的重新校準(zhǔn)

• 工業(yè)安全監(jiān)測(cè)，包括危險(xiǎn)區(qū)域的固定和半便攜式探測(cè)器

• 工業(yè)和服務(wù)應(yīng)用中的制冷劑和碳?xì)浠衔镄孤z測(cè)

• 電池供電的IoT gas節(jié)點(diǎn)，用于低維護(hù)要求的連續(xù)監(jiān)控

現(xiàn)代低功耗NDIR設(shè)計(jì)使該技術(shù)不僅適用于固定安裝，而且適用于緊湊，移動(dòng)和連接的安全設(shè)備。

電化學(xué)傳感器應(yīng)用

電化學(xué)傳感器廣泛用于需要在低濃度下的高靈敏度和非常低的功耗的應(yīng)用中。

典型應(yīng)用包括:

• 個(gè)人氣體監(jiān)測(cè)儀，用于檢測(cè)CO、H2S、SO2、NO2和O2等有毒氣體

• 密閉空間進(jìn)入探測(cè)器和工人安全設(shè)備

• 電池容量有限的便攜式和可穿戴氣體探測(cè)器

• 痕量有毒氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器

• 選擇性至關(guān)重要的醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)室氣體分析

電化學(xué)傳感器仍然是便攜式有毒氣體檢測(cè)的優(yōu)先選擇，特別是在緊湊尺寸和超低功耗操作優(yōu)先的情況下。

可靠性和安全性

對(duì)于工廠、基礎(chǔ)設(shè)施或潔凈室等關(guān)鍵任務(wù)安裝，NDIR傳感器因其長期穩(wěn)定性、可預(yù)測(cè)的性能以及不含電解質(zhì)等消耗性成分而被廣泛使用。他們提供穩(wěn)定的讀數(shù)多年，不受腐蝕，傳感器中毒，或電解質(zhì)泄漏。

電化學(xué)傳感器由于其緊湊的尺寸、低功耗和快速響應(yīng)，仍然是個(gè)人安全和短期監(jiān)測(cè)的有力選擇。同時(shí)，低功耗和小型化NDIR技術(shù)的最新進(jìn)展使紅外傳感器越來越適合便攜式和可穿戴安全設(shè)備，將長期可靠性與電池供電操作相結(jié)合。

氣體檢測(cè)的未來趨勢(shì)

傳感器，電子和連接性的進(jìn)步正在穩(wěn)步縮小NDIR和電化學(xué)技術(shù)之間的差距。基于MEMS的小型化NDIR傳感器正在實(shí)現(xiàn)適用于便攜式和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的緊湊型低功耗設(shè)計(jì)?；旌戏椒ㄕ诔霈F(xiàn)，將紅外傳感器的長期穩(wěn)定性與電化學(xué)元件的快速響應(yīng)相結(jié)合。

在系統(tǒng)層面，人工智能輔助的自校準(zhǔn)、邊緣處理和下一代連接 (包括5g和LPWAN) 正在將氣體檢測(cè)從反應(yīng)式報(bào)警轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測(cè)性安全系統(tǒng)。該行業(yè)正在向連接的智能多傳感器平臺(tái)發(fā)展，以平衡精度，能源效率和生命周期成本。

結(jié)論

NDIR和電化學(xué)氣體傳感器在現(xiàn)代氣體檢測(cè)中都起著重要作用。

NDIR傳感器提供高精度，長期穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)的性能，使其不僅適用于固定系統(tǒng)，還適用于使用低功耗設(shè)計(jì)的便攜式和個(gè)人安全設(shè)備。

電化學(xué)傳感器在低濃度下提供低初始成本和高靈敏度，這使得它們可用于緊湊、短壽命的檢測(cè)器。

正確的選擇取決于應(yīng)用優(yōu)先級(jí): 使用NDIR的長使用壽命和測(cè)量穩(wěn)定性，或使用電化學(xué)技術(shù)的最小尺寸和前期成本。

FAQ:

1、NDIR和電化學(xué)傳感器的主要區(qū)別是什么？

NDIR傳感器通過紅外光吸收測(cè)量氣體濃度，而電化學(xué)傳感器通過與目標(biāo)氣體的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。

2、隨著時(shí)間的推移，哪種傳感器類型更準(zhǔn)確？

NDIR傳感器提供更高的長期精度和穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼈兊臏y(cè)量原理不依賴于可消耗的化學(xué)成分。

3、每種傳感器的典型使用壽命是多少？

NDIR傳感器通常工作10-15年，而電化學(xué)傳感器通常持續(xù)1-3年，然后才需要更換。

4、這兩種技術(shù)都可以用于便攜式和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備嗎？

是的。現(xiàn)代低功率NDIR傳感器適用于便攜式和個(gè)人安全設(shè)備，而電化學(xué)傳感器通常用于緊湊型，電池供電的檢測(cè)器。

5、每種技術(shù)可以檢測(cè)哪些氣體？

NDIR傳感器用于二氧化碳、甲烷和碳?xì)浠衔?。電化學(xué)傳感器用于CO，O2，H2S，SO2，NO2和NH3等有毒氣體。

6、盡管前期成本較高，但NDIR傳感器是否具有成本效益？

是的。隨著時(shí)間的推移，它們的長壽命和低維護(hù)要求通常會(huì)降低總擁有成本。

7、電化學(xué)傳感器是否需要氧氣才能運(yùn)行？

是的。電化學(xué)傳感器的氧化還原反應(yīng)依賴于氧氣，在貧氧環(huán)境中可能無法正常工作。

8、哪種傳感器更適合個(gè)人和工業(yè)安全應(yīng)用？

在需要長期穩(wěn)定性、低漂移和可預(yù)測(cè)性能的情況下，NDIR傳感器是優(yōu)選的，而電化學(xué)傳感器適用于短期或成本敏感的便攜式安全裝置。