Cảm biến khí gas là gì? Nguyên lý hoạt động và cách ứng dụng

Cảm biến khí gas là thiết bị phát hiện và đo nồng độ khí cháy, khí độc trong không khí, dùng để cảnh báo rò rỉ và giám sát môi trường làm việc. Bài viết trình bày cảm biến khí gas là gì, nguyên lý hoạt động, các loại cảm biến khí gas phổ biến và ứng dụng.

1. Cảm biến khí gas là gì?

Cảm biến khí Gas là một thiết bị quan trọng được sử dụng để đo lường và giám sát khí trong môi trường dựa trên các nguyên tắc cảm biến khác nhau và sử dụng các thiết bị điện tử.

Các phương pháp phát hiện khác nhau này bao gồm hấp thụ, dẫn điện, quang phổ hoặc cơ khí để xác định sự có mặt của khí trong không khí. Với mỗi phương pháp, cảm biến có khả năng chuyển đổi tín hiệu từ khí đã phát hiện thành các giá trị đo lường có thể được hiển thị trên các thiết bị điện tử hoặc máy tính.

Đầu dò cảm biến khí gas gắn tường để phát hiện rò rỉ — Cảm biến khí gas là gì

Nói cách khác, cảm biến khí Gas là một công cụ quan trọng trong việc giám sát và kiểm soát môi trường. Nó cho phép chúng ta xác định các thành phần và nồng độ của khí trong không khí, giúp chúng ta nắm bắt thông tin quan trọng về chất lượng không khí và đưa ra các biện pháp phòng ngừa và kiểm soát thích hợp.

2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí gas

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến rò rỉ khí Gas phụ thuộc vào cách mà các loại khí tương tác với vật liệu của cảm biến. Cảm biến rò rỉ khí Gas thường sử dụng một hoặc nhiều trong các phương pháp phát hiện khí sau đây để xác định sự có mặt của các loại khí trong không khí: 1. Phương pháp bán dẫn oxit kim loại: khí hấp phụ lên bề mặt lớp oxit (SnO2, WO3) được nung nóng, làm điện trở của lớp này thay đổi theo nồng độ khí.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến khí gas — Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí gas

2. Phương pháp quang phổ: Cảm biến sử dụng kỹ thuật quang phổ để phát hiện sự có mặt của các loại khí trong không khí. Mỗi loại khí hấp thụ ánh sáng ở một bước sóng đặc trưng; cảm biến đo mức suy giảm cường độ ở bước sóng đó để tính nồng độ khí. 3. Phương pháp điện hóa: khí phản ứng ôxi hóa hoặc khử tại điện cực, sinh dòng điện tỷ lệ với nồng độ khí.

Từ những thay đổi này, cảm biến có thể phát hiện sự có mặt của các loại khí trong môi trường và chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu đo lường có thể hiển thị hoặc xử lý bởi các thiết bị điện tử hoặc máy tính.

3. Phân loại các loại cảm biến khí gas phổ biến

3.1 Cảm biến khí gas bán dẫn

Được thiết kế bằng cách sử dụng các vật liệu bán dẫn như SnO2 (oxit thiếc) hoặc WO3 (oxit wolfram) để tương tác với khí và thay đổi điện trở. Khi cảm biến phát hiện khí, sự thay đổi điện trở này sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện để cảnh báo người sử dụng về sự hiện diện của khí đó. Cảm biến khí gas bán dẫn có rất nhiều ứng dụng khác nhau. Chúng có thể được sử dụng để kiểm soát môi trường trong phòng sạch, phát hiện khí độc trong không khí, và giám sát chất lượng không khí trong xe hơi. Cảm biến này có thể hoạt động độc lập hoặc được kết hợp với các hệ thống điều khiển để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Cảm biến khí gas bán dẫn dùng oxit kim loại SnO2 — Cảm biến khí gas bán dẫn

3.2 Cảm biến khí gas điện hóa

Đây là một loại cảm biến được sử dụng để phát hiện khí trong môi trường xung quanh bằng cách sử dụng phản ứng điện hóa giữa khí và điện cực. Cảm biến gồm các điện cực (thường là điện cực làm việc, điện cực đối và điện cực tham chiếu) đặt trong chất điện ly, ngăn với không khí bằng màng thấm khí. Khí khuếch tán qua màng, phản ứng tại điện cực làm việc và sinh dòng điện tỷ lệ với nồng độ khí. Có nhiều loại cảm biến khí gas điện hóa khác nhau, mỗi loại phản ứng với các loại khí khác nhau và được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Ví dụ, cảm biến này có thể được sử dụng để phát hiện khí CO (carbon monoxide) trong các môi trường như nhà ở, khí NOx (nitrogen oxides) trong xe hơi, hoặc khí H2S (hydrogen sulfide) trong các ngành công nghiệp.

3.3 Cảm biến rò rỉ khí gas NDIR

NDIR (Non-Dispersive Infrared) là một loại cảm biến được sử dụng để phát hiện rò rỉ khí gas trong môi trường. Cảm biến khí gas này hoạt động dựa trên nguyên tắc đo sự hấp thụ của khí gas đối với ánh sáng hồng ngoại để xác định nồng độ khí trong không khí.

Cảm biến khí gas NDIR đo độ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại — Cảm biến rò rỉ khí gas NDIR

Cụ thể, cảm biến NDIR sử dụng một nguồn sáng hồng ngoại để phát ra tín hiệu ánh sáng có bước sóng cụ thể. Ánh sáng này sau đó được dẫn qua mẫu khí cần đo. Nếu có khí gas trong mẫu khí, nó sẽ hấp thụ một phần ánh sáng, dẫn đến giảm năng lượng của ánh sáng. Một máy đo ánh sáng được đặt ở phía bên kia của mẫu khí sẽ đo lượng ánh sáng bị giảm, và dựa trên sự giảm này, cảm biến tính toán nồng độ khí gas có mặt trong môi trường. Phương pháp này cho phép cảm biến NDIR xác định nồng độ khí gas một cách chính xác và đáng tin cậy. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như kiểm tra khí CO2 (carbon dioxide) trong các hệ thống điều hòa không khí, đo khí CH4 (methane) trong quá trình sản xuất và kiểm soát quá trình công nghiệp, và giám sát khí CO (carbon monoxide) trong các ngành công nghiệp và giao thông.

3.4 Cảm biến khí gas xúc tác

Loại cảm biến này được sử dụng để phát hiện và đo nồng độ khí gas trong môi trường bằng cách sử dụng phản ứng hóa học giữa khí gas và chất xúc tác để tạo ra tín hiệu điện. Cảm biến có hạt xúc tác được nung nóng; khí cháy bị đốt trên bề mặt hạt, nhiệt sinh ra làm điện trở dây nung thay đổi và được đo bằng mạch cầu Wheatstone. Độ lệch điện trở tỷ lệ với nồng độ khí cháy trong môi trường. Tín hiệu điện này được chuyển đến một bộ điều khiển để tính toán và hiển thị nồng độ khí gas.

Cảm biến khí gas xúc tác phát hiện khí cháy trong công nghiệp — Cảm biến khí gas xúc tác

Loại này dùng đo khí cháy như methane, LPG, hydro theo phần trăm giới hạn cháy dưới (%LEL) trong nhà máy, kho gas, trạm nhiên liệu.

3.5 Cảm biến khí gas quang hóa

Cảm biến laser dùng tia laser có bước sóng trùng vạch hấp thụ của khí cần đo, chiếu qua vùng khí và đo mức suy giảm cường độ để tính nồng độ; loại này đo nhanh, chọn lọc cao và đo được trên đường quang dài. Phương pháp này cho phép cảm biến phản ứng với các loại khí gas khác nhau và có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm kiểm soát chất lượng không khí trong nhà, phòng sạch, công nghiệp và hóa chất, và giám sát môi trường trong giao thông vận tải. Tín hiệu quang học được sử dụng để đo nồng độ khí gas có thể được chuyển đến các thiết bị điện tử hoặc máy tính để hiển thị và xử lý thông tin liên quan.

3.6 Cảm biến khí gas từ tính

Cảm biến khí gas từ tính là một loại cảm biến sử dụng từ tính để đo lường hàm lượng khí trong không khí. Cảm biến thuận từ (paramagnetic) dựa trên tính thuận từ mạnh của oxy: oxy bị hút vào vùng từ trường làm lệch một phần tử đo, độ lệch tỷ lệ với nồng độ O2. Loại này dùng chủ yếu trong máy phân tích oxy công nghiệp và y tế.

Cảm biến khí gas từ tính đo hàm lượng khí trong không khí — Cảm biến khí gas từ tính

Tín hiệu đầu ra từ cảm biến này có thể được chuyển đến các thiết bị hiển thị hoặc hệ thống điều khiển để theo dõi và điều chỉnh môi trường khí quyển.

3.7 Cảm biến khí gas dẫn nhiệt

Cảm biến khí gas dẫn nhiệt là một loại cảm biến sử dụng nguyên lý dẫn nhiệt để đo lường hàm lượng khí trong không khí. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến này dựa trên sự tương tác giữa khí và một nguồn nhiệt để tạo ra sự thay đổi trong nhiệt độ. Cảm biến có hai phần tử được nung nóng, một tiếp xúc khí mẫu, một nằm trong khí chuẩn. Khí có độ dẫn nhiệt khác không khí làm phần tử đo nguội nhanh hoặc chậm hơn, độ lệch điện trở đo bằng cầu Wheatstone cho ra nồng độ. Loại này hợp đo nồng độ cao của hydro, heli, CO2. Cảm biến khí gas dẫn nhiệt được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng đo lường khí trong ngành công nghiệp và môi trường. Cảm biến này có thể được tích hợp vào hệ thống điều khiển hoặc giao diện người dùng để giám sát liên tục.

4. Ứng dụng của cảm biến khí gas

Cảm biến khí gas có nhiều ứng dụng phổ biến, như sau: 1. Phát hiện sự có mặt của khí gas trong nhà: Cảm biến được sử dụng để phát hiện các khí độc như khí CO, khí độc H2S và các loại khí khác trong môi trường nhà ở. Khi cảm biến phát hiện có mặt của khí gas, nó sẽ phát ra cảnh báo để người dùng có thể thực hiện các biện pháp an toàn. 2. Giám sát môi trường làm việc trong ngành công nghiệp: Cảm biến khí gas được sử dụng để giám sát môi trường làm việc trong các ngành công nghiệp như nhà máy sản xuất hóa chất, nhà máy xử lý nước thải, khu vực khai thác dầu khí và các khu vực nguy hiểm khác.

Ứng dụng cảm biến khí gas giám sát môi trường trong nhà máy — Ứng dụng của cảm biến khí gas

3. Đo lường chất lượng không khí trong khu vực công cộng: Cảm biến khí gas có thể được sử dụng để đo lường chất lượng không khí trong các khu vực công cộng như công viên, trung tâm mua sắm và các khu vực khác, nhằm đảm bảo môi trường sống lành mạnh. Cảm biến này thường được sử dụng để kiểm tra chất lượng không khí trong máy lọc không khí. 4. Ứng dụng y tế: Cảm biến khí gas cũng có thể được sử dụng như thiết bị đo nồng độ cồn, phân tích hơi thở và kiểm tra chất lượng không khí trong các phòng mổ và phòng điều trị. 5. Ứng dụng trong ngành công nghiệp: Cảm biến khí gas được sử dụng trong ngành công nghiệp để theo dõi nồng độ các khí độc hại trong quá trình sản xuất và làm việc. 6. Ứng dụng trong phòng cháy chữa cháy: cảm biến khí phát hiện rò rỉ khí cháy trước khi đạt ngưỡng nổ và phát hiện CO từ đám cháy âm ỉ, bổ sung cho đầu báo khói. 7. Ứng dụng trong khai thác mỏ: Cảm biến khí gas được sử dụng để kiểm tra nồng độ các chất khí trong mỏ, đảm bảo an toàn cho công nhân làm việc trong môi trường mỏ. Cảm biến khí gas là một công nghệ thiết yếu trong việc đảm bảo an toàn và bảo vệ môi trường. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện kịp thời các loại khí độc hại, từ đó ngăn ngừa các tai nạn và sự cố đáng tiếc. Sự phát triển liên tục của cảm biến khí gas, với độ nhạy và độ chính xác ngày càng cao, giúp nâng cao hiệu quả giám sát và kiểm soát chất lượng không khí.

Chọn thiết bị cho hệ thống giám sát cảm biến khí gas

Trong nhà máy hóa chất, kho gas hay trạm xử lý nước thải, nhiều đầu dò khí gas được nối về một máy tính để hiển thị nồng độ, lưu lịch sử và đóng còi, quạt hút khi vượt ngưỡng. Kỹ sư IPC247 gợi ý ba tiêu chí:

Cổng RS-485 để đọc đầu dò theo Modbus và DIO cách ly để nhận tín hiệu rơ-le cảnh báo, điều khiển quạt, van. Advantech UNO-1372G gắn thanh DIN, có 2 cổng COM, 8 DI/O, 3 cổng LAN và hai đầu vào nguồn dự phòng.
Thiết kế không quạt, dải nhiệt −20…70 °C và nguồn 9–36 V DC cho tủ ngoài trời. Advantech ARK-2121F có 6 cổng COM, DIO cách ly, nguồn 9–36 V DC và đạt −20…70 °C khi cấu hình SSD nhiệt rộng (lắp HDD chỉ 0…45 °C).
Khu vực có nguy cơ nổ cần tủ và đầu dò đạt chứng nhận phòng nổ; máy tính đặt ngoài vùng nguy hiểm. Xem nhóm máy tính công nghiệp không quạt để chọn cấu hình.

Để lọc máy theo nhiệt độ, nguồn và số cổng COM, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến khí gas

Cảm biến khí gas là gì?

Cảm biến khí gas là linh kiện phát hiện sự có mặt và đo nồng độ của một loại khí trong không khí, như LPG, methane, CO, H2S hay CO2. Cảm biến chuyển tương tác giữa khí và vật liệu cảm biến thành tín hiệu điện để mạch xử lý đọc được. Tín hiệu này dùng để hiển thị nồng độ, bật cảnh báo hoặc điều khiển quạt, van.

Gas detector là gì, khác cảm biến khí gas ở đâu?

Gas detector là thiết bị hoàn chỉnh gồm cảm biến khí gas, mạch xử lý, nguồn, màn hình hoặc đèn còi cảnh báo và cổng tín hiệu ra. Cảm biến khí gas chỉ là phần tử đo bên trong. Khi mua thiết bị lắp cho nhà máy, người dùng thường chọn gas detector có tín hiệu 4–20 mA hoặc RS-485 để nối về hệ thống giám sát.

Nên dùng loại cảm biến khí gas nào để phát hiện rò rỉ gas LPG?

Với gas LPG và khí cháy nói chung, hai loại phổ biến là cảm biến bán dẫn và cảm biến xúc tác. Cảm biến bán dẫn giá thấp, phù hợp báo rò rỉ trong nhà bếp, nhà hàng. Cảm biến xúc tác dùng trong công nghiệp vì đo được nồng độ theo phần trăm giới hạn cháy dưới (LEL). Khu vực có nguy cơ nổ cần đầu dò có chứng nhận phòng nổ.

Cảm biến khí gas có phải là cảm biến áp suất khí gas không?

Không. Cảm biến khí gas đo nồng độ khí trong không khí. Cảm biến áp suất khí gas đo áp suất trong đường ống hoặc bình chứa để kiểm soát cấp gas. Hai loại thường được lắp cùng nhau trong trạm gas: một đo áp suất vận hành, một cảnh báo rò rỉ.

Bao lâu cần hiệu chuẩn cảm biến khí gas?

Cảm biến khí gas bị trôi theo thời gian do vật liệu cảm biến lão hóa. Nhà sản xuất thường khuyến nghị kiểm tra nhanh bằng khí chuẩn (bump test) định kỳ và hiệu chuẩn đầy đủ mỗi 6–12 tháng. Cảm biến điện hóa có tuổi thọ giới hạn, cần thay khi hết hạn dù chưa hỏng.

Cảm biến khí gas là gì? Phân loại, nguyên lý hoạt động và ứng dụng