31 января 2005
А. Федоров, А. Лукьянченко. Применение газовых сенсоров в системах автоматической пожарной сигнализации.
А. Федоров, А. Лукьянченко
Мир и безопасность № 4, 2004
В настоящее время для обнаружения пожара применяется целый ряд различных типов пожарных извещателей, действие которых основано на фиксировании опасных факторов пожара (наличие дыма, повышение температуры, открытого пламени и т.д.) на защищаемой площади.
Но для всех этих устройств характерен один недостаток - такие датчики ждут, когда опасные факторы пожара достигнут самого извещателя (наличие дыма, тепловое воздействие). А ведь нередки случаи, когда по объективным причинам обнаружение пожара может быть затруднено. Например, наличие активного кондиционирования воздуха, сложная конфигурация размещения оборудования и материалов и т.д. Все это может привести к увеличению суммарного времени обнаружения пожара, что приводит к реальной угрозе жизни и здоровья человека, экологической опасности, техногенным катастрофам и другим опасным факторам.
В этих случаях на помощь стандартным пожарным извещателям приходят датчики сверхраннего обнаружения пожара - газоанализаторы, действие которых основано на контроле химического состава воздуха, резко изменяющегося из-за термического разложения, пиролиза, перегретых и начинающих тлеть горючих материалов. Именно на этой стадии развития пожара можно принять адекватные меры его тушения, а в случае перегрева приборов и оборудования их можно отключить автоматически по сигналу с газового датчика, ликвидировав тем самым развивающуюся пожарную опасность в самой ранней ее стадии развития. Конечно, ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления), определяется составом материалов, включенных в этот процесс, однако, в подавляющем большинстве случаев можно уверенно выделить основные характерные газовые компоненты. Такого рода исследования проводились ВНИИПО в стандартной камере, используемой для имитации пожара объемом 60 м3. Состав выделяющихся при горении газов определялся при помощи хроматографии.
Результаты эксперимента таковы: водород является основным компонентом выделяемых газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы. На начальной стадии пожара в процессе тления концентрация водорода составляет 10-20 ррт. В дальнейшем происходит нарастание содержания ароматических углеводородов на фоне присутствия недоокисленного углерода - монооксида углерода СО, 20-80 ррт. При появлении пламени растет концентрация двуокиси углерода СO2 до уровня 1000 ррт, что соответствует сгоранию 40-50 граммов древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 м3 или эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. С другой стороны, такой уровень СO2 достигается в результате присутствия в помещении двух человек в течение 1 часа.
Эти эксперименты показали, что порог обнаружения системы раннего предупреждения пожара для большинства газов, в том числе для основных компонентов угарного газа: водорода – Н2 и монооксида углерода -СО, должен находиться на уровне 20 ррт в атмосферном воздухе при нормальных условиях, а быстродействие системы желательно иметь не хуже, чем 10 секунд. Именно этот вывод можно рассматривать как основополагающий и достаточный для разработок целого ряда предупреждающих пожарных газовых сигнализаторов. А высокую чувствительность (для Н2 от 0.01 ррт), селективность, быстродействие и дешевизну полупроводниковых газовых датчиков можно с уверенностью рассматривать как основное их преимущество в сравнении с другими типами пожарных извещателей. Используемые в них физико-химические принципы детектирования сигналов, бесспорно, сочетаются с современными микроэлектронными технологиями, что обуславливает низкую стоимость изделий при массовом производстве и высокие технические, энергосберегающие характеристики.
Для того чтобы физико-химические процессы протекали на поверхности чувствительного слоя достаточно быстро, обеспечивая тем самым требуемое быстродействие на уровне нескольких секунд, сенсор периодически разогревают до температуры 450-500° С, активизируя тем самым его поверхность. В качестве чувствительных полупроводниковых слоев обычно используют мелкодисперсионные оксиды металлов (SnO2, ZnO, Zn2O3 и др. с легирующими добавками Pt, Pd и др.) с развитой удельной поверхностью около 30 м2/г из-за структурной пористости формируемых материалов, достигаемой благодаря некоторым технологическим приемам. Нагревателем является резистивный слой, выполненный из инертных материалов (Pt, RuO2, Аи и др.), электрически изолированный от полупроводникового слоя. При кажущейся простоте их технология формирования сконцентрировала в себе все последние достижения материаловедения и микроэлектронной технологии. Это связано с тем, что для обеспечения конкурентоспособности сенсор должен работать несколько лет, находясь периодически в "стрессовом" состоянии при разогреве до температуры 500° С, сохраняя при этом высокие эксплуатационные характеристики, чувствительность, стабильность и селективность и потребляя возможно более низкую мощность, в среднем несколько десятков милливатт.
Такова технология работы газовых сенсоров, широкое применение которых может реально снизить угрозу возникновения пожара, взрыва и других опасных факторов и не допустить последствий от них.
Промышленное производство полупроводниковых сенсоров широко развито во всем мире, однако, основную долю мирового рынка занимают японские компании. Признанным лидером и законодателем моды в этой области является "Figaro Inc." с годовым объемом производства сенсоров около 5 млн штук, а также масштабным производством приборов на их основе, включая современную элементную базу и схемотехнику на основе программируемых специализированных устройств. Более мелкие производители сосредоточены как в Японии ("New Cosmic Inc."), так и в Южной Корее, Тайване и других странах. В Европе (крупнейшая английская фирма "Capteur") и Америке эта отрасль промышленности развита слабее, хотя европейскими странами сейчас производится около 2 млн сенсоров. Компании "Bosh" и "Motorola" проявляют растущий интерес к этому перспективному, многообещающему бизнесу.
Однако производство полупроводниковых сенсоров имеет ряд специфических особенностей, которые делают его трудносовместимым в рамках замкнутого производства с традиционной кремниевой микроэлектронной технологией. Это связано с тем, что сенсоры - не столь массовое изделие, как микросхемы, они имеют больший разброс параметров из-за специфики условий работы (это не вакуум, а часто агрессивная среда), их производство требует очень специфичного know how в области физической химии, полупроводникового материаловедения и т.д. Поэтому успех здесь сопутствует специализированным компаниям крупных фирм (например, "Microchemical Instrument", европейский филиал "Motorola"), которые не спешат делиться своими разработками в области высоких технологий. К сожалению, в России и СНГ эта область деятельности никогда не была достаточно развита, хотя исследовательских групп достаточно много (РНЦ "Курчатовский институт", МГУ, ЛГУ, Воронежский государственный университет, ИОНХ РАН, НИФХИ им. Карпова, Саратовский университет, Новгородский университет и т.д.)
Существующие средства газоанализа экологической направленности (в том числе на электрохимических, термокаталитических и других сенсорах) слишком дороги для такого использования. Внедрение в производство пожарных извещателей на основе полупроводниковых химических сенсоров, изготавливаемых по групповой технологии, позволит резко снизить стоимость газовых сенсоров.
Принцип действия полупроводниковых пожарных извещателей основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции газов на его поверхности. Этот принцип позволяет эффективно использовать их в приборах пожарной сигнализации как альтернативные устройства традиционным тепловым и дымовым сигнализаторам, в том числе содержащим радиоактивный плутоний.
Это высокотехнологичные элементы с низким энергопотреблением (с 900 мвт до 10-30 мвт), при этом сохраняется высокая чувствительность и увеличивается быстродействие до десятков секунд.
Использование данного метода позволяет подавать на нагреватель короткий и резкий импульс тока, быстро нагревающий чувствительный слой. Возбуждение системы "атом - полупроводник" и снятие параметра от стабилизации данной системы атомов и молекул позволяют получать гораздо более подробную информацию о каждом типе адсорбированной молекулы. Сканируя по времени сигнал с хорошим разрешением, получаем "термоспектрограмму", на которой имеются следы каждой молекулы. Подобный метод позволил выделить 1 ррт СО в его смеси с Н2 концентрации до 1000 ррт. Другими методами, включая электрохимический, такого достичь не удается. Подобная методика применяется и для исследования концентрации озона в воздухе или окислителей типа фтор, хлор, кислород и т.д.
Устройство полупроводникового сенсора для анализа химического состава газов и жидкостей
Следует отметить, что датчики на адсорбционном принципе могут хорошо работать при низких концентрациях, когда не все адсорбционные центры заполнены, они имеют максимальную удельную чувствительность.
Разработанные полупроводниковые газовые пожарные извещатели предназначены для определения концентраций горючих газов (метан, пропан, бутан, водород и т.д.) в воздухе в интервале концентраций от 0,001 до единиц процентов, а также токсичных газов (СО, арсин, фосфин, сероводород и т.д.) при концентрациях на уровне предельно допустимой (ПДК).
Извещатели имеют рекордно низкую для своего класса электрическую мощность, необходимую для нагрева, - менее 150 мВт.
Такие полупроводниковые газовые пожарные извещатели могут применяться в сигнализаторах утечки газов и системах пожарной сигнализации, как стационарных, так и переносных, в системах контроля технологического процесса, жилых и других помещениях различного назначения.
Об авторах: А. Федоров, доктор техн. наук, А. Лукьянченко, адъюнкт, кафедра пожарной автоматики Академии государственной противопожарной службы МЧС России
Источник: Мир и безопасность
Статья размещена с разрешения редакции журнала "Мир и безопасность"
