Обеспечение безопасности на промышленных объектах требует непрерывного контроля загазованности рабочей зоны горючими (метан, пропан, водород) и токсичными газами (CO, H₂S, NO₂). Скопление горючих газов до концентраций, близких к нижнему концентрационному пределу распространения пламени, приводит к взрывам и пожарам. Нормативные документы (ГОСТ, федеральные нормы и правила, стандарты ISO/IEC) требуют оснащения опасных объектов средствами непрерывного газового контроля. На этом фоне возрастает необходимость разработки надёжных, селективных и долговечных датчиков загазованности при минимальных эксплуатационных затратах [3, с. 15].

Методы контроля газов в рабочей зоне подразделяются на три группы: физические (основаны на измерении физических параметров смеси), физико-химические (используют химические реакции окисления или электрохимию) и химические (реакции с реагентами для разовых измерений). Для непрерывного автоматического мониторинга наибольшее распространение получили физико-химические и оптико-электронные методы.

Термокаталитические датчики реагируют на суммарное тепловыделение при окислении любого горючего газа, не различая конкретные компоненты. Их недостатки: низкая селективность, необратимое отравление катализатора серосодержащими соединениями, зависимость от кислорода, срок службы 2–3 года.

Электрохимические датчики обладают высокой селективностью для токсичных газов, но для метана недостаточно чувствительны и селективны. Их ограничения: срок службы 1–3 года (деградация электролита), чувствительность к температуре, перекрёстные помехи, требуется кислород [2, с. 28].

Полупроводниковые датчики (на оксидах металлов) используются лишь в бытовых сигнализаторах — слабая селективность, высокий дрейф параметров, зависимость от влажности и температуры делают их непригодными для точных измерений.

Метан имеет выраженную полосу поглощения инфракрасного излучения в области 3,31 мкм, что позволяет использовать это как «спектральный отпечаток» для селективного обнаружения [1, с. 20].

Недисперсионный инфракрасный (NDIR) метод — это компактная реализация ИК-спектроскопии для промышленных датчиков. Вместо спектрального разложения используются узкополосные светофильтры. Широкополосный ИК-источник излучает через измерительную кювету с газом на двухканальный детектор. Электроника измеряет сигналы в измерительном (на длине волны поглощения метана 3,31 мкм) и опорном (на линии без поглощения метана) каналах, вычисляет их отношение и определяет концентрацию по закону Бугера–Ламберта–Бера, компенсируя влияние старения источника и загрязнения оптики [1, с. 21; 2, с. 26].

Сведем данные нашего исследования в таблице 1.

Таблица 1

Сравнение методов контроля загазованности

На основании анализа NDIR-метод обеспечивает оптимальный баланс долговечности и стоимости владения.

Проведённое исследование показывает, что при выборе метода контроля загазованности необходимо учитывать не только начальную стоимость датчика, но и совокупную стоимость владения за весь период эксплуатации. NDIR-датчики, несмотря на более высокую первоначальную цену по сравнению с термокаталитическими сенсорами, демонстрируют значительные преимущества за счёт отсутствия расходуемых материалов, низких требований к калибровке и долгого срока службы. Это делает NDIR-решение экономически оправданным для промышленных объектов, где требуется надёжный контроль в течение многих лет [1, с. 23].

NDIR-датчик эффективно противостоит основным помехам:

— Водяной пар компенсируется двухканальной схемой — опорный канал улавливает влияние H₂O;

— Пропан и бутан имеют близкие полосы поглощения, но правильный выбор фильтра минимизирует их влияние;

— CO₂ и CO не влияют на выбранной длине волны.

Основные преимущества NDIR для контроля метана:

— Высокая селективность благодаря уникальной полосе 3,31 мкм;

— Долговечность 10+ лет — отсутствие расходуемых материалов;

— Независимость от кислорода в контролируемой среде;

— Помехоустойчивость через двухканальную компенсацию.

Анализ методов контроля загазованности показывает, что недисперсионная инфракрасная спектроскопия обладает наилучшим комплексом свойств для построения надёжных датчиков метана. Выбор NDIR-метода технически и экономически обоснован сравнительным анализом по критериям селективности и надёжности.

Литература:

1. Карпов И. А. Разработка недисперсионного инфракрасного газоанализатора для измерения динамики концентраций парниковых газов // Вестник МИФИ. — 2025. — Т. 12, № 1.
2. Баранов А. М., Лагутин А. А. Современные тенденции в развитии сенсоров инфракрасного излучения для газового анализа // Датчики и системы. — 2021. — № 4.
3. СТО Газпром 18000.3–022–2022 Система контроля безопасности. Рабочая зона. Контроль воздуха. Порядок организации и проведения контроля воздуха рабочей зоны. — М.: ПАО «Газпром», 2022.