智慧矿山气体传感器数据采集传输工业控制物联网组网解决方案

日期:2022-11-19 阅读量:
智慧矿山气体传感器数据采集传输工业控制物联网组网解决方案

详细描述

气体传感器是一种可以将气体的某些信息,例如浓度和种类,转换为可以被操作人员、仪器仪表、计算机等利用的声、电、光或者数字信息的装臵,通常被安装于监测系统探测头内的监测系统中,用于现场采集空气数据。气体传感器是气体检测系统的核心,对气体检测系统起着决定性的作用。空气质量、污染检测、汽车尾气、家居甲醛等等,气体传感器是物联网中应用最广泛的传感器之一。目前市场上绝大部分的气体传感器主要应用都集中在有害、有毒气体监测,其中,气体传感器主要应用在石化工业中的二氧化碳传感器、氨气传感器、一氧化氮传感器等都能用在检测二氧化碳、氨气、氯气等有害气体、半导体和微电子工业的有机溶剂和磷烷等剧毒气体。民用的住房、大楼、会议室和公共娱乐场所用二氧化碳传感器、烟雾传感器、臭氧传感等。

气体检测有两个重要优点,一是方便,二是无损。便利性是指气体检测可以在时间上快速简单地进行检测,无损性是指气体检测明显可以实现相应检测对象的非接触检测。

气体传感器的下游应用领域众多,主要包括智能家居、汽车电子、消费电子、可穿戴设备、医疗、工业过程、环境监测等行业,终端客户覆盖行业类型广泛、种类繁杂、分散度高,终端产品的复杂性、个性化程度高。随着互联网与物联网的高速发展,气体传感器的下游领域如智能家居、汽车电子、智慧医疗等智慧生活产业正处于高速发展期,显现出良的发展前景。

按照技术原理的不同,气体传感器可以分为半导体气体传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器、超声波气体传感器、光电离子探测气体传感器等。根据全球知名市场情报咨询公司MordorIntelligence统计及预测,2018-2020年电化学气体传感器在全球气体传感器市场中份额最大,市场份额维持在52%左右;红外技术的市场份额逐年提升,至2020年已达24.06%。

气体传感器是将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。无论是车载使用,亦或是碳中和、新风系统等各领域,气体传感器都是必不可缺的元件。作为智慧城市、工业互联网、物联网+新基建的感知层基础工程,通过对中央部委、省市各级的政策分析,可以看出国家在重点支持气体传感器的产业发展及规模应用,鼓励加速中高端国产替代的进程,并且气体传感器下游应用也存在许多新的增长点。

气体传感器在大气环保、石油化工生产开采、煤矿安全、医学诊断等领域作用极为关键,应用广泛。

在物联网领域的驱动下,这些气体传感器结合各类通信技术、AI技术的技术加持,使得这些原本在石油、化工、钢铁、冶金、矿山、环保、市政、医疗、食品安全等领域的气体传感器应用面快速横向发展。所以近些年来,我们可以看到气体传感器在智能家居、可穿戴设备、智能移动终端等领域的应用需求迅速增长。

根据法国市场研究公司Yole Développement预测,2021年全球气体传感器市场规模将达到9.2亿美元。其中由于终端消费市场的增长影响,2020年的气体传感器实际需求将达到3.5亿颗。

当然,在未来很长一段时间内,伴随着着智慧城市、环境监测等物联网应用领域的场景多样化、需求增加,未来,有害有毒气体监测的气体传感器依旧有很大的增长空间。

综上,根据对于目前市场应用的观测,我们大致将气体传感器市场归结为以下6大细分市场:

消费类市场:主要集中在消费终端产品中,包括智能家居、可穿戴设备和智能手机。

环境监测市场:用于监测空气质量和污染情况的气体传感器。

暖通空调市场:用于室内/车内空气质量监测的气体传感器。

交通运输市场:用于汽车尾气测量或重型车辆发动机控制的气体传感器。

医疗市场:在治疗护理时,用于呼吸分析的气体传感器,例如呼吸机。

国防和工业安全市场:在工业和国防领域,生产制造过程所产生的有害气体监测。

采矿业物联网

通常在煤矿开采过程中慧聪煤岩层排放出大量的有害气体,也就是人们常说的瓦斯。瓦斯的主要成分是碳氢化合物,如一氧化碳、H2S、甲烷等。其中,甲烷(CH4)占83-89%,是煤形成过程中形成并储存在煤层中的气体,是煤矿中最有害的气体。近年来,我国煤矿井下事故频发,伤亡人数超过所有重大事故的一半。因此,煤矿井下气体检测非常重要。

甲烷气体无色、无嗅、无嗅,密度为0.7164千克/米,虽然无毒,但其对人体也有很大的危害,主要危害是超标会导致窒息和死亡。并且,它是易燃易爆的气体。了解到当它与空气混合达到一定浓度时,暴露在高温火源下会燃烧或爆炸。按体积计算,甲烷浓度在5.3-15.0%时具有爆炸性,矿井中甲烷气体的积聚已成为困扰煤矿安全生产的一大难题。

采矿业物联网可以提高安全性、确保有效负载、减少运营延迟并为智能决策提供实时数据的 5 种方式。

1、 资产跟踪、远程诊断和预测性维护

作为资产密集型行业,采矿需要各种各样的设备,从钻机、挖掘机和输送机到泵、电机和风扇,这些设备广泛分布在地面和地下。监测和跟踪关键资产参数(如压力、振动、流量和温度)以及发动机性能的无线物联网传感器,可在整个矿区实现实时远程诊断、故障排除和资产跟踪。结合分析模型,可以有效地计划纠正性维护和备件采购,以防止设备停机,并帮助公司避免代价高昂的生产损失。

2、 排放和地下水位监测

地下挖掘设备和钻孔机排放的柴油废气含有有毒气体和微粒,对健康构成严重威胁。通过采用固定式和移动式气体探测器以及粒子传感器,可以有效控制排放水平和阈值限值,以维持符合安全标准的安全工作环境。

采矿作业产生的化学残留物有可能污染地下水,并引发严重的环境问题。利用来自液位传感器的数据,采矿经营者可以跟踪矿井地下水位的实时变化,尤其是在降雨期间。 可以及时有效地抽水,防止过度流入,从而避免污染和地下洪水。

3、 爆破后监测

在矿井内进行爆破后,该地区经常充满有毒烟雾和碎片。等待数小时以确保烟雾完全消散可能会导致代价高昂的停机时间。有了无线环境监测系统,操作员和矿工可以随时了解某个区域是否足够安全以恢复工作。这可以减少不必要的等待时间,从而在爆破后更快地开展工作并提高生产效率。

4、 基于可穿戴设备的事件报告和岩石螺栓监测

众所周知,矿山是最危险的工作环境之一,爆炸、设备事故和有毒物质暴露的风险很高,确保矿工的健康和安全一直是一个巨大的挑战。借助物联网可穿戴设备,现在可以实时跟踪矿工的健康状况和工作环境(即温度、湿度、辐射、噪音和气体水平)。管理人员会立即收到通知,告知其工人发生疲劳、疲惫和“超负荷”事件,而矿工会在发生潜在危险时收到及时警告。类似地,监测地下矿山地震活动的传感器可以安装在岩石锚杆上,以有效地评估其完整性并减少坍塌的致命风险。

5、 按需通风

通风可占地下矿山能源消耗的 30-40%。通过支持按需通风系统,物联网传感器可用于持续监测矿井不同区域的空气质量和气流,以远程调节风扇速度。传输来自占用传感器的数据或来自 NFC 标签的矿工登记数据还可以确保矿工所在工作区的通风被激活。这将显著节约能源,从而显著降低运营成本和环境足迹。

据法国半导体咨询公司Yole分析,2021年全球气体传感器市场规模为9.2亿美元,气体传感器的需求在3.5亿颗,而到2026年,气体传感器在物联网领最受关注的用途是空气质量的监测和预报。汽车尾气的检测。此外,工业废气的监测至关重要。这些都是气体的直接检测。气体的直接检测一般适用于特定用途。这种应用在日常生活中并不常见。

气体仍然是由各种物质或物体挥发的。气体的准确检测对应于挥发这种气体的物质或物体。酒精检测装置广泛应用于交通安全,是医疗单位呼吸系统和胃肠疾病的吹气检测装置。这些气体检测仪器给物联网带来了更深的信息。这些都是气体的间接检测,气体是检测的媒介。

在物联网中的气体检测介绍。

室内环境中甲醛的检测是人们生活中的热点之一。甲醛的检测是气体的定性和定量分析,因为甲醛会影响人的健康,所以人们关心生活环境中的甲醛。甲醛气体检测后,采取一定措施进行改进,甲醛检测的目的就是这样。

如果从物联网的角度检测室内环境中的甲醛。气体传感器的功能是为物联网提供大量信息,一次性甲醛检测不能满足物联网的信息获取需求。建立实时室内甲醛检测物联网,将一次性检测改为实时。随着获取信息的增加,可实现的功能也会相应增加。

例如:该气体检测物联网在房屋建设完成后即建立,该物联网的检测信息在装修阶段可用于分析那部分装修会产生不良影响,甲醛的气体浓度有明显的升高,只能是由于所用装修材料的挥发所致,因此可以更换更环保的材料。或甲醛浓度持续处于高位,通风后浓度仍会回到高位,说明建筑物内有甲醛挥发源,可根据甲醛浓度升高的时间和建筑物内的变化来确定甲醛挥发源。另外,建筑物内的空气如果是比较封闭或稳定的,气体状况也不会发生很大变化。开窗通风会对气体状况产生很大的变化,那么就可以根据这种变化来判断是否有开窗的情况,从而延伸判断盗窃情况。

建立的实时室内甲醛检测物联网,如果考虑感知节点多。以一个家庭为例,同一种气体同时检测信息,每个节点的检测值会有所不同,这种检测差会在一定时间内减少。可以根据这种情况判断气源是卧室还是客厅。

目前,由于气体传感器检测的技术限制和气体信息与原因之间的必然相关性不足,气体传感器检测的信息大多是初步借鉴性检测。伴随着气体传感器技术的进步,气体检测的准确性也必将提高,气体传感器将提供从空气污染到室内环境,从食品安全到人类健康等各个方面的准确可靠的信息,这将再次给物联网带来巨大的发展。

物联网是信息获取、信息传输和信息处理的高速信息闭环系统。互联网本身就是一个高速的信息传输渠道,计算机的处理速度一直是其发展的主线。随着两者的发展,高速信息获取技术注定要突破,实现整个系统的速度匹配。

智能感应器是获取物联网信息的主要手段,气体传感器可以方便无损地检测气体,满足气体和气体间接相关事物快速获取信息的需要。气体传感器将为物联网带来更加多样化和深层次的信息,也将为物联网的发展提供非常重要的帮助。



全球气体传感器市场规模将翻一番达20亿美元,前景非常可观。

据智研咨询分析,2020年我国气体传感器产量为3540万个,但市场需求量却从2019年的2500万飙升至4260万,

还有接近20%的市场需求未被满足。由于疫情的影响,对于呼吸机和医用设备的大量需求,使得氧气等气体传感器的需求更加旺盛。2020年医疗器械行业(尤其是呼吸机)对气体传感器的需求猛增,我国气体传感器行业产值一举突破14.29亿人民币规模。传感器行业正走上“技术自控,国产替代

”道路,通过国产替代和核心零部件自研率提升,实现关键零部件自主可控,降本增效提高毛利率,并从低端的技术和元件制造迈向中高端市场,以期实现完全的国产替代。同时,在碳中和等大政策的引导下,在未来,需要对企业污染生产、处理、排放等过程进行监控,通过对数据实时传输、统计分析,判断减污降碳协同的情况。而这项课题的核心,是使用正确的气体传感器和物联网设备来记录、监测、管理碳排放量,降低环境污染。我国相对成熟的是半导体及催化燃烧传感器这两类细分产业,国内市场份额占有率高,在国际上也颇有竞争力。同时,作为气体传感器在国内的龙头企业,汉威科技旗下的炜盛科技和四方电子,在2021年深耕传感器领域,分别新增加了18和12项专利。

供应端来看,汉威科技有着长期稳定的上游供应商,同时以炜盛科技为主的子公司分别为其提供以销定产的传感器产品,其上游较为稳定。从品牌端来看,而汉威科技公司主营的传感器业务有气体传感器、柔性微纳传感器等高科技行业应用较多的传感器品类。基于其传感器的品类,汉威科技继续拓展产业链上下游,除半导体业务外还拓展智能仪表的生产以及为大型客户提供传感器综合解决方案。通过对解决方案的不断积累,进行了从产品到软件再到整体服务的完整流程运作,在智慧安全、智慧城市、智慧环保、居家智能、公用事业中都有不同程度的应用。最后,从渠道端来看,汉威科技采取招投标的模式获取大客户,并为其定制解决方案与配套服务,项目周期长,涉及内容更为全面。客户端主要涉及大型企业或者集团化大客户。除此之外,汉威也在积极的发展SaaS化产品,如管网监测SaaS和智慧城市SaaS等等。汉威科技通过多方面业务的发展,去寻求提供从生产到集成到解决方案的一条龙服务。通过多元化的发展,开发物联网

全产业链,无论是面对竞争或是突发事件,都有很好的抗风险能力。

与汉威采取上下游协同战略不同,四方光电商业布局更垂直和纵深。从供应端来看,其主要根据原料的供应进行策略性备货,内部自产的激光管和风扇都有85%和75%的自产率,而探测器更是做到了百分百自产。供应方面,其采取的模式为框架协议加订单执行,为其提供了良好的上游保障。从品牌端来看,四方光电也在积极做出改变,但其改变更多地集中于产品方向而非产业链上。

从2021年财报可以看出,从生产传感器到生产控制器,从生产环境电器到生产清洁、厨房电器、智慧楼宇、大气环保检测、洁净室等以气体传感器为基础的应用终端。此外,超声波燃气表以及高温气体传感器的不断迭代更新,也证明了其在气体传感器细分市场的不断耕耘。为了拥抱碳中和,四方光电也在生产温室气体排放分析仪以对二氧化碳等气体进行更为精准的监测。最后从渠道端来看,四方光电的大客户在其销售份额占比相对均匀,侧面反映其产品良好,渠道客户稳定,没有过分依赖单一客户进行销售。此外,四方光电也在积极拓展外贸业务,其车载、燃气、高温气体传感器已经成功进入海外市场。四方光电属于在竞争中“出拳”的企业,保持着较高对于气体传感器研发的投入,不断在气体传感器的细分领域内深耕,打造属于自己的护城河。①两公司的营业额都在逐年递增,说明气体传感器市场仍处于增长期;四方光电的营收增速要明显比汉威科技快,说明其深耕的气体传感器业务正处于快速上升期。②无论是四方光电,还是汉威旗下的炜盛科技,其在传感器业务上的毛利率常年保持40%左右,说明两家公司在技术上的成熟以及工艺上的高集成度。③两家公司常年保持着7%左右的研发投入,炜盛科技(含信阳炜盛)在2021年新增18项专利,四方光电也在2021年新增了12项专利,两家公司都保持着很高的科研能力。④汉威科技的营收相比四方光电更多,主要是在气体传感器的上下游进行了不断地拓展,从卖产品到卖基于气体传感器的服务,形成多元化的发展。而四方光电更加深耕于气体传感器的研发和应用,在市值上可以看出,其近年的发展更受资本的青睐。可以比较的方面还有很多,在此就不做过多赘述,相信看到这里的你心中已经有了一个答案。通过上面对于气体传感器行业的宏观分析以及两家龙头企业的对比,我们可以比较清晰地看到国内气体传感器市场的一些发展方向与现状,相信未来气体传感器还会在许多领域继续绽放光辉。

从两家企业的年报中,我们发现了这些气体传感器未来可能的方向:1、碳中和相关场景(智慧环保)应用碳排放监测业务在未来会迎来市场的爆发式增长。去年下半年,各地的碳交易所已经成立,并开始有大型企业进行碳交易。同时,像煤炭、化工等重污染企业早已提前布局,积极对工厂进行改造,添加各种气体传感器以记录其碳数据。未来,在各种大型企业的带动下,国内所有制造型企业都会面临在工厂增加碳排放检测装置,而在线连续式气体传感器将是碳盘查环节中重要的一环。2、工业/家用环境检测设备随着人们对生活品质的要求不断提升,城市化带来的环境问题日益受到重视。空气质量监测覆盖室内、车内、室外等主要应用场景,室内空气品质检测对象不仅限于粉尘、CO2,还拓展至甲醛、VOC、氨气、氡等,产品功能也由单一检测对象升级为可同时检测多种气体的集成化产品;气体传感器不仅可搭载空气净化器、新风系统、空调等终端,还可应用于吸尘器、扫地机、油烟机等家电品类。随着全屋智能的普及,未来气体检测器在智能家居中的应用势必会越来越多。同时,工业生产中也需要进行大量的有毒气体的监测,监测的过程中离不开优质的气体传感器。3、气体传感器在汽车中的应用车用传感器的种类非常多,而车用气体传感器是其中最重要的组成部分。据不完全统计,汽车发动机所用的传感器中,气体传感器数量占比超过50%,大种类达到5-6个。保守估计,我国每年需要超过2亿个氧传感器、1000万个氮氧传感器、500万个颗粒物传感器。在汽车智能化、自动化的势头下,车用气体传感器正处于飞速发展的风口。






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