Senzori gasova

Detektori gasova su uređaji koji detektuju prisustvo različitih gasova u nekom prostoru, najčešće kao deo sigurnosnog sistema. Ovakvi uređaji treba da detektuju curenje gasa i o tome obaveste upravljački sistem tako da proces može biti automatski isklučen. Takođe, ovi detektori često sadrže i alarm, koji se aktivira prilikom detekcije gasa. Ovi detektori su veoma važni jer postoje mnogi gasovi koji su zapaljivi, eksplozivni ili otorvni.

 Detektori gasa se mogu koristiti za detekciju zapaljivih i toksičnih gasova, kao i nedostatak kiseonika. Detektori gasa se obično napajaju pomoću baterija, a upozorenja prenose preko niza audio i vizuelnih signala, kao što su alarmi i trepćuća svetla, kada su detektovana prisustva opasnih nivoa gasova. Naravno, postoje i sistemi sa daljinskim nadgledanjem. Kada detektor izmeri koncentraciju gasa, senzor reaguje na kalibracioni gas koji služi kao referentna tačka ili skala. Ako nivo sa senzora premaši unapred zadatu vrednost dozvoljene koncentracije gasa, aktivira se alarm ili signal.

 Detektori gasa se proizvode kao prenosivi ili kao stacionarni uređaji, a klasifikuju se prema principu rada ugrađenog senzora gasa. U nastavku ćemo se upoznati sa nekim od najčešće korišćenih senzora gasa i videćemo njihove principe funkcionisanja.

 Katalitički senzor gasa se sastoji iz dve platinijumske spirale sa keramičkim premazom (pelistor). Jedan od pelistora je natopljen sa posebnim paladijumskim katalizatorom koji izaziva oksidaciju. Ovaj pelistor predstavlja detektor. Drugi pelistor predstavlja kompenzator ili referentni element. Ta dva vlakna i njihovi nosači su fiksirani u nezapaljivo kućište. Na slici 1 prikazan je katalitički senzor gasa. Na slici se vidi samo jedan pelistor.

Slika 1. Katalitički senzor gasa

 Princip rada ovih senzora zasniva se na oksidaciji zapaljivog gasa na površini katalitičkog elementa sa električnim zagrevanjem. Struja prolazi kroz spirale i zagreva ih do temperature od 450°C što dovodi do oksidacje gasa. Kada gas sagori u detektoru, oksidacija izaziva porast temperature samo u detektujućem pelistoru, ne i u referentnom, što izaziva izbacivanje Vitstonovog mosta (u koji su povezane spirale) iz ravnoteže.

 Oksidacija zapaljivog gasa mora se koristiti u okruženjima koja sadrže koncentraciju kiseonika od preko 15%. Takođe, prisustvo inhibitora najčešće izaziva probleme kod sistema za detekciju gasa i iz tog razloga treba posebno obratiti pažnju, kako bi se izbegla kontaminacija.

 Prednosti ovakvog senzora gasova su jednostavnost principa rada, mogućnost korišćenja kod svih zapaljivih gasova, veoma kratko vreme odziva (ispod 15 sekundi), dobra ponovljivost, niska cena, jednostavna kalibracija, male dimenzije kao i dug radni vek (2-4 godine). Njegovi nedostaci su gubitak osetljivosti pri izlaganju gasovima sa visokim koncentracijama, potreba za stalno snabdevanje kiseonikom kao i problemi koji se javljaju usled prisustva inhibitora. 

 Ovi senzori se koriste kod instrumenata za merenje koncentracije gasova oko donje eksplozivne granice (LEL – Lower Explosive Limit), kao i kod detekcije curenja. Merenje toplotne provodljivosti gasova je bio jedan od prvih načina detektovanja prisustva gasa. Princip rada se zasniva na merenju toplotne provodnosti uzorka i upoređivanju sa toplotnom provodnošću referentnog gasa, najčešće vazduha. Ovakav prncip detekcije, bez hemijske reakcije, može se koristiti u atmosferi, sa ili bez kiseonika. Senzor se sastoji od dva elementa (slika 2), koji se sastoje od namotaja žice. Jedan element (detektor) izložen je atmosferi, dok je drugi element (referentni element) zatvoren u standardnoj atmosferi gasa kao što je azot ili vazduh. Referentni element kompenzuje promene temperature. Elementi se zagrevaju na temperaturu od oko 250°C.

Slika 2. Senzor na principu merenja toplotne provodnosti

 Prednosti ovakvog senzora su mogućnost merenja gasova visoke koncentracije, mogućnost detektovanja helijuma, dug radni vek itd. Nedostatak senzora je činjenica da se pomoću njega mogu detektovati samo gasovi čija je toplotna provodnost značajno različita od vazduha.

 Neraspršujući infracrveni senzor (NDIR – Non-Dispersive Infrared), poznatiji kao infracrveni senzor, zasniva se na principu da gasovi apsorbuju svetlosnu energiju na određenoj talasnoj dužini, obično u infracrvenom opsegu. Infracrveni senzori se najčešće koriste kod potreba detekcije prisustva ugljovodoničnih gasova. Pored toga, detektori plamena često koriste sličan mehanizam. Gasovi koji sadrže više od jedne vrste atoma apsorbuju infracrveno zračenje. Ovako se mogu detektovati gasovi kao što su ugljen-dioksid, ugljen-monoksid, metan i sumpor-dioksid, međutim, na ovaj način se ne mogu detektovati gasovi poput kiseonika, vodonika i helijuma.

 Kada gas prođe između izvora i detektora, on apsorbuje infracrveno zračenje, tako da se na detektoru detektuje manji intenzitet. Koncentracija gasa je direktno proporcionalna količini apsorbovane energije. Infracrveni senzori mere dve talasne dužine, uzorak i referentnu dužinu. Odnos talasne energije uzorka i referentne talasne energije ukazuje na koncentraciju gasa.

 NDIR senzori su jednostavni spektroskopski uređaji koji se često koriste za analizu gasova. Ključne komponente su infracrveni izvor (lampa), komora, optički filter i infracrveni detektor (slika 3). Gas se upumpava ili raspršuje u komoru, a koncentracija gasa se meri elektro-optički, kroz detekciju apsorbovane energije pri specifičnoj talasnoj dužini. Filter ima ulogu u odstranjivanju svetlosti, osim talasnih dužina koje molekuli gasa mogu da apsorbuju.

Slika 3. Princip rada infracrvenog senzora gasova

 NDIR senzori gasa se koriste za kontrolu kvaliteta vazduha, pri kontroli emisije izduvnih gasova kod vozila, kod staklenih bašta, detekcije curenja gasova, praćenja gasova na deponijama itd. Prednosti ovog tipa senzora su činjnica da ovaj senzor može biti napravljen za tačno određeni gas, zahteva jednostavniju kalibraciju, ne zahteva kiseonik, nema gubitka osetljivosti kao i brzo reagovanje. Mana ovakvih senzora je osetljivost na prašinu, nisu pogodani za različite senzore, vlaga bitno utiče na njihov rad i visoka cena.

 Poluprovodnički senzori detektuju gas kroz hemijsku reakciju koja se odvija kada gas dođe u kontakt sa senzorom. Kalaj-dioksid (Tin-dioxide, SnO₂) je materijal koji se najčešće koristi u poluprovoničkim senzorima. Princip rada ovih senzora je jednostavan, kada gas dođe u kontakt sa senzorom, električna otpornost senzora opada. Osnova senzora je kristalna struktura n-tipa metal-oksid poluprovodnika. Ova kristalna struktura često sadrži i primese nekog plemenitog metala ili njegovog oksida. Kada radi pri adekvatnoj temperaturi vazduha, otpornost ove strukture se menja naglo pri kontaktu sa malom koncentracijom, što nam omogućava da utvrdimo koncentraciju gasa. Vlakno unutar senzora se zagreva pomoću električne energije na temperaturu od 300° do 500°C. Osetljivost senzora sa SnO₂ za različite gasove varira u zavisnosti od temperature, što znači da se pomoću ovog senzora može meriti koncentracija različitih gasova, ali da za svaki gas temperatura mora biti drugačije podešena. Na slici 4 prikazana je struktura poluprovodničkog senzora gasa.

Slika 4. Struktura poluprovodničkog senzora gasa

 Prednosti ovih senzora su velika osetljivost, veoma dobra stabilnost signala, dug radni vek (oko 5 godina), niska cena, kao i mogućnost merenja koncentracije različitih gasova i isparenja. Nedostaci su širok opseg osetljivosti za različite gasove, problemi koji nastaju usled izlaganja senzora visokim koncentracijama gasa (prilikom izlaganja visokoj koncentraciji potrebno vreme oporavka senzora je nekoliko sati, a može doći i do nepovratnih promena pri očitavanju nulte koncentracije gasa), problemi koji mogu nastati izlaganjem senzora kiselim jedinjenjima, silikonima, jedinjenja sumpora, halogenih jedinjenja itd. Takođe, visoke koncentracije kiseonika, vlažnost vazduha i temperatura mogu značajno uticati na senzor.

 Ovi senzori imaju široku primenu pri detekciji otrovnih gasova na ppm skali, kao i kiseonika u procentima neke zapremine. U svom najjednostavnijem obliku, elektro-hemijski senzori se sastoje iz dve elektrode: “Sensing” i “Counter”, koje razdvaja tanak sloj elektrolita. Elektrolit može biti u tečnom i čvrstom stanju, kao i u obliku gela. Elektrolit je izolovan sa spoljne strane membranom koja propušta gas. Gas ulazi u senzor difuzijom, kroz membranu. Ako su elektrode polarisane, nastaje oksidaciona reakcija (redukcija), koja izaziva pojavu električne struje direktno proporcionalne koncentraciji gasa. Struktura ovakvog senzora prikazana je na slici 5.

Slika 5. Struktura elektro-hemijskog senzora gasa

 Iako nude mnoge prednosti, ovi senzori nisu pogodni za sve gasove. Pogodni su uglavnom za detekciju gasova koji su elektro-hemijski aktivni, mada moguće je detektovati i elektro-hemijski inertne gasove indirektno, ako je gas u interakciji sa drugim vrstama gasova u senzoru. Senzori ugljen-dioksida su jedan primer ovakvog pristupa i oni su komercijalno dostupni duži niz godina.

 Fotojonizujući detektori (PID – PhotoIonization Detector) koriste ultraljubičastu svetlost za jonizaciju molekula gasa i najčešće se koriste u otkrivanju isparljivih organskih jedinjenja. Srce fotojonizujućeg detektora je UV izvor, tj lampa. Zahtevi za nadgledanjem podzemniih rezervoara u svrhu sprečavanja zagađenja podzemniih voda, zahtevali su nadgledanje isparljivih organskih jedinjenja. Ovi događaji doveli su do stvaranja malih prenosivih PID detektora koji su dokazali da su praktični i pouzdani i koji nude brz odgovor i mogućnost detekcije niskih koncentracija gasova. Primena PID senzora je u petrohemiji, kod prerade nafte i gasa, u avijaciji, kod vatrogasnih jedinica itd. Na slici 6 prikazana je struktura fotojonizujućeg detektora.

Slika 6. Struktura fotojonizujućeg detektora

 Izvor: Electronics-Base.com