Senzori de gaz
Această intrare sau secțiune despre inginerie nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Senzorul de gaz este un dispozitiv care detectează prezența unuia sau mai multor tipuri de gaze într-un mediu, de obicei ca parte a unui sistem de siguranță. Diferitele tipuri de senzori de gaz pot fi clasificate în conformitate cu principiul transducției în următoarele categorii:
- electrochimice
- catalitic
- semiconductor
- opticieni.
Senzori de gaze electrochimice
Senzorii electrochimici au apărut la începutul anilor 1950 pentru a monitoriza cantitatea de oxigen ambiental. În anii 1980, acești senzori au suferit un proces clar de miniaturizare care a permis prima lor difuzare pe piață. Principiul de funcționare cu care funcționează acești senzori asigură că există o proporționalitate directă între concentrația gazului care trebuie măsurat și curentul electric care iese din senzor. Structura acestor senzori este schematizată în următoarea ilustrație [1] :
Structura
Acești senzori constau de obicei din:
- electrod sensibil ( anod ), numit și electrod de lucru;
- electrod de stocare ( catod );
- electrod de referință;
- electrolit ;
- membrana .
Printr-o mică deschidere, gazul examinat se difuzează în interiorul senzorului printr-o membrană higroscopică, constând de obicei din pelicule subțiri de teflon cu porozitate redusă, care împiedică trecerea vaporilor de apă așa cum se arată în figura următoare.
Această abordare permite trecerea unui flux adecvat de gaz, care va reacționa cu electrodul de detecție pentru a produce un semnal electric suficient, evitând scurgerea electrolitului prezent în senzor. Gazul care difuzează prin barieră reacționează cu suprafața electrodului de detectare provocând reacția de oxidare și / sau reducere ; electrolitul din interiorul senzorului facilitează trecerea sarcinii ionice de la un electrod la altul. Aceste reacții se schimbă în funcție de natura gazului de măsurat, din acest motiv alegerea tipului de material care constituie electrodul este fundamentală pentru sensibilitatea senzorului; în general electrozii sunt compuși din metale nobile precum platina sau aurul și pot fi, de asemenea, din aliaje . O rezistență este plasată între catod și electrozi anodici care permite trecerea unui curent proporțional cu concentrația de gaz. Prin urmare, acest tip de senzor permite transformarea concentrației unui gaz într-un flux de curent electric. Unii dintre acești senzori, pentru a funcționa, trebuie să fi aplicat extern o diferență de potențial care ar trebui să rămână constantă. Această tensiune, în mod logic, nu rămâne constantă din cauza reacțiilor redox continue care au loc în senzor. Pentru a avea o funcționare corectă, electrodul de referință este plasat între anod și catod și în interiorul electrolitului, la o tensiune bine determinată obținută dintr-o măsurare între catod și anod într-un set experimental bine cunoscut. În majoritatea cazurilor, electrozii de referință și senzori sunt conectați printr-o punte externă la camera de reacție.
Caracteristici
Unele caracteristici ale senzorilor electrochimici pot fi rezumate mai jos:
- pentru a funcționa au nevoie de o cantitate bună de oxigen. Această caracteristică derivă din tipul de reacții care au loc; de fapt dacă, de exemplu, luăm în considerare următoarea reacție asupra anodului: CO + H 2 0 → CO 2 + 2 H + + 2 și -
în același timp trebuie să aibă loc următoarea reacție pe catod: O 2 + 4 H + + 4 și - → 2 H 2 O
Din acest motiv, prezența oxigenului este esențială pentru funcționarea corectă a senzorului. Dacă cantitățile de oxigen sunt mai mici decât cele necesare, senzorul suferă o deteriorare progresivă. - Unii senzori trebuie să aibă o tensiune de polarizare constantă aplicată electrozilor. Dacă această tensiune variază sau este absentă, senzorul poate fi inutilizabil.
- Acest tip de senzor nu este foarte sensibil la fluctuațiile de temperatură și umiditate , funcționează de obicei la temperaturi de aproximativ 25 ° C și 65% umiditate relativă.
- În ceea ce privește selectivitatea acestor senzori, adică capacitatea unui senzor de a nu fi influențat de alți agenți chimici în afară de cel de măsurare, aceasta depinde puternic de tipul de gaz și de modul în care a fost realizat senzorul. În special, gazul care este mai puțin afectat (aproape deloc) de perturbarea altor substanțe este oxigenul, dacă luăm în considerare alte gaze, de exemplu oxidul de sulf ( SO 2 ), raportul dintre concentrația gazului perturbator și concentrația citit greșit de senzor este 0,3: 1.
Senzori de gaze catalitice
Această categorie de senzori a fost utilizată de aproximativ 50 de ani în principal pentru a detecta gazele combustibile , am putea spune, de fapt, că a înlocuit canarii din minele de cărbune. Principiul de funcționare al acestor senzori se bazează pe un proces de ardere catalitică . Gazele combustibile au o temperatură foarte specifică la care ard, totuși, dacă este prezent catalizatorul potrivit, această valoare a temperaturii poate fi variată permițând arderea la temperaturi considerabil mai scăzute [2] .
Structura
Senzorul este format din două filamente metalice, unul pentru referință și unul pentru detectare. Datorită proprietăților sale chimice și fizice, materialul utilizat pentru ambele filamente este adesea platină . Platina are proprietatea de a-și varia rezistența liniar (în intervale cuprinse între 500 ° C și 1000 ° C) pe măsură ce temperatura variază.
Practic, acest senzor vă permite să convertiți o modificare a concentrației gazului într-o schimbare a rezistenței, deci ceea ce trebuie măsurat este rezistența la ieșirea acestui senzor. Filamentul de referință nu trebuie să fie influențat de variația concentrației de gaz, din acest motiv poate fi constituit fie de platină tratată chimic, fie de materiale care nu au proprietăți catalitice (cum ar fi, de exemplu, aurul ). Inițial, acești senzori au fost construiți folosind înfășurări simple ca elemente sensibile. Această tehnică nu a permis miniaturizarea dispozitivului, în plus, datorită arhitecturii sale, temperaturile de funcționare ale senzorului au fost aduse la aproximativ 800 - 1000 ° C.
Pentru a depăși aceste probleme, după cum se poate vedea din imaginea de mai sus, elementul sensibil a fost optimizat prin reducerea secțiunii filamentului de platină și a dimensiunilor generale. Acest lucru a avut ca rezultat reducerea consumului, miniaturizarea senzorului și scăderea temperaturilor de funcționare până la 400 - 600 ° C.
Caracteristici
Unele caracteristici ale senzorilor catalitici pot fi rezumate mai jos:
- Odată cu prelungirea perioadei de funcționare, senzorul este supus prezenței diferiților poluanți (gaz perturbator) care determină alterarea proprietăților catalitice ale senzorului și îi degradează performanța.
- Există câțiva compuși particulari, cum ar fi halogenurile și freonul, care pot inhiba temporar funcționarea senzorului sau compromite în permanență funcționarea acestuia.
- Dacă dispozitivul este expus la concentrații prea mari de gaz, filamentele pot atinge temperaturi care le compromit ireversibil geometria și proprietățile electrice.
- În ceea ce privește sensibilitatea, acești senzori nu sunt, în general, foarte selectivi față de agenții chimici singulari, ci sunt preponderent selectivi pentru categoriile de compuși.
Senzori de gaz semiconductori
Această categorie de senzori s-a născut la sfârșitul anilor 1960 de Naoyoshi Taguchi . [3] El a menționat că comportamentul joncțiunii pn a unui semiconductor a fost afectat de tipul de gaz prezent în mediu. Principiul de funcționare al acestor senzori utilizează materiale sensibile, cum ar fi oxidul stannic (SnO2). Când un oxid precum cristalul SnO2 este încălzit la temperaturi ridicate în aer, oxigenul este adsorbit în interiorul materialului cu o sarcină negativă: acest lucru determină formarea unei bariere potențiale pe fața superioară a materialului, așa cum se arată în figura următoare [4] :
După cum se poate observa, barierele potențiale se formează între marginile cristalelor care constituie valoarea rezistenței materialului. Dacă dispozitivul este inundat cu un gaz cu o capacitate de reducere, cantitatea de oxigen adsorbit scade, provocând o scădere a sarcinilor negative absorbite și o scădere a barierei potențiale. Această situație este descrisă în următoarea imagine:
Relația dintre rezistența materialului și concentrația gazului reducător poate fi exprimată prin următoarea relație: R s = AC α În cazul în care R s reprezintă rezistența senzorului, A este o constantă dependentă de senzorul specific, α este un constantă care depinde de caracteristicile materialului, C este concentrația gazului reducător. Principalele caracteristici ale acestor tipuri de senzori sunt longevitatea și capacitatea de a fi sensibil la un număr foarte mare de compuși; cu toate acestea, au o selectivitate slabă față de compușii chimici specifici. În plus, variațiile de temperatură, umiditate și concentrație de oxigen trebuie luate în considerare (în mod evident, acesta din urmă este esențial pentru utilizarea senzorului). Acest senzor este, de asemenea, afectat de impurități care îi deteriorează funcționarea corectă.
Senzori optici de gaz
Acești senzori sunt cu siguranță cei mai recenți din punct de vedere tehnologic. Folosind interacțiunea dintre undele electromagnetice și materie ca principiu de bază, este posibil să se urmărească tipul și concentrația fiecărui gaz în virtutea faptului că fiecare element chimic are propriul său spectru de absorbție specific [5] . Senzorii care exploatează acest principiu pot fi profund diferiți între ei, în această discuție doar un singur tip va fi tratat ca exemplu.
În această structură, gazul care urmează să fie examinat este condus în interiorul cavității în care există un generator de unde electromagnetice pe un capăt și un receptor de ascultare pe celălalt. Cunoscând puterea undei transmise și măsurând unda de revenire, este posibil să se urmărească cantitatea de energie absorbită de gaz. Prin urmare, cunoscând puterea absorbită și lungimea de undă a undei sursă, este posibil să se urmărească specia chimică și concentrația acesteia. Prin natura sa, acest tip de senzor este puternic afectat de variațiile de temperatură, de fapt coeficienții de absorbție sunt o funcție a temperaturii (chiar dacă nu în mod explicit). În plus, chiar și valori ridicate ale umidității pot compromite senzorul sau pot invalida măsurarea. Cea mai gravă problemă care afectează această categorie de senzori până în prezent este selectivitatea. De fapt, dacă calibrați un senzor cu metan pur și introduceți cantități mici de propan sau butan, sistemul intră în saturație.
