Sensortyper til gasdetektion

Skrevet af Morten B. Jensen, Product Manager – Instrumenter hos KLINGER Danmark

Når målepunktet er defineret kommer det til valget af målesensor, og selvom leverandøren i de fleste tilfælde vil kunne anbefale et princip er det altid en god ting at have et grundlæggende kendskab til hvordan produktet fungerer. Kendskabet gør det lettere at udnytte udstyret bedst muligt – f.eks. er funktionaliteten med til at definere hvordan udstyret skal monteres for at få det bedste måleresultat, ligesom eventuelle service intervaller er tæt knyttet til valget af teknologi.

Til detektion af gasser findes der en række forskellige sensorteknologier, hvoraf 4 af de mest almindelige typer er:

Katalystiske sensorer, der benytter princippet om katalytisk oxidation og benævnes almindeligvis "pellistorer". Et pellistorelement er en platintråd spole, belagt med en metalopslæmning af et rent basismateriale (for eksempel aluminiumoxid) og en katalysator opslæmning, der accelererer oxidationsreaktionen.

Som reference fremstilles en sensor på nøjagtig samme måde, men for at forhindre oxidation "katalyseres katalysatoren" under produktionen ved anvendelse af et egnet stof, såsom kaliumhydroxid, som forhindrer oxidationsreaktionen.

Målesystemet komplementeres ved at lade de 2 sensorer indgå i en elektrisk målebro, hvor ubalance mellem de 2 sensorer resulterer i at der begynder at løbe en strøm i systemet. Ved efterfølgende kalibrering, kan strømsignalet omsættes til et udtryk for indholdet af en specifik gas.

Katalytiske sensorer kan benyttes til at detektere de fleste gasser, men kræver der er oxygen tilstede for at aktivere sensorens funktionalitet.

Elektrokemiske sensorer består af to aktive gasdiffusionselektroder, der nedsænkes i en fælles elektrolyt, ofte en koncentreret vandig syre- eller saltopløsning. Afhængigt af den specifikke celle vil målgassen enten oxidere eller reducere overfladen af arbejdselektroden, en reaktion der ændrer arbejdselektrodens potentiale i forhold til referenceelektroden.

Processen kræver en minimumskoncentration af oxygen for korrekt drift, og selvom elektrolytten indeholder en vis mængde opløst oxygen, der muliggør kortvarig detektion (minutter) af målgassen i et syrefrit miljø, anbefales det at alle kalibrerings gasstrømme indbefatter luft som hovedkomponent.

Elektrokemiske sensorer kan benyttes til at detektere de fleste gasser, men kræver der er oxygen tilstede. Sensoren fungerer dog ikke i atmosfærer der er beriget med ilt, ligesom lave/høje temperaturer kan påvirke funktionaliteten

Infrarøde sensorer udnytter at alle gasmolekyler absorberer lys i det infrarøde område af spektret. Den specifikke anvendte bølgelængde er afhængig af en række faktorer, herunder den gastype, der skal detekteres, interferens fra andre gasser, signalstyrke og effekt af vanddamp.

Infrarøde gasdetektorer sammenligner mængden af lys ved en bølgelængde, hvor den specifikke gas’ molekyler absorberer lys, med et område af spektret, hvor der ikke forekommer absorption. Absorptionsbølgelængden er kendt som prøvebølgelængden, og bølgelængden, hvor der ikke forventes nogen absorption, er kendt som referencebølgelængden - selve målingen er således ændringen i forholdet mellem prøven og referencesignalerne.

Infrarøde sensorer kan benyttes til de fleste gasser, dog ikke Hydrogen (H₂), Nitrogen (N₂) eller andre diatomiske gasser.

Papirbånds detektorer er baseret på klassiske kalorimetriske teknikker, hvor et bånd podes med et for gassen følsomt materiale. Når en del af båndet kommer i kontakt med gassen i et vist tidsrum, vil der, på det udsatte sted, ske en reaktion som farver båndet. Intensiteten af den udviklede ”plet” måles med et elektro-optisk system, som reflekterer lys fra overfladen af substratet til en fotocelle placeret i en vinkel i forhold til lyskilden. Der hvor pletten er udviklet, vil det reflekterede lys blive svækket, og reduktionen af intensiteten kan registreres af fotodetektoren som et analogt signal, der er et udtryk for gassen koncentration (plettens farve)

Systemet er i stand til at registrere ekstremt lave detektionsgrænser for en bestemt gas, og kan derfor med fordel anvendes til en lang række meget giftige stoffer, herunder Di-isocyanater, klor, Fluor og et antal hydridgasser, der anvendes til fremstilling af halvledere.

Krav til operatører, samt servicepersonale
Et punkt som ofte negligeres er en evaluering af udstyrets brugervenlighed, samt hvilke krav der stilles til brugere, operatører og ikke mindst servicepersonale.

Da gasdetektionssystemer er et sikkerhedsudstyr stilles der krav til rutinemæssig vedligeholdelse.

Nogle gasser og dampe kan detekteres med forskellige sensorteknologier, f.eks. kan kulbrinte gasser detekteres både med katalytiske sensorer og med den infrarøde NDIR teknologi. Katalytiske sensorer tilbyder normalt ikke muligheden for selvcheck, og vil derfor kræve en høj frekvens af rutinemæssig vedligeholdelse, mens den NDIR-baserede løsning normalt har en højere anskaffelsespris, men ofte vil kræve mindre rutinemæssig vedligeholdelse.

Rutinemæssigt vedligehold af gasdetektionsudstyr kan oftest foretages af virksomhedens eget servicepersonale, men det bør allerede i overvejelserne identificeres hvem der skal udføre opgaven, og vurderes om det kræver ekstra uddannelse og/eller anskaffelse af specialudstyr. Hvis en sådan ressource ikke findes skal der budgetteres med at en 3.part involveres i opgaven, hvilket også bør indgå i valget af det rigtige udstyr.

Læs mere om gasdetektion her