Sensory gazów - budowa i działanie.

Zastosowanie odpowiedniej technologii pomiarowej to podstawa otrzymania wiarygodnych pomiarów lub prawidłowego ostrzegania o niebezpieczeństwie. Źle dobrane urządzenie pomiarowe może wprowadzić w błąd użytkownika co może grozić wypadkiem. W przenośnej detekcji znaczenia mają 2 aspekty: rodzaj wykonywanych pomiarów oraz dobór prawidłowej technologii pomiarowej. Rodzaj oznacza tu kwestię czy są to specjalistyczne pomiary o wysokiej dokładności (np. pomiary środowiskowe), które wymagają zastosowania specjalistycznych urządzeń o wysokich czułościach i niskich współczynnikach błędów prowadzonych przy zastosowaniu odpowiednich warunków pomiarowych czy raczej jest to zabezpieczanie bieżących prac (lub akcji ratowniczej) gdzie pomiary są wykonywane w celu ostrzeżenia o zagrożeniu i ich dokładność jest mniejsza, trudno o zachowanie jednolitych warunków i są robione w pośpiechu. Od razu widać, że rodzaj pomiarów definiuje zarówno sposób ich wykonywania, interpretacji wyników i urządzeń użytych do ich realizacji (dla pomiarów specjalistycznych będą to urządzenia wysokiej klasy często pół stacjonarne, a dla kwestii bezpieczeństwa będą to popularne przenośne mierniki gazów).
Drugim aspektem jest wybór technologii pomiarowej, który ma znaczenie przy obu rodzajach pomiarów. Poniżej przyjrzymy się sensorom gazów używanym w przenośnych miernikach gazów służących do celów zabezpieczania pracowników i ratowników w ich codziennych obowiązkach.

Katalityczne sensory gazów.

Katalityczny sensor gazów składa się z 2 elementów: aktywnego (2) oraz pasywnego (1). Oba elementy zbudowane są ze spiralnego platynowego drutu rozgrzanego do wysokiej temperatury. Element aktywny dodatkowo posiada warstwę katalityczną (4) umożliwiającą spalanie gazu palnego (3) co skutkuje wzrostem temperatury, zmianą rezystancji elementu aktywnego i tym samym zmianą parametrów prądu płynącego przez element aktywny. Różne sygnały z obu elementów powodują zaburzenie równowagi układu co można zmierzyć (5). Dzięki zastosowaniu 2 podobnych elementów katalityczny sensor gazów wykazuje znaczną odporność na zmiany warunków zewnętrznych (np. temperaturę lub wilgoć), które są kompensowane przez element pasywny (1). Element katalityczny wykazuje częściową selektywność czyli brak reakcji na inne gazy niepalne. Zaletą sensora jest liniowy pomiar czyli proporcjonalny współczynnik odpowiedzi układu w stosunku do zmieniającego się stężenia gazu co umożliwia prawidłowy pomiar.
Katalityczny sensor gazów ma także pewne słabości. Aby spalanie na powłoce katalitycznej mogło zajść niezbędny jest tlen w odpowiedniej ilości. Przy małej ilości tlenu lub jego braku spalanie będzie słabe lub nie będzie go wcale co oczywiście skutkuje nieprawidłowym pomiarem. W systemach stacjonarnych projektanci przewidują czy taka sytuacja moze zajść i w takich miejscach stosują inne technologie, natomiast w urządzeniach przenośnych taka sytuacja może być częsta przy pomiarach gazów w przestrzeniach zamkniętych, zbiornikach czy studniach gdzie inne gazy mogły wyprzeć tlen.
Drugą wadą kataltycznego sensora gazów jest brak odporności na przekroczenia zakresu i gazy zatruwające. Przy przekroczeniu zakresu pomiarowego (czyli stężenia gazu o wyższej wartości niż zakres sensora) spalanie następuje zbyt gwałtownie i następuje bardzo szybkie zużycie sensora. W łagodnych przypadkach wymagana jest kalibracja, ale w skrajnych sytuacjach moze dojść do całkowitego zniszczenia w kilka minut. Podobne działanie wykazują niektóre substancje zatruwające i kontakt z nimi kończy się dla sensora równie poważnie.
Dlatego w pomiarach terenowych urządzeniami przenośnymi dla gazów wybuchowych (palnych, węglowodorów) lepiej stosować sensory gazów podczerwone (InfraRed) lub sensory MPS.

Elektrochemiczne sensory gazów.

Sensor gazów wykonany w technologii elektrochemicznej działa na zasadzie ogniwa galwanicznego. Sensor składa się z 2 lub 3 elektrod (1)(2)(3) zanurzonych w elektrolicie (4) oraz filtra oraz membrany (6) przepuszczającej gaz (5), ale nie przepuszczającej zanieczyszczeń i wody. W wyniku reakcji chemicznej redukcji/utleniania (7) na elektrodzie pracującej (1) oraz równoważącej (2) lub referencyjnej (3) w przypadku sensorów 3-elektrodowych powstaje potencjał, który umożliwia przepływ elektronów. Układ pomiarowy (8) umożliwia konwersję tego sygnału i odczyt na ekranie urządzenia pomiarowego. Niektóre sensory są wyposażane w czujnik temperatury. Jest to ważne ponieważ zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura są szkodliwe dla sensora elektrochemicznego.
Elektrochemiczne sensory gazów są stosowane głównie gazów toksycznych i tlenu (aczkolwiek istnieją inne np. do pomiaru wodoru). W przypadku gazów toksycznych najczęściej sensory gazów mierzą niskie wartości rzędu kilkudziesięciu do kilkuset ppm, ale istnieją także sensory dokonujace pomiaru dziesiątek tysięcy ppom lub wręcz procent objętościowo (np. tlenu).
Elektrochemiczny sensor gazów charakteryzuje się liniowym pomiarem, wysoką selektywnością (choć nie całkowitą) oraz dobrą stabilnością i powtarzalnością pomiarów.
Nalezy jednak pamiętać o kilku ograniczeniach jakie posiadają elektrochemiczne sensory gazów. Nie należy przekraczać zakresu temperatur ponieważ moze to prowadzić do wysychania elektrolitu (wysoka temperatura) lub jego zamarzania (niska temperatura). Sensor elektrochemiczny wymaga tlenu do pomiaru, przez pewien czas może korzystać z tlenu zawartego w elektrolicie, ale dłuższa praca w środowisku beztlenowym nie jest wskazana. Ciągła obecność gazu lub przekraczanie zakresu pomiarowego prowadzi do zużywania sensora. Stąd w przypadku kosztownych mierników rzadkich substancji jak chlor, dwutlenek siarki, tlenki azotu, amoniak itd. warto warto je mierzyć osobnym miernikiem, a standardowy detektor 4 gazowy do codziennych prac utrzymywać jako osobny.

Podczerwone sensory gazów IR.

Podczerwony sensor gazów, a właściwie sensor absorpcji podczerwieni NDIR (ang. nondispersive infrared sensor) wykorzystuje do działa zjawisko pochałaniania fali promieniowania w paśnie podczerwieni. Budowa sensora opiera się na nadajniku (1) i odbiorniku (2) fali podczerwonej. Kiedy gaz (3) trafi w przestrzeń między tymi elementami to pochłania część fali (4). Odbiornik odbiera to jako obecność gazu co mozna przełożyć na pomiar. Istotna w budowie tych sensorów jest długość fali, gdyż fale o różnej długości mogą być pochłaniane przez różne gazy.
Najważniejszymi zaletami podczerwonych sensorów gazów są możliwość pracy w warunkach beztlenowych (obecność tlenu nie ma wpływu na działanie sensora więc jest on szczególnie polecany do urządzeń przenośnych), niewrażliwość na przekroczenia zakresu i gazy zatruwające (w sensorze nie zachodzi żadna reakcja chemiczna więc nie można go w ten sposób uszkodzić, ani rozkalibrować i może on być rzadziej kalibrowany niż inne typy sensorów), niewielkie zużycie prądu (detektory przenośne z podczerwonym sensorem gazu mogą pracować nawet 2 miesiące bez ładowania), niska wrażliwość na warunki zewnętrzne, długi czas eksploatacji (nawet powyżej 10 lat).
Do wad sensora mozemy zaliczyć nieco wyższy koszt zakupu w stosunku do innych technologii oraz fakt, że podczerwone sensory gazów nie wykrywają wodoru oraz acetylenu co może być istotne w niektórych miejscach (np. branża spawalnicza).

Półprzewodnikowe sensory gazów.

Półprzewodnikowy sensor gazów to jedna z najstarszych konstrukcji służących do detekcji gazów. Jego działanie opiera się materiał półprzewodnikowy (5), który podczas pracy w czystym powietrzu jest nagrzewany przez grzałkę (1) i absorbuje jony tlenu z powietrza blokując przepływ elektronów przez element półprzewodnikowy. Widzimy to jako wygrzewanie na początku pracy urządzenia. Gaz, który pojawi się w pobliżu (3) "odrywa" jony tlenu z powierzchni elementu półprzewdnikowego (4) uwalniając przepływ elektronów, który może zostać zmierzony (6). Dobre "wygrzanie" półprzwodnikowego sensora gazów jest bardzo ważne i może ono trwać wiele godzin. Stąd nie jest to dobra technologia dla urządzeń przenośnych, które z natury rzeczy są używane doraźnie i chcemy mieć je gotowe do pracy szybko po włączeniu. Sensory gazów w technologii półprzewodnikowej używane są do detekcji gazów w zakresach tysięcy ppm lub %DGW. Niestety ich nieliniowa charakterystyka (nieproporcjonalna odpowiedź w stosunku do zmiany stężenia gazu) powoduje, że nie jest to dobre rozwiązanie do pomiaru gazów dlatego ich szersze zastosowanie jest raczej widoczne w starszych progowych systemach detekcji gdzie są tylko 2 alarmy po osiągnięciu zadanych stężeń. Dodatkowo sensory gazów tego typu są wrażliwe na warunki zewnętrzne (szczególnie wilgoć), mają niską selektywność i inne wady, które raczej wykluczają je z zastosowania w urządzeniach przenośnych. Ze względu na ich niską cenę są stosowane w przenośnych lokalizaotrach nieszczelności instalacji gazowych gdzie nie pełnią roli pomiarowej tylko raczej rolę identyfikatora obecności gazu z informacją o natężeniu wycieku (słabiej/silniej).

Sensor węglowodorów, gazów palnych MPS (Molecular Property Spectrometr - Spektrometr Właściwości Molekularnych).

Najnowocześniejsze rozwiązanie w dziedzinie przenośnej detekcji gazów palnych i wybuchowych to sensor gazów MPS (ang. Molecular Property Spectrometr - Spektrometr Właściwości Molekularnych). Jego budowa opiera się na technologii mikroukładu elektromechanicznego MEMS (ang. microelectromechanical system), która wprowadziła ważną zmianę od wielu lat. Sensor gazów wybuchowych MPS umie bowiem rozróżnić gazy, które mierzy oraz zakwalifikować je do jednej z 6 kategorii zróżnicowanych względem ciężaru. Generalnie sensor przeznaczony jest do pomiaru węglowodorów i wodoru co daje mu szerokie zastosowanie w przenosnych urządzeniach szczególnie w branżach paliwowych, chemicznych i ratownictwie. Można powiedzieć, że to jest pierwsza technologia, która wypełnia znaczenie słowa "eksplozymetr" lub "sensor węglowodorów".

Użytkownik miernika wyposażonego w sensor gazów MPS także kolejny ważny atut jakim jest rzeczywisty pomiar wartości granicy wybuchowości tzw. TruLEL (ang. prawdziwe DGW). Sensor katalityczny czy podczerwony mogą wykrywać także inne gazy niż ten na który zostały skalibrowane (najczęściej metan). Czyli jeżeli detektorem z sensorem katalitycznym lub podczerwonym wejdziemy w atmosferę z propanem to taki detektor też coś wskaże jednak jego pomiar nie będzie prawdziwy ponieważ kalibracja była na metan, który powoduje zupełnie inną reakcję sensora gazów. Jeszcze gorzej gdy trafimy na mieszaninę 2 lub więcej gazów. Detektor wyposażony w sensor gazów MPS rozwiązuje ten problem ponieważ pokazuje prawdziwą wartość gazu wybuchowego lub jego składników. Stąd pomiar, jaki pokazuje taki detektor jest dużo bardziej woarygodny niż przy użyciu poprzednich technologii. Jest bardzo ważna zmiana w bezpieczeństwie pracowników i ratowników polegających na przenośnych urządzeniach detekcyjnych. Sensor gazów MPS jest dostępny w przenośnych detektorach wielogazowych, strefowych detektorach gazów oraz systemach bezpieczeństwa pracowników samotnych (lone-worker) marki Blackline Safety.