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Die Erkennung von Gasen ist eine entscheidende Funktion, aber die Technologie hat sich seit Jahrzehnten nicht verändert. Als ich also von einem brandneuen Sensortyp von NevadaNano (Sparks, NV) hörte, beschloss ich, Ben Rogers, ihren technischen Leiter, zu interviewen.

Sie nennen ihren Sensor, ein MEMS-basiertes Gerät, Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

Der MPS-Sensor für brennbare Gase kann die Konzentrationen von 12 der häufigsten brennbaren Gase erkennen und identifizieren, einschließlich Wasserstoff; Der MPS-Methangassensor dient zur Überwachung von Methanlecks in der Öl- und Gasindustrie. Der MPS-Kältemittelgassensor erkennt leicht entflammbare Kältemittel mit geringer Treibhausgasemission – alle basieren auf der gleichen Technologie. Laut Rogers ist ihr Sensor weitaus genauer und zuverlässiger als der herkömmliche Pellistor (katalytischer Perlensensor) und der nichtdispersive Infrarotsensor (NDIR). Die meisten herkömmlichen Sensoren verfügen über eine Beschichtung, die eine chemische Reaktion auslöst. Das Problem besteht darin, dass die Sensorstellen, die die Reaktion ermöglichen, mit der Zeit zerstört werden können. Beim MPS handelt es sich jedoch um eine inerte Oberfläche auf Siliziumbasis, die keiner chemischen Reaktion bedarf. Es erwärmt sich, misst die thermodynamischen Eigenschaften der Luft und kühlt dann wieder ab, so dass es laut Rogers zehn Jahre oder länger ohne Kalibrierung halten kann.

Das MPS ist in ein etwa Zoll großes Gehäuse eingebaut, wie in Abbildung 1 dargestellt. Zu testende Luft tritt durch das Maschensieb an der Oberseite ein und trifft auf eine hängende, angebundene Mikroheizplatte, die den gleichen Durchmesser wie ein menschliches Haar hat – 100 Mikrometer breit. Die Kochplatte kann auf mehrere Hundert Grad Celsius erhitzt werden. Die Wärmequelle ist eine Joule-Heizung, bei der ein elektrischer Strom durch ein Widerstandselement geleitet wird, wie im Einschub von Abbildung 1 gezeigt. Der Strom kommt an einer der Leitungen an, wirbelt herum und kommt auf dieser Leiterbahn wieder heraus. „Wir können den Widerstand der Heizplatte messen, der uns ihre Temperatur und auch die Energie gibt, die nötig war, um diese Temperatur zu erreichen“, sagte Rogers. Der Zusammenhang zwischen der Temperatur der Platte und der zum Erreichen dieser Temperatur erforderlichen Leistung ist eine Funktion der Wärmeleitfähigkeit der Luft. Wenn die Luft Gase enthält, ändern sich ihre thermischen Eigenschaften. Wenn beispielsweise Methan in der Luft vorhanden ist und die Heizplatte erhitzt wird, ist mehr Energie erforderlich, um die Heizplatte auf der richtigen Temperatur zu halten, da Methan eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Luft hat, als wenn kein Methan vorhanden ist.

Der Schlüssel zu seinen einzigartigen Eigenschaften ist, dass das MPS ein MEMS-Gerät ist, das ähnlich wie Siliziumchips hergestellt wird: in einer Gießerei; Und da es sich um ein MEMS-Gerät handelt, benötigt es für den Betrieb nur sehr wenig Strom. „Es gab noch nie einen Sensor für brennbare Gase, der Ihnen sagen konnte, welche Gasklasse Sie erkennen. Wenn wir eine Erkennung durchführen, führen wir auch eine Klassifizierung durch. Beispielsweise meldet der Sensor die vorhandene Konzentration und dass es sich um Wasserstoff oder ein mittleres Gas wie Pentan oder eine Wasserstoffmischung handelt“, sagte Rogers. „Herkömmliche Gassensoren waren nie in der Lage, eine Klassifizierung durchzuführen. Das macht uns so genau: weil wir unsere Kalibrierung an jedes vorhandene Gas anpassen können.“

Die Konzentrationseinheit, auf die es ankommt, ist die untere Explosionsgrenze (UEG). Dabei handelt es sich um die niedrigste Konzentration (in Volumenprozent) eines Gases in der Luft, die in Gegenwart einer Zündquelle einen Brand auslösen kann. Da Benutzer wissen möchten, wie nah sie an 50 % der UEG sind, ist es wichtig zu erkennen, welches Gas vorhanden ist, da die UEG für jedes Gas unterschiedlich ist.

Abbildung 2 zeigt Diagramme der abgegebenen Konzentration gegenüber der gemeldeten Konzentration. Es veranschaulicht eines der größten Probleme mit Sensoren in diesem Bereich. Ein perfekter Sensor sagt Ihnen genau, was gemeldet wird – und zwar genau in der Mitte. Ein Sensor, der die Konzentration zu hoch meldet, löst zu früh einen Alarm aus, was zu einem kostspieligen Fehlalarm führt. Eine Unterberichterstattung führt zu einem falsch negativen Ergebnis, was gefährlich ist. Idealerweise sollte die Kurve genau in der Mitte liegen. Wie im rechten Diagramm zu sehen ist, ist die Genauigkeit des MPS-Sensors für sieben verschiedene Gase genau richtig.

Was das MPS so genau macht, ist, dass die Kalibrierung automatisch und in Echtzeit von der Sensorsoftware für jedes vorhandene Gas angepasst wird.

Ein NDIR-Sensor ist in der Regel auf Methan kalibriert, daher ist das Diagramm zwischen geliefertem und gemeldetem Methan eins zu eins (Abbildung 3, links). Aber für all diese anderen Gase, denen Sie normalerweise bei diesen Anwendungen begegnen, wird die Anzeige weit überhöht sein – die Anzeige ist viel zu hoch. Und es ist auch anfällig für Fehlalarme, wenn sich die Luftfeuchtigkeit oder die Temperatur relativ schnell ändern. Wichtig ist, dass es überhaupt keinen Wasserstoff sieht, der für viele Anwendungen weltweit zu einem immer wichtigeren Gas wird.

Die katalytische Perle (Katzenperle) ist der andere Sensor in diesem Raum (Abbildung 3, rechts). Wenn Sie es auf Methan kalibrieren, ist es für Methan korrekt, wenn Sie jedoch auf eines dieser anderen Gase stoßen, die für diese Anwendungen typisch sind, wird ein niedriger Wert angezeigt. Darüber hinaus wird die Katzenperle, die auf einer katalytischen Reaktion beruht, mit der Zeit leicht vergiftet. Wenn sich jemand im selben Raum wie dieser Sensor befindet und Handcreme trägt, reicht das aus, um ihn zu vergiften, sodass er nicht mehr funktioniert.

Oder wenn Sie ein Feuerwehrmann sind und an diesem Tag den LKW wachsen lassen, könnten alle Sensoren in Ihrem Gebäude vergiftet sein. Daher ist eine häufige und kostspielige Wartung erforderlich – Sie müssen sie regelmäßig überprüfen – an manchen Orten werden sie jeden Tag oder jeden Monat überprüft, um zu verhindern, dass sie vergiftet werden.

„Wie in Abbildung 2 dargestellt, folgt unser Sensor auch einer Flugbahn genau in der Mitte, gemessen an der abgegebenen gegenüber der gemeldeten Konzentration. Wir sind bei all diesen Gasen sehr genau, auch wenn das MPS werkseitig nur auf Methan kalibriert ist. Aber durch die Art und Weise, wie wir die Luft untersuchen, können wir tatsächlich feststellen, welches Gas vorhanden ist, was beispiellos ist“, sagte Rogers.

„Wir sind in zwei Dingen gut“, sagte Rogers. „Eine davon ist der Bau des Heizplattensensors, dessen Entwicklung jahrelang dauerte. Und zweitens, lernen, wie man mit dieser Herdplatte spricht.“ Das Grundgerät ist recht einfach – nur ein beheizter Widerstand und eine Temperaturmessung. Die Art und Weise, wie diese Informationen verwendet werden, ist für die Funktion des Sensors von entscheidender Bedeutung. Zur Ermittlung der Messwerte werden die von der Kochplatte kommenden Daten sowie die Daten eines Umgebungssensors verwendet, der Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit misst. „Alle zwei Sekunden nehmen wir die Daten von der Heizplatte, wir nehmen die Daten vom Umgebungssensor und führen eine Reihe von Algorithmen aus, für deren Entwicklung wir 15 Jahre gebraucht haben, und es kommt heraus: ‚Es ist dieses Gas, es ist diese Konzentration‘ und.“ Das ist der Trick“, sagte Rogers.

Die Verwendung derselben Daten, aber die Änderung der Algorithmen hat es NevadaNano ermöglicht, Dutzende von Produkten zu entwickeln, die auf Softwareänderungen basieren. Beispielsweise gibt es eine neue Generation von Kältemitteln, die die globale Erwärmung dämpfen. Viele dieser neuen Kältemittel, die in Klimaanlagen, Kühlschränken usw. verwendet werden, sind jedoch brennbar. Daher benötigen alle Klimaanlagen für Privathaushalte Entflammbarkeitssensoren, um einen unsicheren Zustand zu verhindern. Basierend auf den thermodynamischen Eigenschaften dieser Kältemittelmoleküle konnte NevadaNano durch eine einfache Softwareänderung ein Produkt entwickeln, das speziell für diese bestimmte Gasart oder mehrere Gasarten geeignet ist. So hatten sie innerhalb eines Monats ein neues Alpha-Produkt und begannen, es herauszubringen und den Leuten vorzuführen.

Ich fragte Rogers, ob sie jeden Sensor für ein bestimmtes Gas kalibrieren müssten. Er antwortete, dass es davon abhängt, welches Gas nachgewiesen werden muss. Für die brennbaren Standardgase wird im Werk Methan als Kalibriergas verwendet. „Sobald wir dem Sensor Methan gezeigt haben, müssen wir ihn nicht mehr auf Wasserstoff, Butan und Propan kalibrieren – er erkennt intuitiv auch alle anderen Gase.“ So müssen sie beispielsweise im Werk nicht unbedingt Wasserstoff verwenden, um einen wasserstoffspezifischen Sensor zu kalibrieren.

Anschließend habe ich Rogers nach typischen Anwendungen gefragt. „Wir sind nur der Sensor – wir sind das kleine eimerförmige Gerät, das an ein Detektorsystem angeschlossen wird. Wenn Sie beispielsweise heute in eine Raffinerie gehen und sich an den Wänden umsehen würden, würden Sie viele Dutzend Geräte sehen, die wie Stromzähler von Elektrizitätswerken aussehen.“ An sie sind mehrere Sensoren angeschlossen, darunter wahrscheinlich ein Schwefelwasserstoffsensor, ein Sauerstoffsensor, ein Kohlenmonoxidsensor und ein Sensor für brennbare Gase wie der MPS.

Feuerwehrleute und andere Ersthelfer, die in ein Gebäude rennen, tragen normalerweise einen sogenannten Vier-Gas-Sensor – ein kleines Gerät in der Größe eines Mobiltelefons, das sozusagen auf ihrer Schulter sitzt und über vier Gassensoren verfügt, darunter einen MPS.

Laut Rogers ist das MPS die innovativste Technologie zur Gasdetektion seit über 30 Jahren. Es überwindet die Mängel bestehender Technologien; es ist über weite Betriebsbereiche stabil, einschließlich schneller Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen; es ist korrekt für eine Liste häufig vorkommender brennbarer Gase (einschließlich Wasserstoff). Darüber hinaus kann das MPS in Umgebungen mit mehreren oder unbekannten Gasen eingesetzt werden und ist eigensicher, robust und immun gegen Vergiftungen.

Dieser Artikel wurde von Ed Brown, Herausgeber von Sensor Technology, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2021 des Sensor Technology Magazine.

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