Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Pelistorové senzory – vlastnosti a použití

číslo 12/2004

Pelistorové senzory – vlastnosti a použití

Karel Kadlec

Pelistorové senzory, jejichž funkce je založena na principu katalytického spalování, patří k nejstarším a dosud nejčastěji používaným senzorům v přístrojích určených pro měření koncentrace hořlavých plynů a par. V článku jsou diskutovány vlastnosti pelistorových senzorů, vliv chemického složení senzoru, jeho struktury a geometrie, vliv složení katalyzátoru a možnosti selektivního stanovení podílu jednotlivých komponent v analyzované směsi. Pozornost je věnována i působení inhibitorů spalovací reakce a katalytických jedů a zvýšení odolnosti senzoru proti jejich účinku. Vedle hlavních a nejčastějších aplikací pelistorů v zabezpečovacích systémech jsou uvedeny příklady použití těchto senzorů v analyzátorech plynů a monitorovacích systémech.

1. Pelistorové senzory

1.1 Základní vlastnosti
Pelistory patří mezi nejstarší typy chemických senzorů používaných v samočinných analyzátorech plynů [1]. Jedná se v podstatě o jistý druh kalorimetrického senzoru, kdy koncentrace plynu je měřena na základě množství tepla uvolněného při řízené spalovací reakci. Reakce je podporována vhodnou teplotou a přítomností katalyzátoru. Poněvadž spalovací reakce nastává na čidle s katalyticky účinným povrchem, nazývá se tato měřicí metoda metoda katalytického spalování.
S výhodou se katalytické spalování využívá v detektorech a analyzátorech pro měření koncentrace hořlavých plynů a par ve vzduchu. V měřicí komoře analyzátoru je umístěno elektricky žhavené tělísko s katalyticky účinným povrchem, na kterém probíhá spalovací reakce určované hořlavé látky. Teplo uvolněné při spalování způsobí nárůst teploty měřicího tělíska, která se obvykle vyhodnocuje jako změna elektrického odporu. Měřicí tělísko nejčastěji mívá tvar perličky a v odborné literatuře se označuje jako pelistor.

Obr. 1.

Základní požadavky a funkce, které musí pelistor splňovat, lze shrnout takto:

  • povrch pelistoru musí být katalyticky aktivní,
  • pelistor musí být ohříván na vhodnou pracovní teplotu,
  • pelistor musí být schopen měřit změny teploty.

Vedle těchto základních funkcí by měl měřicí prvek vykazovat:

  • velkou citlivost,
  • rychlou odezvu,
  • dlouhou dobu života při dlouhodobé stabilitě,
  • odolnost proti působení katalytických jedů,
  • dobrou mechanickou odolnost.

1.2 Konstrukce pelistoru
Nejvhodnějším čidlem pro měření změny teploty senzoru je platinový odporový teploměr. Umožňuje totiž, aby platinové vinutí fungovalo jako mechanický nosný prvek, jako topný prvek i jako teploměr. Vinutí z platinového drátu je zapouzdřeno uvnitř keramické perličky, na jejímž povrchu je nanesen katalyzátor (obr. 1). Pracovní teplota se pohybuje okolo 500 °C. Prostřednictvím přívodních drátů je pelistor uchycen k nosníkům pájením nebo přivařením. Mnoho pelistorových senzorů tohoto typu je popsáno v [1] až [6].

Obr. 2.

Pelistor má nejčastěji tvar koule nebo válce o průměru 1 až 2 mm. Odporové vinutí je vyrobeno z platinového drátu o průměru 0,03 až 0,1 mm. Žáruvzdorná keramická perlička je vytvořena na bázi oxidu hlinitého (minimálně 75 % hmotnosti, dalšími složkami mohou být např. SiO2, hlinitokřemičitany apod.) Jako katalyzátor se nejčastěji používá platina nebo směs platiny a paladia, řidčeji Rh, Ru a Re. Složení katalyzátoru bývá různě modifikováno. Například přídavek NaF k platinovému katalyzátoru způsobí, že na povrchu pelistoru se budou spalovat vyšší uhlovodíky, ale nikoliv methan.

Pro vyhodnocení signálu se měřicí pelistor s katalyticky aktivním povrchem zapojuje do Wheatstoneova můstku spolu s dalším, referenčním pelistorem, jehož povrch nevykazuje katalytický účinek (obr. 2). Úkolem referenčního pelistoru je kompenzovat rušivé vlivy, způsobené např. změnami teploty či průtoku měřeného vzorku nebo změnami tepelné vodivosti plynné směsi, na výstupní signál. Materiálové vlastnosti měřicího i referenčního prvku by měly být pokud možno totožné, aby chyby měření byly potlačeny na minimum. Často se povrch referenčního pelistoru pokrývá vrstvičkou skla. Protože v běžném skle časem vznikají trhliny a hořlavá látka může vnikat do pórů porézního materiálu, kde pak dochází k reakci, používá se fosfátové sklo s přídavkem alkalických oxidů, alkalických hydroxidů nebo oxidů prvků vzácných zemin. Při výrobě pelistoru pronikne sklo do porézní hmoty a oba materiály se pevně spojí.

Obr. 3.

Měřicí a referenční pelistor se umisťují někdy separátně, častěji ale společně do měřicí komory obvykle válcového tvaru. Víko nebo válcová stěna komory jsou vyrobeny z kovového porézního materiálu, např. sintrovaného bronzu nebo niklu (obr. 3). Porézní materiál umožňuje přístup určované látky k citlivým prvkům a současně spolehlivě zabraňuje zpětnému prošlehnutí plamene v případě, kdy uvnitř komory je překročena dolní mez výbušnosti a směs se vznítí. Příklad konstrukce měřicí komory s protiexplozním uzávěrem je na obr. 4. Funkce sintru jako protiexplozního uzávěru musí být certifikována příslušnou institucí.

1.3 Pracovní režim pelistoru
Při měření se využívají dva různé pracovní režimy pelistoru.

První způsob, v komerčních detektorech plynů používaný nejčastěji, je tzv. režim neizotermní. Je založen na tom, že je-li přítomna hořlavá látka, probíhá na citlivém prvku spalovací reakce, roste jeho teplota a výsledkem je změna odporu pelistoru, která způsobí změnu rovnováhy v diagonále měřicího můstku. Výstupní elektrické napětí je úměrné koncentraci hořlavého plynu ve směsi, která obsahuje přebytek kyslíku. Pro vyhodnocování signálu se používají dvě metody, které se liší způsobem napájení obvodu. Jedná se o můstek buď s konstantním napájecím napětím, nebo s konstantním proudem. Napájení s konstantním napětím je využíváno častěji u přenosných přístrojů, ve kterých se používají měřicí prvky s menší spotřebou. Napájení s konstantním proudem se používá u stabilních analyzátorů při větších vzdálenostech snímače a elektronické vyhodnocovací jednotky. Typické hodnoty pevných odporů ve Wheatstoneově můstku jsou řádu stovek ohmů a jeho napájecí napětí bývá 2 až 3 V. Měřicí zařízení využívající neizotermní metody se vyznačují jednoduchým zapojením obvodu (zvláště při napájení konstantním napětím).

Obr. 4.

Při druhém způsobu je teplota citlivého prvku udržována konstantní; hovoří se o izotermním režimu. Při tomto způsobu měření se napájení upravuje automaticky tak, aby citlivý prvek měl konstantní teplotu. Elektrický příkon, potřebný k udržování konstantní teploty měřícího pelistoru při spalování hořlavé látky, je pak úměrný její koncentraci. Tato měřicí metoda se někdy využívá k dosažení větší selektivity pelistorového senzoru k vybraným hořlavým látkám v několikasložkových směsích (spalovací reakce probíhá vždy při určité konstantní teplotě).

2. Souvislost mezi velikostí signálu a koncentrací

Výstupní signál měřicího můstku snímače je v rozsahu do dolní meze výbušnosti (DMV) přibližně lineárně závislý na koncentraci určované látky. Výstupní údaj se obvykle neuvádí v objemové koncentraci, ale měřicí přístroje nejčastěji bývají kalibrovány v procentech DMV. Je tomu tak proto, že změny fyzikálních vlastností látek ovlivňují průběh katalytické reakce v tom smyslu, že odezva pelistorů na stejnou objemovou koncentraci různých plynů se velmi liší. Je-li však pelistor vystaven stejné koncentraci v procentech DMV různých plynů, jsou změny ve výstupním signálu relativně malé v porovnání s jinými detekčními metodami. Jestliže nás zajímá především hledisko bezpečnosti, je měření v procentech DMV velmi výhodné. Změny ve výstupním signálu pro stejnou koncentraci vyjádřenou v procentech DMV různých plynů se vyjadřují formou relativní citlivosti nejčastěji vztažené k metanu. Hodnoty relativní citlivosti hořlavých plynů a par se určují experimentálně.

Tab. 1. Korekční koeficienty pro pelistorové senzory Crowcon [18]
Měřená látka Kalibrace methanem Kalibrace pentanem
acetaldehyd 1,6 0,8
acethon 1,6 0,9
acetylen 1,7 0.8
benzen 1,9 1,1
n-butan 1,6 0,8
n-butanol 2,9 1,4
butylacetát 3,0 1,5
CO 1,2 0,6
n-dekan 2,8 1,4
ethan 1,4 0,7
ethanol 1,9 0,6
ethylacetát 1,8 0,9
ethylether 2,1 1,0
ethylen 1,2 0,7
n-heptan 2,3 1,3
methan 1,0 0,5
methanol 1,2 0,5
n-nonan 2,8 1,4
n-oktan 2,6 1,3
n-pentan 1,9 1,0
propan 1,3 0,7
toluen 1,9 1,1
vodík 1,2 0,6
o-xylen 2,8 1,2

Je však důležité si uvědomit, že relativní citlivost je pouze orientačním vodítkem. Při požadavku přesného měření je zapotřebí vždy senzor kalibrovat pro danou konkrétní látku. Dále je třeba respektovat i skutečnost, že hodnoty DMV pro jednotlivé hořlavé látky se mohou lišit v různých zemích v souvislosti s jejich legislativou.

Někteří výrobci pelistorových senzorů poskytují spolu s protokolem o kalibraci i tabulku korekčních koeficientů, s jejichž pomocí lze přepočítat údaj senzoru získaný při měření koncentrace jiné látky než té, která byla použita při kalibraci. Pro představu jsou korekční faktory pro vybrané látky používané u pelistorů od firmy Crowcon v tab. 1.

Pro získání přibližné hodnoty procent DMV určité páry nebo plynu, na které nebyl senzor kalibrován, je údaj měřicího přístroje třeba vynásobit korekčním faktorem podle příslušné kalibrace, např. takto:

  • detektor byl kalibrován n-pentanem,
  • při měření koncentrace vodíku byl na přístroji odečten údaj 65,
  • hodnota koncentrace vodíku se vypočte jako 65 × 0,6 = 39 % DMV vodíku.

Pelistorovým senzorem není možné selektivně rozlišit jednotlivé hořlavé látky přítomné v několikasložkových směsích. To však není na závadu, jestliže se analyzátor využívá k zabezpečovacím účelům – naopak lze hovořit o selektivitě senzoru vzhledem k obsahu hořlavých plynů a par ve vzduchu.

3. Veličiny ovlivňující činnost pelistoru

Pelistorové senzory se vyznačují dlouhou dobou života a provozní spolehlivostí při nepřetržitém provozu. Faktory ovlivňující velikost výstupního signálu pelistoru lze rozdělit do dvou skupin: na geometrické a chemické.

Jako geometrické faktory se uvažují především tvar a velikost pelistoru. Pro minimalizaci spotřeby energie a co nejmenší citlivost na polohovou orientaci by měřicí prvek měl mít ideálně tvar malé kulové perličky. Rychlost reakce, a tím i rychlost uvolňování tepla a velikost signálu, je však úměrná rozměru plochy, na které je nanesen katalyzátor. Vzhledem k těmto protichůdným požadavkům bývá prvek konstruován jako malá koule z porézního materiálu. Rychlost reakce je pak určena velkým aktivním povrchem, zatímco ztráty, a tím spotřeba energie, jsou určovány vnější geometrickou plochou koule. V praxi však pelistory většinou pracují v režimu řízeném transportem hmoty, kdy reakční rychlost je nezávislá na velikosti povrchu a limitujícím činitelem je rychlost difuze hořlavé látky k povrchu senzoru.

Existuje několik způsobů transportu plynu k senzoru. U většiny systémů se to děje difuzí přes kovový sintr, který odděluje vnitřní prostor s pelistory od zkoumané atmosféry. U prosávaných detektorů je vzduch přiváděn trubkou a dostává se k měřicímu prvku difuzí přes sintr nebo spojovacími otvory. U třetího typu systémů proudí plyn přímo do měřicí komory s měřicím a referenčním pelistorem. Poslední způsob se využívá tehdy, je-li požadována rychlá odezva (T90 menší než 1 s). Jeho nevýhodou je obvykle výraznější závislost výstupního signálu na velikosti a směru průtoku plynu. U snímačů, jejichž funkce je určována difuzí, jsou dynamické vlastnosti méně příznivé a T90 činí i několik sekund. Naproti tomu však tyto snímače vykazují větší stabilitu a lepší linearitu signálu (rychlost difuze je lineárně závislá na koncentraci plynu, a proto je i výstup lineární funkcí koncentrace).

Za chemické faktory se uvažují vlivy způsobující pokles až popř. ztrátu aktivity katalyzátoru. Tyto ztráty aktivity mohou být způsobeny sintrováním nebo otravou katalyzátoru. Polykrystalické katalyzátory s co nejmenší velikostí částic jsou obvykle relativně nestabilní a postupně u nich dochází k sintrování. Rychlost sintrování katalyzátoru často roste, když na povrchu pelistoru probíhá reakce. Tento efekt může být znatelně redukován tím, že katalyzátor je již při výrobě pelistoru vystaven počátečnímu chemickému působení, obvykle při teplotě značně větší než budoucí provozní teplota. Sintrovaného stavu je potom dosaženo dříve, než je snímač použit.

K závažnějšímu omezení katalytických senzorů, danému ztrátou citlivosti, dochází při působení určitých plynů a par obsažených ve zkoumané atmosféře. Hlavní kontaminanty, které mohou narušit výkonnost katalytického senzoru, mohou být klasifikovány buď jako inhibitory, nebo jako katalytické jedy. Rozdíl v chování těchto dvou skupin je způsoben mechanismem adsorpce na katalyzátoru a produkty vznikajícími degradací těchto látek. Obě skupiny zhoršují aktivitu katalyzátoru tím, že se adsorbují na aktivních místech silněji než další složky reakce a zmenšují tak koncentraci složek na povrchu a tím i rychlost reakce.

V případě inhibitoru se rychlost reakce zmenší úměrně velikosti povrchu, na kterém je inhibitor adsorbován. Reakce je inhibována úměrně koncentraci inhibitoru. Jestliže koncentrace inhibitoru ve zkoumaném vzorku klesne na nulu, nastane úplné obnovení reakční aktivity. Mezi inhibitory patří halogeny, organické halogenderiváty a SO2.

Katalytický jed je však, na rozdíl od ihibitoru, nevratně adsorbován. Velikost pokrytí aktivního povrchu nezávisí na rovnováze, ale roste v závislosti na koncentraci katalytického jedu až do zakrytí celého povrchu. Proto se signál katalytického senzoru exponovaného katalytickým jedem zmenšuje směrem k nule, a to bez ohledu na koncentraci jedu. Jedná se o kumulativní a trvalý efekt. Koncentrace jedu má vliv jen to, za jak dlouho bude katalyzátor zcela deaktivován. Rychlost deaktivace závisí na vlastnostech katalyzátoru, vlastnostech jedu a podmínkách reakce. Jako katalytické jedy působí organické sloučeniny křemíku (silikony), alkyl-olovnaté sloučeniny a fosfáty. Tuto skutečnost je třeba respektovat při použití pelistorových senzorů v praxi. Je důležité vzít v úvahu, že množství čisticích kapalin, sprejů, vazelín a krémů na pokožku obsahuje silikony, a těch je zapotřebí se při použití pelistorů vyvarovat.

Další jev, který rovněž může nepříznivě ovlivnit vlastnosti pelistorového senzoru, spočívá v ukládání uhlíku na katalyzátoru. To se stává v případě, že snímač je vystaven extrémně vysokým koncentracím uhlovodíků, popř. při měření koncentrace aromatických látek, které obsahují velké množství uhlíku v molekule. Tento problém se významně redukuje přidáním thoria s paladiem do katalyzátoru. Katalytický senzor bývá pokrýván uhlíkovými sazemi i při spalování organických látek v atmosféře s nedostatkem kyslíku.

4. Pelistory rezistentní proti katalytickým jedům

Obr. 5.

V současné době není možné vliv katalytických jedů na pelistorový senzor zcela vyloučit, lze ho však významně redukovat.

Aby vznikl snímač odolný proti působení katalytických jedů, překrývá se povrch pelistoru např. vrstvou zeolitu. Tato vrstva působí jako molekulové síto a zabraňuje přístupu katalytického jedu k aktivnímu povrchu senzoru. Jiný způsob spočívá ve vytvoření keramické hmoty nosiče, u níž jsou póry mezi jednotlivými částicemi menší než 20 nm. Nejlepších výsledků se dosahuje u pelistorů, u kterých se katalyzátor nachází nejen na povrchu tělíska, ale i na vnitřním povrchu pórů keramického nosiče. Jak již bylo řečeno, řídicím dějem, který určuje velikost signálu, není rychlost oxidace, ale rychlost difuze hořlavé látky ke katalyzátoru. U pelistoru s malými póry je k dispozici více ploch, na kterých probíhá oxidace, zatímco přístup k těmto plochám je limitován difuzí. Dojde-li k otravě určité části plochy, tedy za předpokladu, že je k dispozici nadbytečná katalyticky účinná plocha, nepoklesne ani rychlost oxidace, ani výstupní signál. Na obr. 5 je ukázán pokles signálu s časem při působení katalytických jedů na běžný pelistor s katalyzátorem na povrchu a na rezistentní pelistor, u něhož se katalyzátor nachází i uvnitř keramického nosiče [5].

Další ochrany proti působení katalytických jedů, používané zejména u stabilních analyzátorů, lze dosáhnout zařazením uhlíkového filtru před porézní sintr měřicí komory. Toto uspořádání je vhodné zejména při měření koncentrace vodíku nebo methanu. Při měření koncentrace vyšších uhlovodíků i dalších organických látek dochází k výraznému poklesu citlivosti detekce. Filtr je třeba vyměňovat při každé rekalibraci senzoru, tj. minimálně jednou za šest měsíců. Jindy se u pelistorů používá filtr se skleněnou vatou, která je vhodně impregnována pro zachycení silikonových sloučenin.

Obr. 6.

5. Planární provedení senzorů katalytického spalování

Ve výzkumných pracích, v odborné a patentové literatuře z poslední doby se namísto klasické struktury pelistorového senzoru ve tvaru perličky pojednává o planární technologii výroby senzoru. Někdy se tyto planární senzory označují jako kalorimetrické mikrosenzory nebo mikropelistory. Příprava senzorů na podložce z keramického materiálu o velmi malých rozměrech dovoluje při relativně vysokém stupni integrace vytvořit ne jeden, ale několik párů pelistorů (jako pár je zde chápána dvojice čidel s aktivní a inaktivní katalytickou vrstvou), které mohou být prostřednictvím povrchové úpravy uzpůsobeny pro detekci různých typů plynů.

Planární technologie řeší také další podstatný problém katalytických senzorů – relativně velkou spotřebu energie. Jako provozní napětí klasického pelistoru je v literatuře uváděna hodnota kolem 700 mV. Provozní teplota senzoru se pohybuje okolo 400 °C. Při vhodném vytvarování platinového topného prvku do podoby planárního meandru, který je tepelně izolován keramickým materiálem, je při zachování provozní teploty senzoru zmenšeno provozní napětí na tomto prvku až k hodnotě 100 mV. Příkon planárního pelistoru činí asi 50 až 60 mW při teplotě katalyzátoru přibližně 500 z obr. 6. Například na čipu o rozměrech asi 2,8 × 2,5 mm může být integrován měřicí i referenční prvek senzoru. Zmenšení příkonu je dosaženo použitím vhodného topného prvku, kterým je tenká platinová vrstva obklopená z obou stran nitridem křemíku, který má velmi dobré izolační vlastnosti. Tloušťka této vrstvy je 0,6 m. Jako katalyticky aktivní vrstva je použita tenká vrstva paladia. Odolnost proti působení katalytických jedů je při tenké paladiové vrstvě horší v porovnání s tlustou vrstvou katalyzátoru. Při přípravě planárních pelistorů se používají moderní výrobní postupy běžné v oboru mikroelektroniky.

Obr. 7.

Jiný typ planárního provedení senzoru je ukázán na obr. 7. Měřicí komora s nosníky pro pelistor zůstává stejná jako u klasických pelistorových senzorů a na místo perličkového senzoru je umístěn malý planární prvek pokrytý katalyzátorem. Při výrobě tohoto prvku je vrstva platiny nanášena naprašováním na vhodný substrát. Leptáním je vytvořena struktura odporového teploměru s odporem až 100 . Přívodní drátky jsou bodově přivařeny. Povrch platinové vrstvy je pokryt hustou izolační vrstvou, která zabraňuje difuzi katalyzátoru k této vrstvě. Celý čip je pokryt vrstvou krystalického oxidu hlinitého s katalyzátorem [8]. Dalším zajímavým provedením je planární pelistorové pole. Podklad celé struktury tvoří křemíkový substrát. Části katalyzátoru, izolátoru (oxid hlinitý) a topného prvku (kovový prvek) jsou od sebe odděleny a nitrid křemíku je použit jako membrána. Měřicí obvody pro jednotlivé senzory pracují v izotermním režimu. Regulační obvod s operačním zesilovačem udržuje na povrchu katalyzátoru vhodnou konstantní teplotu. Při multikomponentní analýze je možné měnit citlivost jednotlivých senzorů v daném uspořádání jednak změnou pracovní teploty a jednak modifikací použitého katalyzátoru. Senzorový systém může být umístěn ve standardní měřicí komoře s difuzní vložkou a s kontinuálním přívodem analyzovaného plynu.

Příklad analýzy několikasložkové směsi uvádí, že při nastavení pracovních teplot v rozmezí 88 až 560 °C byly ve směsi hořlavých par bezpečně určeny koncentrace methanolu a ethanolu [7]. Při použití neuronových sítí pro vyhodnocení signálu z pelistorového pole bylo možné rozlišit i pět složek. Jindy bylo pelistorového pole připojeného k vyhodnocovací neuronové síti použito k selektivní detekci tří spalitelných plynných složek (methan, propan, páry ethanolu).

I když planární typy pelistorových senzorů nejsou zatím v průmyslově vyráběných přístrojích nijak široce využívány, je v literatuře uvedeno mnoho jejich předností, zejména:

  • malá spotřeba energie (provozní proud senzoru jen 40 mA),
  • možnost umístit aktivní i referenční prvek na jednom čipu,
  • velmi dobrá linearita při dostatečné citlivosti,
  • velmi dobré mechanické vlastnosti,
  • možnost efektivní hromadné výroby s menšími výrobními náklady.

V porovnání s klasickými pelistory je však jejich nevýhodou poměrně velký drift základní nulové linie a v některých případech poněkud horší odolnost proti působení katalytických jedů.

6. Infračervené detektory versus pelistory

V posledních letech někteří výrobci přístrojů pro detekci hořlavých plynů a par osazují tyto přístroje infračervenými senzory (IR-senzory) namísto pelistorů. Jako důvody se uvádějí náchylnost pelistorů k „otravě“ katalytickými jedy a nezbytný protiexplozní uzávěr měřicí komory senzoru. Otravu katalyzátoru je možné zjistit pouze periodickou kalibrací a při běžné periodě této kontroly 30 až 90 dní může případná porucha zůstat poměrně dlouho utajena. Optické IR-senzory, které se používají alternativně místo pelistorů, se označují jako PRS (Pellistor Replacement Sensor).

Obr. 8.

Schéma IR-senzoru je na obr. 8. Infračervené záření prochází měřicí kyvetou, do které difunduje měřený plyn. Po průchodu plynem dopadá na polopropustné zrcadlo a jde zčásti přes interferenční filtr na měřicí detektor a zčásti přes další filtr na referenční detektor. Čím delší je optická dráha paprsku v měřené látce, tím větší je i citlivost detekce. Proto se optická dráha paprsku v kyvetě prodlužuje jeho několikanásobným odrazem od zrcadel v měřicí komoře. Interferenční filtry zařazené před detektory vymezují příslušné pásmo infračerveného záření, ve kterém buď dochází k absorpci záření příslušnou látkou (měřicí detektor), anebo naopak k absorpci nedochází (vztažný detektor). Vztažný detektor tak kompenzuje znečištění okének a zrcadel a případné změny intenzity zdroje záření [9]. Změna intenzity absorbovaného záření se porovnává s intenzitou neabsorbovaného záření a elektronický obvod řízený mikroprocesorem vyhodnotí koncentraci plynu. IR-detektory mají široké rozmezí měřicích rozsahů (řádově od stovek ppm až po 100 % obj.) a vyznačují se velkou selektivitou. Protože u IR-senzorů nehrozí nebezpečí poklesu citlivosti, mohu být intervaly mezi kalibracemi delší a požadavky na údržbu budou u IR-senzorů menší než u pelistorů. Senzor může být vybaven diagnostickými obvody pro signalizaci poruchy zářiče nebo znečištění optiky, takže jeho funkce nebude ohrožena případnou skrytou závadou.

V záření infračervené oblasti spektra absorbují molekuly, které vykazují trvalý dipólmoment, tj. plyny složené nejméně ze dvou druhů atomů. Sem patří z hořlavých plynů např. CO a páry organických látek. Souměrné molekuly (H2, O2, N2) infračervené záření neabsorbují, takže např. hořlavý a výbušný vodík nelze IR-senzorem detekovat ani měřit. Problémem je přítomnost vodních par a CO2, protože tyto látky absorbují infračervené záření, a budou tedy při stanovování koncentrace hořlavých látek působit rušivě. Kromě toho může docházet i k orosení optiky, kterou je proto někdy nutné vyhřívat. Z uvedeného je tedy patrné, že IR-senzory mají vedle nesporných předností i své nevýhody, a proto uživatel musí své rozhodnutí při výběru senzoru vhodného pro detekci hořlavých plynů a par pečlivě vážit.

7. Použití pelistorových senzorů

Pelistorové senzory se osvědčují pro měření hořlavých plynů a par o koncentracích okolo dolní meze výbušnosti. Uplatňují se zejména v detektorech, analyzátorech a monitorovacích zabezpečovacích systémech pro sledování koncentrace hořlavých plynů a par v prostorech, kde existuje nebezpečí tvorby výbušných směsí. Pelistorové senzory je možné použít k detekci a měření koncentrace vodíku, svítiplynu, methanu (zemního plynu), těkavých uhlovodíků, alkoholů, ketonů a mnoha dalších látek jak čistých, tak i jejich směsí. Typickými příklady jsou zabezpečovací měření v prostorech s nebezpečím výbuchu, kontrola koncentrace par rozpouštědel používaných v průmyslu nátěrových hmot a při povrchové úpravě výrobků, měření ve výrobních a skladových prostorech, signalizace úniku topných plynů z potrubních rozvodů, armatur i aparátů v průmyslových provozech, kotelnách apod. Maximální měřicí rozsah analyzátorů obvykle odpovídá koncentraci dolní meze výbušnosti určovaných látek ve vzduchu.

Pelistorové senzory nacházejí uplatnění i jako čidla v regulačních obvodech. Lze je využít např. k nepřímému stanovení koncentrace ethanolu ve fermentačním médiu, a to tak, že se měří koncentrace ethanolových par v plynech odcházejících z fermentoru.

Netradiční je použití pelistoru k velmi citlivé detekci těkavých organických halogenderivátů (řádově desítky až stovky ppm). Využívá se inhibiční (retardační) účinek halogenderivátů na spalovací katalytickou reakci, probíhající na povrchu senzoru. V tomto případě se musí do měřicí komory spolu s měřeným vzorkem přivádět i hořlavý plyn.

Na závěr jsou v tab. 2 porovnány aplikačních možnosti pelistorových senzorů a IR-senzorů při měření koncentrace hořlavých plynů a par [10].

Tab. 2. Porovnání možností použití pelistorových a infračervených (IR) senzorů

Parametr Pelistorový senzor IR-senzor
detekovatelnost hořlavých plynů a par široká paleta hořlavých plynů a par; selektivita k hořlavým látkám jako celku páry těkavých organických kapalin
hořlavé látky, které detektor nezachytí páry organických látek s velkou molekulou a vysokou teplotou vzplanutí vodík
vliv nehořlavých plynů vadí nedostatek kyslíku (O2 je potřebný pro spalovací reakci) a velké koncentrace nehořlavých plynů s velmi odlišnou tepelnou vodivostí (CO2, He, SF6) vadí vodní pára, CO2; některé organické látky (chladiva) poskytují chybový signál
měřicí rozsah obecně od nuly do 50 nebo 100 % DMV, speciálně i do 10 % DMV obecně od nuly do 10 nebo100 % DMV, možný je i do 200 ppm, pro některé plyny do 10 nebo 100 % obj.
vnější vlivy a signalizace poruchy působení inhibitorů a katalytických jedů, pravidelnou kalibrací je nutné sledovat případnou kontaminaci katalytickým jedem prach, aerosol a mlha mohou kontaminovat optický systém; zabudovaná diagnostika může závadu signalizovat

Poděkování

Práce vznikla v rámci výzkumného záměru MSM 223400007.

Literatura (pozn.: podrobnou bibliografii k uvedené tematice poskytne autor na vyžádání.):

[1] BAKER, A. R.: Brit. Pat. 892 530 (1962).

[2] Katalog firmy City Technology Ltd. UK, 2004.

[3] Katalog firmy e2v technologies Ltd. (UK), http://e2vtechnologies.com (2004).

[4] Operatig combustible gas sensors, Applicaton Note 2, Sixth Sense Products (2004), http://www.sixth-sense.com/products/catalytic.htm

[5] Combustible Gas Detection Systems, katalog firmy SENSIDYNE, INC., 12/92.

[6] Catalytic pellistor sensors, Crowcon Detection Instruments, 2004, http://www.crowcon.com

[7] GALL, M.: The Si planar pellistor, a low-power pellistor sensor in Si thin-film technology. Sensors and Actuators B: Chemical, 1991, 4, 533.

[8] DÜCSDÁM, M. – FÜRJES, P. – HIRSCHFELDER, M. – KULINYI, S. – BÁRSONY, I.: Explosion-proof monitoring of hydrocarbons by mechanically stabilised, integrable calorimetric microsensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 2003, 95, 189.

[9] Multiwarn II, katalog S-19-97, Dräger Lübeck, 1997.

[10] Detecting combustible gases and vapours – catalytic bead or infrared? Dräger Review, 2003, 89, 1/03, s. 24–29.

Karel Kadlec
ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha,
(karel.kadlec@vscht.cz)

Doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., absolvoval Fakultu chemicko-inženýrskou (FCHI) VŠCHT Praha v roce 1961 v oboru automatizace chemických výrob. V roce 1990 se habilitoval v oboru měřicí technika. V odborné činnosti je zaměřen na měření technologických veličin a ve vědecké oblasti se věnuje výzkumu pelistorových senzorů a jejich aplikacím. Od roku 1961 působí na VŠCHT Praha. V letech 1990–2000 byl vedoucím ústavu fyziky a měřicí techniky a v období 1997–2003 děkanem FCHI VŠCHT Praha.

Inzerce zpět