ÚJ IRÁNYZATOK A MŰSZER ÉS MÉRÉSTECHNIKÁBAN
 

A gázveszély-jelző műszerekben használt mérési módszerek ismertetése

 

Az iparban dolgozók, és a termelés, illetve a termelési eszközök biztonságáért felelős személyek jól ismerik az iparban, katasztrófavédelemben stb. előforduló gázveszély-jelzéssel összefüggő mérési és felügyeleti feladatokat. Ez a cikk a megfelelő mérési módszer kiválasztásában nyújt segítséget azok számára, akik ilyen területen dolgoznak. A személyi védelemre vagy telepített rendszerként használt gázveszély-jelző műszerek, a veszélyes gázok elleni védelemet szolgálják. Ezek a biztonságtechnikai készülékek riasztják a felhasználójukat a mérgező- vagy robbanásveszélyes gázok jelenlétekor, illetve oxigénhiány esetén. A gázérzékelő műszerek fő alkatelemei az érzékelők, tulajdonképpen ezek határozzák meg a felhasználási területüket. A műszerek kiválasztásakor különféle kérdések merülnek fel:

A következőkben megpróbálunk választ adni ezekre a kérdésekre, áttekintést  adva az érzékelők mérési elvéről, használatuk előnyeiről és esetleges hátrányaikról.. A gázérzékelők kiválasztására szolgáló útmutatóban a cikk végén táblázatos formában is összehasonlítjuk a különböző érzékelőtípusokat.

Katalitikus elégetés elvén működő érzékelő

A katalitikus érzékelőt (KÉ) általában éghető gázok és gőzök jelenlétének érzékelésére és mérésére használják alsó robbanási határ (ARH) 0...100% méréstartományban. A érzékelő két elemből áll, az egyik a tényleges érzékelő, a másik a kompenzátor (1. ábra). Az érzékelő mindkét eleme tekercselt fémszál (általában platina), amelyeket egy Wheatstone hídba kapcsolnak. Az érzékelő elemet katalizátorral vonják be (katalitikusan aktív), ennek felületén izzításakor az éghető gáz elég. A gáz elégése megnöveli az érzékelő hőmérséklet és ez által megnő annak ellenállása. A kompenzátor-szálat katalitikusan inaktív anyaggal vonják be “elszennyezik”, így annak felületén a mintagáz nem ég el, és ezért nem változik az ellenállása. Ez a tekercs arra szolgál, hogy kiegyenlítse (kompenzálja) a mérendő gáz nedvességének és hőmérséklet változásának hatását. A érzékelő válasza, a légtérben lévő éghető gázokra, függ a gáz összetételétől, molekulasúlyától és gőznyomásától. Megfelelő működéséhez a mintában legalább 5...10 tf% oxigénnek kell lennie. A mérés pontossága tehát függ az oxigéntartalomtól. A katalitikus érzékelő kevésbé érzékeny a hőmérséklet és páratartalom hatására, nagyobb az ismétlőképessége és a viszonylagos  (relatív) stabilitása. Hátránya, hogy bizonyos gázok jelenléte az érzékelőt "mérgezi" vagy inhibíciót (gátlás, késleltetés) okoz, ez csökkenti az érzékenységét, vagy jóvátehetetlenül károsítja az érizékelőt. A leggyakoribb "mérgek" és kémiai reakciókat gátló anyagok (inhibitorok:) az ólom, a higany, a foszfor, valamint a kén és halogénelemek vegyületei, továbbá a szilikon-vegyületek. A katalitikus elégetés elvén működő érzékelőket hordozható műszerekben és telepített rendszerek távmérőfejeiben is használják.

1. ábra. A katalitikus elégetés elvén működő érzékelő elvi felépítése

*MSA-AUER Hungária Kft.

A katalitikus érzékelők főbb jellemzői:

  • Méréstartomány: gáz-levegő keverékre  ARH 0...100%  

  • Üzemi hőmérséklet: kb. 450 °C  

  • D-érzékelő katalitikusan aktív  

  • K-érzékelő Kompenzációs-elem  katalitikusan inaktív    

 

Hővezetés elvén működő érzékelő

A hővezetéses elvén működő (HK) érzékelőket néhány éve használják az éghető gázok mérésére szolgáló műszerekben az ARH% feletti méréstartományban és gázszivárgás keresésre. A 2. ábrán látható érzékelő két elemből áll, mindkettő egy tekercselt fémszál (néhány esetben a tekercset bevonják). Az érzékelő elemhez (detektor) bejut a környezetben lévő gázelegy. Ezzel szemben a  másik elem (kompenzátor) légmentesen záródó térben van, amelyben pl. nitrogén van. Ez az elem egyenlíti ki (kompenzálja) a környezeti hőmérséklet változás hatását. Az elemeket körülbelül 250 °C hőmérsékletre fűtik. Az elemen (detektorszál) keletkező hőt a környező gáz elvezeti. Az elvezetett hőmennyiség függ a gáz hővezető-képességétől, amely egy anyagra jellemző érték. A hőelvezetés miatt az érzékelő elem hőmérséklete megváltozik, és ez a változás mérhető egy hídáramkörrel. A hővezetéses elven működő érzékelő leglényegesebb előnye, hogy működéséhez nem szükséges oxigén, és a érzékelő nem érzékeny a mérgezésre. Hátránya, hogy nem lehet mérni vele olyan gázokat, amelyek hővezető-képessége szempontjából hasonlítanak a referencia gázra (azaz a nitrogénre). A hővezetéses elven működő érzékelőket elsősorban szivárgáskeresőkben, vagy 100 térf  %-ig történő koncentrációmérésre alkalmas hordozható műszerekben használják.  A gázveszély-jelző készülékek gyártásában nagy tapasztalattal, és fejlett gyártástechnológiával rendelkező cégek a HK és KÉ elven működő érzékelők együttesét használják, amellyel ki lehet küszöbölni a mérendő gáz változó oxigén tartalmából adódó hibát.  

2. ábra. A HK érzékelő elvi felépítése

Főbb jellemzők:

  • Koncentrációmérés 100 térf. %-ig

  • Üzemi hőmérséklet: kb. 450 °C

  • Érzékelők: Katalitikusan inaktívak

 

A fényelnyelés elvén működő érzékelők

A fényelnyelés elvén működő érzékelőket a gyakorlatban általában infravörös érzékelőknek nevezik. A mérés elve az, hogy a gázok a fényenergiát egy jellegzetes hullámhosszon az infravörös tartományban elnyelik. A sugarak elnyelése azok hullámhosszától, a gáz fajtájától és a gázréteg vastagságától függ. A fényelnyelés elvén működő gázérzékelők a következő legfontosabb elemekből állnak: egy fényforrás, amely lehet például egy izzólámpa vagy egy félvezető sugárforrás is, egy mérőkamra, amelybe a mintagáz bejut, és egy optikai szűrővel ellátott érzékelő (3. ábra). A fény áthatol a mérőkamrán és az érzékelőre jut. Ha a mérendő gáz a kamrába kerül, az egy adott, a gázra jellemző hullámhosszon vagy hullámsávban elnyeli a fényt. A gázkoncentráció egyenesen arányos az elnyelt energia mennyiségével A szűrő (interferenciaszűrő) teszi lehetővé a mintagázra jellemző elnyelési hullámhosszsáv beállítását. Ha a szűrő sávszélessége keskenyebb, akkor kisebb a hullámhosszsáv is, és ezért nagyobb az érzékenység. A légnedvesség, az izzó fényerejének változása, por és szennyeződések hatása a két érzékelőre azonos, ezáltal kompenzálják egymást.

A fényelnyelési elven müködő érzékelők használatát korlátozza az egyes gázok elnyelési tartományának (adszorpciós spektrumának) sajátossága. Ezzel a mérési módszerrel egyszerű atomos, illetve molekuláris felépítésű gázok nem mérhetők. Az infravörös érzékelők semleges környezetben is képesek mérni a gázokat (kis oxigéntartalmú vagy oxigénmentes a térben is), nem érzékenyek mérgezésre, pontosan beállíthatók egy meghatározott gáz mérésére. Az infravörös érzékelők különlegesen stabilak, nagyon rövid a megszólalási idejük és nagyon kicsi az ún. hosszúidejű nullpont eltolódásuk (driftjük). 
 

3. ábra. Az infravörös érzékelő elvi felépítése: 1. sugárforrás, 2-5. ablak, 3. mérőkamra, 4. homorú tükör, 6. sugárosztó, 7. interferenciaszűrő a viszonyítási (referencia) hullámhossz előállítására, 9. interferenciaszűrő, 8-10. (piroelektronikai) mérőérzékelő


Fémoxid (metáloxid, MOS) érzékelők

A különféle MOS érzékelők klórozott összetevőket tartalmazó éghető gázokat, valamint néhány mérgező gázt, mint pl. szénmonoxid vagy kénhidrogén képesek érzékelni és mérni. A MOS érzékelők nem érzékenyek agresszív anyagokra, így ezek ismeretlen gázösszetételű környezetben is használhatóak. A  MOS érzékelők általában alumínium hengeren lévő porkohászati eljárással (színterelt) fémoxid (ón-, cin vagy vas) filmből állnak, amelyet körülvesz egy fűtőszál (4. ábra). Két aranyozott elektródát helyeznek az eloxált hengerek végéhez. Az egész érzékelő elemet egy fémházba zárják, amelyet egy rozsdamentes acélból készült hálószövésű fedéllel látnak el. A fedél egyidejűleg egy lángzár és gázáteresztő feltét. Méréskor az érzékelő elemet 250...350 °C-ra fűtik. Az érzékelőelembe jutó gáz reakcióba lép az oxidréteggel (vagy egyes mérgező gázok adszorbeálódnak a felületen), és ez ellenálláscsökkenést okoz a két elektróda között.

A MOS érzékelő kimeneti jele logaritmikusan változik a gázkoncentráció függvényében. Ez korlátozza a érzékelő pontosságát és mérési tartományát. Az oxigénkoncentráció változása, a nedvesség és a hőmérséklet változása is befolyásolja a mérési pontosságot. Bár a MOS érzékelők előállítási költsége viszonylag kicsi, a érzékelő ismétlőképessége és állandósága meglehetősen gyenge. A érzékelő energiaszükséglete nagy, mivel az elemet fűteni kell, ez korlátozza használatukat hordozható készülékekben. A MOS érzékelőket általában a telepített gázérzékelő rendszerekben használják.  


4. ábra. A MOS érzékelők elvi felépítése

Elektrokémiai elven működő érzékelők

Az elektrokémiai elven működő érzékelőket széles körben használják  mérgező gázok érzékelésére, mérési tartományuk néhány ppm-től kezdődik, az oxigént térfogatszázalék tartományban tudnak mérni. Az elektrokémiai elven működő érzékelők különböző mérgező gázok  mérésére használhatók, beleértve a szén-monoxidot, a kén-hidrogént, a kén-dioxidot, a nitrogéndioxidot. Az érzékelőt egy adott gáz mérésére készítik, ennek ellenére az gyakran mutat keresztérzékenységet más, a légkörben lévő gázzal vagy gázokkal szemben. Az elektrokémiai érzékelők alapelemei: az érzékelő elektród, az ellenelektród, valamint általában egy összehasonlító (referencia) elektród (5. ábra). Az elektródokat zárt, elektrolittal töltött házban helyezik el. A gáz diffúziós membránon keresztül jut az érzékelőelektródra. Ha a gáz az elektródra,vagy az elektrolitba, ezt követően a mérőelektródra jut, és kémiai reakció - oxidáció vagy redukció - játszódik le. A reakció típusa a mérni kívánt gáztól függ. A szén-monoxid pl. szén-dioxiddá alakul, (oxidáció) az oxigénből pedig víz képződik (redukció). A reakció következtében áram keletkezik, a kimeneti jel a gáz koncentrációjával egyenesen arányos. Az elektrokémiai reakción alapuló érzékelők kisméretűek, energia igényük szintén kicsi, így hordozható műszerekben is használhatók. Az érzékelők hőmérsékleti tartománya széles (-20 °C...+50 °C), mert a jelfeldolgozó áramkörbe hőmérséklet-kiegyenlítő (kompenzáló) elemeket építenek be. Összefoglalva: az elektrokémiai elven működő érzékelők nagyon jól használhatók mérgező gázok, valamint oxigén mérésére, hordozható és telepített rendszerekben egyaránt.  

5. ábra. Az elektrokémiai érzékelő elvi felépítése

Összefoglalva: az elektrokémiai elven működő érzékelők nagyon jól használhatók mérgező gázok, valamint oxigén mérésére, hordozható és telepített rendszerekben egyaránt.

 

Fotoionizációs elven működő érzékelők

A fotoionizációs elven működő érzékelőket (PID) olyan esetekben használják, amikor nagy érzékenységre (a mérni kívánt mennyiség 1...100 ppm lehet)  és  korlátozott szelektivitásra (szélessávú érzékelésre) van szükség (6. ábra). A műszereket általában illékony szerves vegyületek, mint pl. benzin, toluol, xilol, vinilklorid,  hexán stb. mérésére használják. Ezek a készülékek - az ilyen anyagok érzékelése esetén  - rövid megszólalási idejüek. A PID működése az érzékelő kamrába beáramló anyagminta összetevőinek az ionizációján alapul. A töltött részecskék az érzékelőben lévő elektród felületén kötödnek meg. Az elektród felületén megkötödött anyagot nagy energiájú ultraibolya sugárzással ionizálják. A PID műszer azoknak a vegyületeknek meghatározására használhatók, amelyeknek az ionizálási potenciálja (elektronvolt-ban megadva) kisebb vagy egyenlő, mint az UV lámpa sugárzási energiája (foton-kibocsátási energia). Ennek az eljárásnak a legnagyobb előnye a  rövid megszólalási idő és a kiváló üresjárási élettartam. A lámpa élettartama viszont rövidebb lehet a nagyobb energiatartományokban. Átlagos élettartamuk 400....6000 üzemóra. Nagy hátránya a PID műszereknek, hogy a nedvességre érzékenyek és hajlamosak a nullponteltolódásra (drift). Ezért gyakrabban kell kalibrálni, mint más elven működő gázérzékelő műszereket. Ezt a műszert általában hordozható műszerekben használják.  

6. ábra. Fotóionizációs elven működő érzékelő elvi felépítése

 

Infravörös fotóakusztikus mérési elv

Az infravörös fotóakusztikus gázmonitorok mérési elve a fotóakusztikus hatáson alapul. E mérésnél zárt térben keletkező hangmező létrehozásáról van szó, egy intenzitásmodulált sugárzás adszorpciója által. Az adszorpció intenzitása arányos a mérni kívánt gáz koncentrációjával. A gázok az infravörös tartományban jellegzetes elnyelési tulajdonságokat mutatnak, egy különleges infravörös szűrővel ellátott műszerrel, meghatározott gázokat egyenként (szelektíven) lehet kimutatni. Az érzékelőben a sugárzás modulálódik. A mért gáz által létrehozott nyomásváltozást kondenzátormikrofon érzékeli és alakítja át elektromos jellé, majd az elektronika felerősíti, és feldolgozza. E módszerrel a mérgező gázok, pl. ammónia és hütőközegek nagyon pontosan meghatározhatók.

A módszer előnyei:


A hátrányok:

 

Összefoglalás

Az ismertetés remélhetően átfogó tájékoztatást nyújtott a gázérzékelőkről. Néhány  eljárás már ötven éves, a kutatás és a fejlesztés területén állandó erőfeszítések történnek a gázérzékelő műszerek teljesítőképességének fokozására. Ezenfelül új eljárások vezetnek be a kutatás és fejlesztéshez és az ipari és más igények kielégítésére. Néhány esetben csak közelítő eredményt nyújtó meghatározás szükséges, más esetben nagyon pontos méréseket kell végezni. A jól kiválasztott érzékelő, egy hozzáillesztett elektronikával megfelelő védelmet nyújthat a veszélyes gázokkal szemben.

A személyvédelemre szolgáló gázérzékelők típusainak osztályozása

  katalitikus elégetés hővezetés NDIR
(infravörös)
MOS
(félvezető)
elektrokémiai
(O2)
elektrokémiai
(mérgező)
fotoionizációs
méréshatár2 ARH% 0...100
V/V%
0...100
V/V%
10000
ppm-től
0...30
V/V%
ppb...ppm ppb...ppm
élettartam3 ···· ···· ····· ····· ··· ···· ··
üresjárási időtartam4 ····· ····· ······ ····· ··· ··· ······
meghatározott gázok5 ··· · ···· ·· ······ ···· ·
megszólalási idő6 ···· ···· ··· ···· ···· ···· ·····
energia felhasználás7 ··· ··· ··· · ····· ····· ····
ismétlőépesség8 ···· ··· ····· ·· ···· ···· ···
stabilitás/null-
ponteltolódás9
···· ··· ····· ·· ···· ···· ··
kalibráció10
időközök
havonta havonta kétszer évente vagy 
évente
havonta havonta havonta havonta
hőmérsékleti tartomány11 ····· ···· ···· ···· ···· ···· ··
A nedvesség hatása12 ···· · ····· ·· ···· ···· ·
ár Ft 100.000 100.000 100.000 25.000 100.000 170.000 170.000

 

1.      A érzékelők sajátosságai, rangsorolva a következő besorolások szerint: gyenge ·, megfelelő ··, jó ···, nagyon jó ·····, kiváló ·····

2.      Mérési tartomány, ppb/ppm szint a mérgező gázokra, ARH % tartomány az éghető gázokra, térf  % tartomány az oxigén mérésénél

3.      A érzékelők várható élettartama: < 3 hónap ·, < 1 év ··, < 2 év ···, < 5 év ····, > 5 év ·····

4.      “Üresjárási” élettartam; néhány érzékelő esetében megfelelő száraz, hűvös helyen történő tárolás esetében lényegében korlátlan ·····, de pl. az elektrokémiai cellás érzékelők esetében 6 hónap ···.

5.      A érzékelőket besorolhatjuk meghatározott gázokra történő kalibrálhatóságuk szerint: ·-·····.

6.      Megszólalási idő, amíg az üzemkész állapotban lévő érzékelő eléri a mért érték 90 %-át.

7.      Teljesítményfelvételi igény, különösen fontos a hordozható műszerek esetében a korlátozott akkumulátorteljesítmény miatt.

8.      A mérés ismétlőképessége az egymást követő kalibrálások között.

9.      Néhány érzékelő esetében lassú nullponteltolódás észlelhető. Ez az ún. drift meghatározza a nulla és érzékenység kalibrálás gyakoriságát.

10.  A kalibrálás gyakorisága (tájékoztató jellegű érték, ugyanazon mérési elven működő érzékelők esetében a különböző anyagok szerint is lehet eltérés). Megjegyzés: A kalibrálás összehasonlítás egy hiteles anyagmintával, amely rögzíti a talált metrológiai jellemzőket. Nem azonos a beszabályozással.

11.  A legtöbb érzékelő megbízhatóan működik 40...50 °C-ig. Alacsonyabb hőmérsékleti tartományban, mialatt néhány típus -40 °C alatt is működőképes ·····., mások csak 0 °C fölött képesek megfelelően működni ·.

12.  Rövididejű nem kondenzálódó nedvesség hatása.

 

Török Attila

A laprendszer készítője: UFE Bt.