Werkingsprincipe van een zuurstofgehalte-analysator/sensor

Classificatie van gassensoren

De nationale norm GB7665-87 definieert sensoren als volgt: Een sensor is een apparaat of instrument dat in staat is een voorgeschreven meting te verrichten en deze volgens een bepaalde regel om te zetten in een bruikbaar uitgangssignaal. Een gassensor wordt gebruikt om de samenstelling en concentratie van een gas te bepalen. Over het algemeen wordt aangenomen dat de definitie van een gassensor gebaseerd is op de classificatie van het te meten object, dat wil zeggen dat elke sensor die gebruikt wordt om de samenstelling en concentratie van een gas te bepalen, een gassensor wordt genoemd, ongeacht of dit gebeurt met fysische of chemische methoden. Een gasstroomsensor wordt bijvoorbeeld niet als een gassensor beschouwd, maar een gasanalysator op basis van thermische geleidbaarheid is dat wel, hoewel ze soms gebruikmaken van algemeen gangbare detectieprincipes.

Al in de jaren zeventig ontwikkelde de gassensor zich tot een belangrijk onderdeel binnen het sensorvakgebied, als onderdeel van de chemische sensoren.

Er zijn een aantal soorten gasdetectoren die populair zijn op de markt:

1. Halfgeleidergassensor

Het wordt gemaakt met behulp van een metaaloxide-halfgeleidermateriaal, waarvan de geleidbaarheid verandert met de verandering van de samenstelling van het omgevingsgas bij een bepaalde temperatuur. Een alcoholsensor werkt bijvoorbeeld volgens het principe dat de weerstand sterk afneemt wanneer tinoxide bij hoge temperatuur in contact komt met alcoholgas. Halfgeleidergassensoren kunnen effectief worden gebruikt voor de detectie van onder andere methaan, ethaan, propaan, butaan, alcohol, formaldehyde, koolmonoxide, kooldioxide, ethyleen, acetyleen, vinylchloride, styreen en acrylzuur. De sensor is met name goedkoop en geschikt voor gasdetectie in de openbare ruimte. Succesvolle halfgeleidergassensoren zijn onder andere: methaan (aardgas), alcohol, koolmonoxide (stadsgas), waterstofsulfide en ammoniak (inclusief aminen en hydrazine). Hoogwaardige sensoren voldoen aan de eisen van industriële detectie.

Nadelen: De stabiliteit is slecht en de sensor wordt beïnvloed door de omgeving. Met name de selectiviteit van elke sensor is niet uniek en de outputparameters kunnen niet worden bepaald. Daarom is de sensor niet geschikt voor gebruik op plaatsen waar nauwkeurige metingen vereist zijn. Momenteel is Japan (de uitvinder) de belangrijkste leverancier van dit type sensor, gevolgd door China, en sinds kort ook Zuid-Korea. Andere landen zoals de Verenigde Staten werken ook aan dit gebied, maar de sensor is nog niet echt doorgebroken. China heeft net zoveel mankracht en tijd in dit vakgebied geïnvesteerd als Japan, maar door nationaal beleid, de blokkering van sociale informatie en andere redenen is de prestatiekwaliteit van de in China gangbare halfgeleidergassensoren jarenlang veel lager geweest dan die van Japanse producten. Ik ben ervan overtuigd dat met de marktontwikkeling en de verdere groei van particulier kapitaal, het hoog tijd is dat Chinese halfgeleidergassensoren het Japanse niveau bereiken en zelfs overtreffen!

2. Gasdetector van het katalytische verbrandingstype

De sensor is ontworpen om een ​​hittebestendige katalysatorlaag aan te brengen op het oppervlak van de platinaweerstand. Bij een bepaalde temperatuur katalyseert het brandbare gas de verbranding op het oppervlak van de platinaweerstand. De verbranding resulteert in een temperatuurstijging van de platinaweerstand en een verandering in de weerstand. De waarde van deze verandering is een functie van de concentratie van het brandbare gas.

Katalytische verbrandingsgassensoren detecteren selectief brandbare gassen: alles wat kan branden, kan worden gedetecteerd; de sensor reageert niet op iets wat niet kan branden. Er zijn natuurlijk veel uitzonderingen op de bewering "kan alles detecteren wat kan branden", maar over het algemeen klopt de selectiviteit. De katalytische verbrandingsgassensor heeft als voordelen nauwkeurige metingen, snelle respons en een lange levensduur. De output van de sensor is direct gerelateerd aan het explosiegevaar in de omgeving en het is een toonaangevende sensor op het gebied van veiligheidsdetectie.

Nadeel: In het bereik van brandbare gassen is er geen selectiviteit. Er is sprake van brandgevaar. De meeste elementaire organische dampen zijn giftig voor de sensor. De belangrijkste leveranciers van de sensoren bevinden zich in China, Japan en het Verenigd Koninkrijk (het land van de uitvinder)! China is de grootste gebruiker (kolenmijnen) van deze sensor en beschikt ook over de beste productietechnologie. Hoewel er diverse propaganda-invloeden zijn die het publieke begrip van deze sensor beïnvloeden, zijn de belangrijkste fabrikanten van katalytische verbrandingsgassensoren uiteindelijk in China gevestigd.

3. Warmtegeleidende gasdetector voor zwembaden

Elk gas heeft zijn eigen specifieke thermische geleidbaarheid. Wanneer de thermische geleidbaarheid van twee of meer gassen sterk verschilt, kan het gehalte van een van de componenten worden onderscheiden aan de hand van het thermische geleidbaarheidselement. De sensor is gebruikt voor de detectie van waterstof, koolstofdioxide en methaan in hoge concentraties.

De gassensor heeft een beperkt toepassingsgebied en kent veel beperkende factoren. Het is een ouderwets product dat overal ter wereld wordt gemaakt. De kwaliteit van de producten is wereldwijd vergelijkbaar.

4. Elektrochemische gassensor

Een aanzienlijk deel van de brandbare, giftige en schadelijke gassen vertoont elektrochemische activiteit en kan elektrochemisch geoxideerd of gereduceerd worden. Door gebruik te maken van deze reacties kan de gassamenstelling worden bepaald en de gasconcentratie worden gemeten. Elektrochemische gassensoren kennen vele subcategorieën:

(1) Primaire gasdetectoren op basis van batterijen (ook wel bekend als zuurstofdetectoren). Dit zijn de batterijen die we gebruiken voor droge batterijen, met dien verschil dat de koolstof- en mangaanelektroden van de batterijen zijn vervangen door gaselektroden. In het geval van een zuurstofdetector wordt zuurstof gereduceerd aan de kathode, waarna elektronen door de galvanometer naar de anode stromen, waar het loodmetaal wordt geoxideerd. De grootte van de stroom is rechtstreeks gerelateerd aan de zuurstofconcentratie. De sensor kan effectief zuurstof, zwaveldioxide, chloor, enz. detecteren.

(2) De gasdetector met constante potentiaal en elektrolytische cel is zeer effectief voor het detecteren van reducerende gassen. Het principe ervan verschilt van dat van de oorspronkelijke celsensor; de elektrochemische reactie vindt plaats onder invloed van een elektrische stroom. Het is een echte Coulomb-analysesensor. Deze sensor wordt met succes gebruikt voor de detectie van koolmonoxide, waterstofsulfide, waterstof, ammoniak, hydrazine en andere gassen. Het is de meest gebruikte sensor voor de detectie van giftige en schadelijke gassen.

(3) Bij de concentratiecel-gassensor zal het gas met elektrochemische activiteit aan beide zijden van de elektrochemische cel spontaan een concentratie-elektromotorische kracht genereren. De grootte van de elektromotorische kracht is gerelateerd aan de concentratie van het gas. Succesvolle voorbeelden van deze sensor zijn de zuurstofsensor voor auto's en de koolstofdioxidesensor van het vaste elektrolyttype.

(4)De uitvinding betreft een gasdetector van het grensstroomtype, een sensor voor het meten van de zuurstofconcentratie, die gebruikmaakt van het principe dat de grensstroom in de elektrochemische cel gerelateerd is aan de dragerconcentratie om de zuurstofconcentratiesensor te vervaardigen. Deze sensor wordt gebruikt voor de zuurstofdetectie in voertuigen en voor de detectie van de zuurstofconcentratie in staalwater. De belangrijkste leveranciers van deze sensor bevinden zich momenteel wereldwijd, voornamelijk in Duitsland, Japan en de Verenigde Staten. Recentelijk zijn er ook enkele nieuwe Europese leveranciers bijgekomen, zoals uit Groot-Brittannië en Zwitserland. China is al vroeg op dit gebied actief, maar het industrialisatieproces verloopt nog niet succesvol.

5. Infrarood gassensor

De meeste gassen hebben karakteristieke absorptiepieken in het midden-infraroodgebied. De concentratie van een gas kan worden bepaald door de absorptie op de positie van deze karakteristieke absorptiepieken te meten. Deze sensor was vroeger een groot analytisch instrument, maar dankzij de ontwikkeling van de sensorindustrie op basis van MEMS-technologie is het volume van deze sensor de laatste jaren gereduceerd van 10 liter (45 kg van een Big Mac) tot ongeveer 2 ml (duimformaat). Het gebruik van een infrarooddetector zonder modulerende lichtbron maakt het instrument volledig vrij van bewegende mechanische onderdelen en onderhoud. De infraroodgassensor kan de verschillende gassoorten effectief onderscheiden en de gasconcentratie nauwkeurig meten.

Deze sensor is met succes gebruikt voor: detectie van koolstofdioxide en methaan. De huidige leverancier van deze "sensor" bevindt zich in Europa! China is op dit gebied momenteel een 'blinde vlek'!

6. Magnetische zuurstofsensor

Dit vormt de kern van de magnetische zuurstofanalysator , maar hiermee is ook het "sensor"-proces gerealiseerd.

Het wordt bereid volgens het principe dat zuurstof in de lucht kan worden aangetrokken door een sterk magnetisch veld.

De sensor kan alleen worden gebruikt voor de detectie van zuurstof en heeft een uitstekende selectiviteit. Alleen NOx in de atmosfeer kan een kleine invloed hebben, maar omdat de concentratie van deze storende gassen vaak erg laag is, is de selectiviteit van magnetische zuurstofanalysetechnologie bijna uniek! (Het betreft gevestigde industriële producten met fabrikanten over de hele wereld.) (Ik heb het natuurlijk over een zuurstofanalysator als een enkele meter, die binnen een bepaald bereik als sensor kan worden beschouwd.) En dit product, geproduceerd in de vorm van pure sensoren, is een recente ontwikkeling.

7.Overig

De afgelopen jaren heeft de gasdetectietechnologie, met de voortdurende opkomst van nieuwe technologieën, een overeenkomstige revolutie doorgemaakt. Ook het aantal verschillende gasdetectoren is enorm toegenomen. Het is echter nogal controversieel of sommige sensoren wel onder de noemer 'gasdetector' vallen. Neem bijvoorbeeld de PID-detector: hoewel deze ook voor gasdetectie wordt gebruikt en een klein formaat heeft, is hij niet volledig onderhoudsvrij. Daarom zou dit type apparatuur, ongeacht het formaat, onder de noemer 'detectie-instrument' moeten vallen.

Daarnaast ontwikkelen optische sensoren op basis van glasvezels zich snel, en hoewel ze geen absolute "bedreiging" vormen voor elektronische sensoren, kunnen hun unieke voordelen in de toekomst zeer waardevol blijken. Tot slot overdrijven verkopers van gasdetectoren soms, om commerciële redenen, de mogelijkheden van een specifieke sensor en verwarren ze de classificatie van sensoren, wat de correcte toepassing van gasdetectoren door gebruikers bemoeilijkt. De toepassing van sensoren is immers net zo belangrijk als de productie ervan.