MEMS-Mehrgassensorik der nächsten Generation

Die Erfassung von Gasen ist eine kritische 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.

Spektrometer für molekulare Eigenschaften

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 Methangassensor MPS wurde entwickelt, um Methanlecks für die Öl- und Gasindustrie zu überwachen; Der MPS Refrigerant Gas Sensor erkennt leicht entzündliche Kältemittel mit geringer Treibhauswirkung – alle basierend auf derselben 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 haben eine Beschichtung, die eine Art chemische Reaktion auslöst. Das Problem ist, dass im Laufe der Zeit die Sensorstellen, die die Reaktion ermöglichen, zerstört werden können. Das MPS ist jedoch eine inerte Oberfläche auf Siliziumbasis, die keine chemische Reaktion erfordert. Es erwärmt sich, misst die thermodynamischen Eigenschaften der Luft und kühlt dann wieder ab, so dass es laut Rogers 10 Jahre oder länger ohne Kalibrierung halten kann.

Identifizieren eines Gases

Das MPS ist in ein etwa Zoll großes Gehäuse eingebaut, wie in Abbildung 1 gezeigt. Zu testende Luft tritt durch das Maschensieb oben ein und trifft auf eine hängende, befestigte Mikroheizplatte, die den gleichen Durchmesser wie ein menschliches Haar hat. 100 Mikrometer breit. Die Heizplatte kann auf mehrere Hundert Grad Celsius erhitzt werden. Die Wärmequelle ist ein Joule-Heizelement, bei dem ein elektrischer Strom durch ein Widerstandselement geleitet wird, wie im Einschub von Abbildung 1 gezeigt. Der Strom kommt an einem der Halteseile herein, wirbelt herum und tritt auf dieser Spur wieder aus. „Wir können den Widerstand der Heizplatte messen, der uns ihre Temperatur und auch die Energie gibt, die benötigt wurde, um diese Temperatur zu erreichen“, sagte Rogers. Die Beziehung 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 zum Beispiel Methan in der Luft vorhanden ist und die Kochplatte beheizt wird, braucht es mehr Energie, um die Kochplatte auf der richtigen Temperatur zu halten, da das Methan wärmeleitender ist als die Luft, 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 zuvor einen Sensor für brennbare Gase, der Ihnen sagen kann, welche Gasklasse Sie erkennen. Wenn wir eine Erkennung vornehmen, stellen wir auch eine Klassifizierung bereit. Beispielsweise meldet der Sensor die vorhandene Konzentration und dass es sich um Wasserstoff oder ein Mediumgas wie Pentan oder ein Wasserstoffgemisch handelt“, sagte Rogers. „Herkömmliche Gassensoren waren nie in der Lage, eine Klassifizierung vorzunehmen. Das macht uns so genau:weil wir unsere Kalibrierung für jedes vorhandene Gas anpassen können.“

Konzentration

Die maßgebliche Konzentrationseinheit ist die untere Explosionsgrenze (UEG), die die niedrigste Konzentration (in Volumenprozent) eines Gases in Luft ist, die in der Lage ist, in Gegenwart einer Zündquelle einen Feuerblitz zu erzeugen. 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 gelieferten Konzentration gegenüber der berichteten Konzentration. Es veranschaulicht eines der Hauptprobleme mit Sensoren in diesem Bereich. Ein perfekter Sensor sagt Ihnen genau, was gemeldet wird – er geht bis in die Mitte. Ein Sensor, der die Konzentration übermeldet, löst zu früh einen Alarm aus, was zu einem kostspieligen Fehlalarm führt. Underreporting ergibt ein falsches Negativ, was gefährlich ist. Idealerweise möchten Sie, dass die Kurve genau in der Mitte liegt. 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 in Echtzeit von der Sensorsoftware für jedes vorhandene Gas angepasst wird.

MPS im Vergleich zu herkömmlichen Gassensoren

Ein NDIR-Sensor wird normalerweise auf Methan kalibriert, sodass das Diagramm von geliefertem und gemeldetem Methan eins zu eins ist (Abbildung 3, links). Aber für all diese anderen Gase, denen Sie normalerweise in diesen Anwendungen begegnen, wird es viel zu viel ausgeben – es wird viel zu hoch angezeigt. 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 korrekt für Methan, aber wenn Sie auf eines dieser anderen Gase stoßen, die für diese Anwendungen typisch sind, wird es niedrig angezeigt. Darüber hinaus wird die Katzenperle, die auf einer katalytischen Reaktion beruht, im Laufe der Zeit leicht vergiftet. Wenn sich jemand nur 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, könnten alle Sensoren in Ihrem Gebäude vergiftet sein. Daher erfordert es eine häufige und kostspielige Wartung – Sie müssen es regelmäßig überprüfen – einige Orte überprüfen es jeden Tag oder jeden Monat, um zu verhindern, dass es vergiftet wird.

„Wie in Abbildung 2 gezeigt, folgt unser Sensor auch einer Bahn ganz oben in der Mitte, in Bezug auf die gelieferte und die gemeldete Konzentration. Wir sind bei all diesen Gasen sehr genau, obwohl das MPS werkseitig nur auf Methan kalibriert ist. Aber aufgrund der Art und Weise, wie wir die Luft abfragen, sind wir tatsächlich in der Lage, festzustellen, welches Gas vorhanden ist, was beispiellos ist“, sagte Rogers.

Algorithmen

„Wir sind in zwei Dingen gut“, sagte Rogers. „Einer baut den Heizplattensensor, der jahrelang entwickelt wurde. Und zweitens lernen, wie man mit dieser Kochplatte spricht.“ Das Grundgerät ist ganz einfach – nur ein beheizter Widerstand und eine Temperaturmessung. Wie diese Informationen verwendet werden, ist entscheidend für die Funktionsweise des Sensors. Die Daten, die von der Heizplatte kommen, werden zusammen mit Daten, die von einem Umgebungssensor kommen, der Temperatur, Druck und Feuchtigkeit misst, verwendet, um die Messwerte zu erhalten. „Alle zwei Sekunden nehmen wir die Daten von der Heizplatte, wir nehmen die Daten vom Umgebungssensor und wir lassen eine Reihe von Algorithmen laufen, für deren Entwicklung wir 15 Jahre gebraucht haben, und heraus kommt:‚Es ist dieses Gas, es ist diese Konzentration' und das ist der Trick“, sagte Rogers.

Die Verwendung der gleichen Daten, aber die Änderung der Algorithmen hat NevadaNano in die Lage versetzt, Dutzende von Produkten zu entwickeln, die auf Softwareänderungen basieren. Beispielsweise gibt es eine neue Generation von Kältemitteln, die eine geringe globale Erwärmung aufweisen. Aber viele dieser neuen Kältemittel, die in Klimaanlagen, Kühlschränken usw. verwendet werden, sind brennbar. Daher benötigen alle Klimaanlagen in Wohngebäuden Entflammbarkeitssensoren, um einen unsicheren Zustand zu verhindern. Basierend auf den thermodynamischen Eigenschaften dieser Kältemittelmoleküle war NevadaNano in der Lage, ein Produkt zu entwickeln, das einzigartig für diese bestimmte Gasart oder mehrere geeignet ist, indem nur eine Softwareänderung vorgenommen wurde. So hatten sie innerhalb von etwa einem Monat ein neues Alpha-Produkt und fingen an, es herauszunehmen und es den Leuten zu zeigen.

Kalibrierung

Ich fragte Rogers, ob sie jeden Sensor für ein bestimmtes Gas kalibrieren müssten. Er antwortete, dass es darauf ankomme, welches Gas nachgewiesen werden müsse. Für die standardmäßigen brennbaren Gase verwenden sie Methan als Kalibriergas im Werk. „Sobald wir dem Sensor Methan gezeigt haben, müssen wir ihn nicht mehr auf Wasserstoff, Butan oder Propan kalibrieren – er erkennt intuitiv auch alle anderen Gase.“ So müssen sie zum Beispiel nicht zwingend Wasserstoff im Werk verwenden, um einen wasserstoffspezifischen Sensor zu kalibrieren.

Anwendungen

Dann 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 heute zum Beispiel in eine Raffinerie gehen und sich an den Wänden umsehen würden, würden Sie viele Dutzend Geräte sehen, die wie Stromzähler 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 laufen, tragen normalerweise einen sogenannten Vier-Gas-Sensor – ein kleines Gerät in Handygröße, das auf der Schulter sitzt und vier Gassensoren enthält, darunter ein MPS.

Zusammenfassend

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 hinweg stabil, einschließlich schneller Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen; es ist genau für eine Liste üblicher brennbarer Gase (einschließlich Wasserstoff). Darüber hinaus kann das MPS für Umgebungen mit mehreren oder unbekannten Gasen verwendet werden und ist eigensicher, robust und immun gegen Vergiftung.

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