Revolutionärer MEMS-Multigas-Sensor: Präzise Erkennung von 12 brennbaren Gasen

Die Gasmessung ist eine kritische Funktion, aber die Technologie hat sich seit Jahrzehnten kaum verändert. Als ich von einem völlig neuen Sensortyp von NevadaNano (Sparks, NV) hörte, beschloss ich, Ben Rogers, ihren Engineering Director, zu interviewen.

Molekularer Eigenschaftenspektrometer

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

Der MPS-Brenngassensor kann Konzentrationen von 12 der häufigsten brennbaren Gase erkennen und identifizieren, einschließlich Wasserstoff; der MPS-Methangassensor ist für die Überwachung von Methanlecks in der Öl- und Gasindustrie konzipiert; der MPS-Kältemittelsensor detektiert schwach brennbare Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial – alles basierend auf derselben Technologie. Laut Rogers ist ihr Sensor weitaus genauer und zuverlässiger als der traditionelle Pellistor (katalytischer Perlen-Sensor) und der nicht-dispersive Infrarotsensor (NDIR). Die meisten traditionellen Sensoren haben eine Beschichtung, die eine chemische Reaktion anregt. Das Problem: Mit der Zeit können die Reaktionsstellen, die die Reaktion ermöglichen, ruiniert werden. Der MPS hingegen besitzt eine inerte siliziumbasierte Oberfläche, die keine chemische Reaktion erfordert. Er heizt sich auf, misst die thermodynamischen Eigenschaften der Luft und kühlt wieder ab – laut Rogers kann er 10 Jahre oder länger ohne Kalibrierung halten.

Identifizierung eines Gases

Der MPS ist in ein etwa 2,5 cm großes Gehäuse eingebaut, wie in Abbildung 1 gezeigt. Die zu testende Luft tritt durch das Gittersieb oben ein und trifft auf eine aufgehängte, angeheftete Mikro-Heizplatte, die den gleichen Durchmesser wie ein menschliches Haar hat – 100 Mikrometer. Die Heizplatte kann auf mehrere hundert Grad Celsius erhitzt werden. Die Wärmequelle ist ein Joule-Heizer, bei dem ein elektrischer Strom durch ein Widerstandselement geleitet wird, wie im Inset von Abbildung 1 dargestellt. Der Strom fließt über einen der Anheftungsdrähte ein, wirbelt herum und fließt über die Leiterbahn wieder aus. „Wir können den Widerstand der Heizplatte messen, was uns ihre Temperatur und auch die Leistung angibt, die nötig war, um diese Temperatur zu erreichen“, sagte Rogers. Die Beziehung zwischen der Temperatur der Platte und der dafür erforderlichen Leistung ist eine Funktion der thermischen Leitfähigkeit der Luft. Wenn Gase in der Luft vorhanden sind, ändern sich deren thermische Eigenschaften. Beispielsweise benötigt es mehr Leistung, um die Heizplatte bei der richtigen Temperatur zu halten, wenn Methan in der Luft vorhanden ist, da Methan thermisch leitfähiger ist als Luft.

Entscheidend für seine einzigartigen Eigenschaften ist, dass der MPS ein MEMS-Gerät ist, das ähnlich wie Siliziumchips in einer Foundry hergestellt wird; und weil es ein MEMS-Gerät ist, benötigt es sehr wenig Energie für den Betrieb. „Es gab noch nie einen brennbaren Sensor, der Ihnen die Gasklasse mitteilen kann, die Sie detektieren. Wenn wir eine Detektion machen, liefern wir auch eine Klassifizierung. Zum Beispiel meldet der Sensor die vorhandene Konzentration und dass es Wasserstoff ist, oder ein mittleres Gas wie Pentan, oder ein Wasserstoffgemisch“, sagte Rogers. „Traditionelle Gassensoren hatten nie die Fähigkeit zur Klassifizierung. Das macht uns so präzise: weil wir unsere Kalibrierung für das jeweils vorhandene Gas anpassen können.“

Konzentration

Die relevante Konzentrationseinheit ist die untere Explosionsgrenze (UEG), die niedrigste Konzentration (in Volumenprozent) eines Gases in Luft, die in Gegenwart einer Zündquelle einen Flammenblitz erzeugen kann. Da Anwender wissen möchten, wie nahe sie an 50 % der UEG sind, ist die Fähigkeit zur Identifizierung des vorhandenen Gases wichtig, da die UEG für jedes Gas unterschiedlich ist.

Abbildung 2 zeigt Diagramme der zugeführten vs. gemeldeten Konzentration. Sie veranschaulicht eines der Hauptprobleme von Sensoren in diesem Bereich. Ein perfekter Sensor meldet exakt das, was zugeführt wird – die Kurve verläuft genau in der Mitte. Ein Sensor, der die Konzentration übermeldet, löst zu früh Alarm aus und verursacht kostspielige Fehlalarme. Unterberichterstattung gibt einen falschen Negativwert, was gefährlich ist. Idealerweise sollte die Kurve genau in der Mitte verlaufen. Wie im rechten Diagramm zu sehen, liegt die Genauigkeit des MPS-Sensors für sieben verschiedene Gase genau auf der Linie.

Was den MPS so präzise macht, ist die automatische Echtzeit-Anpassung der Kalibrierung durch die Sensorsoftware für das jeweils vorhandene Gas.

MPS vs. traditionelle Gassensoren

Ein NDIR-Sensor wird typischerweise auf Methan kalibriert, daher ist das Diagramm der zugeführten vs. gemeldeten Konzentration für Methan eins zu eins (Abbildung 3, links). Für all die anderen Gase, die in diesen Anwendungen typischerweise auftreten, übermeldet er jedoch stark – er liest viel zu hoch. Er ist auch anfällig für Fehlalarme bei schnellen Feuchtigkeits- oder Temperaturänderungen. Wichtig: Er detektiert Wasserstoff überhaupt nicht, der weltweit für viele Anwendungen zunehmend wichtig wird.

Der katalytische Perlen-Sensor (Cat Bead) ist der andere Sensor in diesem Bereich (Abbildung 3, rechts). Wenn man ihn auf Methan kalibriert, ist er für Methan korrekt, aber bei allen anderen typischen Gasen liest er zu niedrig. Zudem wird der Cat Bead, der auf einer katalytischen Reaktion beruht, mit der Zeit leicht vergiftet. Wenn jemand im selben Raum wie dieser Sensor Handcreme trägt, reicht das aus, um ihn zu vergiften, sodass er nicht mehr funktioniert.

Oder wenn Sie Feuerwehrmann sind und an diesem Tag den LKW wachsen, könnten alle Sensoren in Ihrem Gebäude vergiftet sein. Daher erfordert er häufige und kostspielige Wartung – man muss ihn regelmäßig überprüfen – manche Orte prüfen sie täglich oder monatlich, um Vergiftungen zu vermeiden.

„Wie in Abbildung 2 gezeigt, folgt unser Sensor ebenfalls einer Trajektorie genau in der Mitte hinsichtlich zugeführter vs. gemeldeter Konzentration. Wir sind hochpräzise für all diese Gase, obwohl der MPS nur werkseitig auf Methan kalibriert ist. Aber wegen unserer Art der Luftabfrage können wir tatsächlich bestimmen, welches Gas vorliegt, was beispiellos ist“, sagte Rogers.

Algorithmen

„Wir sind gut in zwei Dingen“, sagte Rogers. „Eins ist der Bau des Heizplatten-Sensors, der Jahre der Entwicklung erforderte. Und zwei, zu lernen, wie man mit dieser Heizplatte spricht.“ Das Grundgerät ist recht einfach – nur ein beheizter Widerstand und eine Temperaturmessung. Wie diese Informationen genutzt werden, ist der Schlüssel zur Sensorfunktion. Die Daten von der Heizplatte zusammen mit Daten von einem Umweltsensor, der Temperatur, Druck und Feuchtigkeit misst, werden verwendet, um die Messwerte zu erhalten. „Alle zwei Sekunden nehmen wir die Daten von der Heizplatte, die Daten vom Umweltsensor und führen eine Reihe von Algorithmen aus, die uns 15 Jahre Entwicklung gekostet haben, und heraus kommt: ‚Es ist dieses Gas, es ist diese Konzentration‘, und das ist der Trick“, sagte Rogers.

Die Nutzung derselben Daten mit geänderten Algorithmen hat NevadaNano ermöglicht, Dutzende von Produkten zu entwickeln, die auf Softwareänderungen basieren. Zum Beispiel gibt es eine neue Generation von Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial. Viele dieser neuen Kältemittel, die in Klimaanlagen und Kühlschränken verwendet werden, sind brennbar. Daher werden alle häuslichen Klimaanlagen Brennbarkeitssensoren benötigen, um unsichere Zustände zu verhindern. Basierend auf den thermodynamischen Eigenschaften dieser Kältemittelmoleküle war NevadaNano in der Lage, ein Produkt zu entwickeln, das einzigartig für diese spezifische Gassorte oder mehrere geeignet ist, nur durch eine Softwareänderung. Innerhalb von etwa einem Monat hatten sie ein neues Alpha-Produkt und begannen, es vorzuführen.

Kalibrierung

Ich fragte Rogers, ob sie jeden Sensor für ein bestimmtes Gas kalibrieren müssten. Er antwortete, dass es darauf ankommt, welches Gas detektiert werden soll. Für Standard-brennbare Gase verwenden sie Methan als Kalibriergas im Werk. „Einmal haben wir dem Sensor Methan gezeigt, müssen wir ihn nicht mehr auf Wasserstoff, Butan, Propan kalibrieren – er erfasst intuitiv alle anderen Gase ebenfalls.“ So müssen sie beispielsweise nicht unbedingt Wasserstoff im Werk verwenden, um einen wasserstoffspezifischen Sensor zu kalibrieren.

Anwendungen

Ich fragte Rogers dann nach typischen Anwendungen. „Wir sind nur der Sensor – jenes kleine eimerförmige Gerät, das in ein Detektorsystem eingesteckt wird. Wenn Sie heute in eine Raffinerie gehen und an den Wänden herumschauen, würden Sie viele Dutzend Geräte sehen, die Art wie Stromzähler aussehen.“ Sie haben mehrere Sensoren eingesteckt, wahrscheinlich einschließlich eines Wasserstoffsulfid-Sensors, eines Sauerstoffsensors, eines Kohlenmonoxid-Sensors und eines Brenngassensors wie dem MPS.

Feuerwehrleute und andere Ersthelfer, die in ein Gebäude laufen, tragen typischerweise einen sogenannten Viergassensor – ein handygroßes Gerät, das auf ihrer Schulter sitzt und vier Gassensoren enthält, einschließlich eines MPS.

Zusammenfassung

Laut Rogers ist der MPS die innovativste Technologie für Gasdetektion seit über 30 Jahren. Er überwindet die Mängel bestehender Technologien; er ist stabil über breite Betriebsbereiche, einschließlich schneller Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen; er ist präzise für eine Liste gängiger brennbarer Gase (einschließlich Wasserstoff). Darüber hinaus kann der MPS in Umgebungen mit mehreren oder unbekannten Gasen eingesetzt werden und ist intrinsisch sicher, robust und immun gegen Vergiftung.

Dieser Artikel wurde von Ed Brown, Editor of Sensor Technology, verfasst. Für weitere Informationen besuchen Sie hier.