Endüstriyel dağılmayan kızılötesi (NDIR) metan (CH4) gaz sensörü tasarımı
Design of an industrial non-dispersive infrared (NDIR) methane (CH4) gas sensor
Yazar: DİLAN YALÇIN
Danışman: DOÇ. DR. SERHAT İKİZOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Günümüzde metan (CH4) gaz sensörleri, gazın oluşturabileceği tehlikeler sebebiyle giderek artan bir eğilimle kullanılmaktadır.  Doğal gazın temel bileşeni olan metan, yanıcı ve kapalı bir ortamda %5 konsantrasyona ulaştığında patlayıcı olan bir gazdır. Bu sebeplerle, petrol gaz endüstrilerinde, depolama alanlarında, ticari ve evsel ortamlarda metan gazının tespiti oldukça önemlidir.
Metan gazının tespiti için tasarlanmış sistemlerde kullanılan sensörlerden biri optik tekniklere dayalı olarak ölçüm yapan dağılmayan kızılötesi (NDIR) gaz sensörleridir. Hidrokarbon gazların ve CO2 gazının tespitinde kullanılan NDIR gaz sensörleri, belirli bir gazın konsantrasyon ölçümüne olanak sağlaması, hızlı ve doğru bir gaz analiz yöntemi olması, basit ve ekonomik olması sebebiyle yaygın olarak kullanılmaktadır.
NDIR gaz sensörü temelde bir kızılötesi radyasyon kaynağı, bir kızılötesi dedektör ve optik sensör kapsülünden oluşmaktadır. NDIR algılama yöntemi kızılötesi radyasyonun gaz molekülleri tarafından emilimi esasına dayanmaktadır. Optik sensör kapsülü kızılötesi radyasyon kaynağından saçılan ışınların yansımalar yaparak algılayıcıya ulaştığı kısımdır. Ortamda hedef gaz bulunması durumunda, gaz optik sensör kapsülünde bulunan gaz giriş-çıkış deliklerinden difüzyon yoluyla kapsül içine örneklenir. Hedef gazın emilim spektrumundaki ışınlar gaz molekülü tarafından emilime uğrar. Hedef gaz varlığına bağlı olarak emilim sebebiyle kızılötesi detektöre ulaşan radyasyon yoğunluğunda değişim olur. Bu değişime bağlı olarak ortamdaki hedef gazın yoğunluğu tespit edilir. 
Gaz varlığına göre değişim gösteren radyasyon yoğunluğu Beer-Lambert yasası ile açıklanmaktadır. Beer-Lambert yasasına göre hedef gazdan geçtikten sonraki radyasyon yoğunluğunun, hedef gaz yokken ölçülen radyasyon yoğunluğuna oranı, hedef gazın emilim katsayısının, optik yol uzunluğunun ve gaz konsantrasyonunun bir fonksiyonudur. Radyasyon kaynağından saçılan ışınların kızılötesi detektöre ulaşana kadar optik sensör kapsülü içinde aldığı yol optik yol olarak adlandırılmaktadır.
Bu çalışmada, endüstriyel NDIR metan gaz sensörü geliştirilmesi amaçlanmıştır. Öncelikle standart minyatür formatta 20 mm çapında 16.15 mm yüksekliğinde silindirik yeni sensör kapsülü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Sensör kapsülü optik yol gövdesi ve sensör kapsülü kapağı olmak üzere iki parça halindedir. Kapsülde 1.5 mm yüksekliğinde 2mm'den 1mm'ye daralan yakınsak nozul yapısında 5 delik kullanılmıştır. Böylece ışık kaybı artırılmadan difüze olan gazın hacimsel akış oranı artırılmıştır.  
Optik sensör kapsülünün optik analizleri Zemax ışın izleme programından yararlanılarak yapılmıştır. Kapsül yüzeyi yüksek yansıtma oranı (%95) sebebiyle altın malzeme olarak seçilmiştir. Yapılan simülasyonlar sonucunda optik yol uzunluğunun ortalama 54 mm olduğu ve ışın yoğunluğunun yaklaşık %20'sinin dedektöre ulaştığı görülmüştür.
Prototipi üretilen optik sensör kapsülü MS-58 pirinç malzeme ile CNC işleme yöntemi ile üretilmiş ve altın kaplama işlemi uygulanmıştır. Sensör kartı tasarımında Heimann HSL 5/115 akkor lamba ve Heimann HTS-E21 iki kanallı termofil dedektörü kullanılmıştır. Kanallardan biri referans kanalı olup 3.91 um optik filtreye, diğeri ise ölçüm kanalı olup 3.3 um optik filtreye sahiptir.  
Prototipi üretilen NDIR gaz sensörü için uygun test kartı kullanılarak sensörün ölçüm testleri yapılmıştır. Ortam koşulları 20 santigrat derece ve %50 RH olan sıcaklık/nem kabini içinde çalıştırılan sensör ile yapılan testlerde sensörün ölçümdeki tekrarlanabilirliğinin iyi olduğu ve minimum algılama limitinin 60 ppm olduğu tespit edilmiştir.  Sensör % 0-5 vol metan gazı ölçümünde %3'ten küçük bağıl hata oranına sahiptir. % 0-5 vol aralığında 10 farklı metan konsantrasyonu ile yapılan ölçümler sonucunda sensörün T90 süresinin 20 saniyeden az olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Methane (CH4), a flammable gas, can be explosive when it reaches 5% concentration in a closed environment. Detection of methane gas is crucial for safety reasons in places where methane gas may accumulate in the environment, such as oil and gas industries, storage areas, and water treatment plants. Gas detectors designed to detect gas leaks in such environments and to measure the methane concentration in the background are being used with an increasing trend to protect themselves from potential hazards.
Methane, the primary component of natural gas, can also pose a hazard in commercial and domestic environments. A possible gas leak may result in combustion and explosion if there is a trigger/ignition in the environment due to the flammable effect of methane gas. For this reason, detecting methane gas in these environments is very significant.
One of the sensors used in systems that detect methane gas is a non-dispersive infrared (NDIR) gas sensor measuring based on optical techniques. The NDIR gas sensors, which allow the detection of hydrocarbon gases and CO2 gas, are widely used because they allow concentration measurement of a specific gas, is a fast and accurate gas analysis method, and are simple and economical.
An NDIR gas sensor comprises an infrared radiation source, an infrared detector, and an optical sensor capsule. The NDIR detection method is based on gas molecules' absorption of infrared radiation. The optical sensor capsule is the part where the rays scattered from the infrared radiation source reach the sensor by making reflections. In the presence of target gas in the environment, the gas is sampled into the capsule by diffusion from the gas inlet and outlet holes. The gas molecules absorb the rays in the absorption spectrum of the target gas. There is a change in the intensity of radiation reaching the infrared detector due to absorption. The density of the target gas in the environment is determined depending on the change.
The Beer-Lambert law explains the radiation intensity, which varies according to the presence of gas. According to the Beer-Lambert law, the ratio of the radiation intensity after passing through the target gas to the radiation intensity measured in the absence of the target gas is a function of the absorption coefficient of the target gas, the optical path length, and the gas concentration. The path that the rays scattered from the radiation source take within the optical sensor capsule until they reach the infrared detector is called the optical path.
According to the Beer-Lambert law, increasing the optical path length allows the rays to interact with more gas molecules. Therefore, increasing the optical path length increases the measurement accuracy. However, when the optical path length is increased, the energy loss due to absorption and reflection of the rays will also increase, and the light intensity reaching the infrared detector will decrease. This situation causes the sensor to measure incorrectly or low signals to remain below the noise threshold.
This thesis aims to design and realize the NDIR methane gas sensor to detect methane gas. In order to ensure the industrial use of the designed sensor, a design in accordance with the standard miniature format accepted by the gas industry has been realized. NDIR methane gas sensor consists of three parts: optical path body, sensor capsule cover, and sensor board. The cylindrical optical sensor capsule with a diameter of 20 mm and a height of 16.15 mm is compactly designed to include the sensor board.
In order to provide gas inlet and outlet, there are gas inlet-outlet holes in the optical sensor capsules. The hole structure affects the volumetric flow rate of the target gas. The high volumetric flow rate of the gas provides a faster equalization of the gas concentration inside and outside the capsule. Thus, accurate gas concentration measurement will also take place faster. Cylindrical hole structure is mostly preferred in gas sensors. However, when the cylindrical hole structure is used, it is necessary to increase the hole surface area to increase the gas's volumetric flow rate. In a study carried out within the scope of the thesis, it has been observed that the light intensity coming out of the capsule increases when the hole surface area is increased. This situation causes a decrease in the light intensity reaching the infrared detector.
In the new sensor capsule design, the hole structure is designed in convergent nozzle geometry to provide a gas inlet and outlet. Convergent nozzles increase the pressure difference between the inside and outside of the capsule thanks to their narrowing structure from the outside to the inside. Thus the volumetric flow rate of the diffused gas also increases. In the capsule, 5 holes in the convergent nozzle structure are used, which are 1.5 mm high and narrow from 2 mm to 1 mm. The fluid dynamic analysis monitored and recorded the volumetric flow rate of 2.5% vol methane gas reaching the hole for 1.2 seconds. It was observed that the average volumetric flow rate of the gas increased 1.54 times compared to using a cylindrical hole with a diameter of 1 mm. In addition, it was observed that the light intensity of the capsule was approximately the same in 5 cylindrical holes of 1 mm diameter and 5 convergent nozzles narrowing from 2 mm to 1 mm. Thus, the volumetric flow rate of the diffused gas is increased without increasing the light loss.
Optical sensor capsule analysis was performed with the Zemax ray tracing program. The capsule surface was chosen as the gold material due to its high reflectivity (95%). As a result of the simulations, it was seen that the optical path length is 54 mm on average, and approximately 20% of the radiation intensity reaches the detector.
The optical sensor capsule, whose prototype was produced, was produced with MS-58 brass material by CNC machining method, and the gold-coating process was applied. Heimann HSL 5/115 incandescent lamp and Heimann HTS-E21 two-channel thermophile detector are used in the sensor board design. One of the channels is the reference channel and has a 3.91 um optical filter, and the other is the measurement channel and has a 3.3 um optical filter.
The sensor tests were carried out with the convenient test card for the prototype NDIR gas sensor. In the tests carried out with the sensor operated in a temperature/humidity cabinet with ambient conditions of 20 Celsius and 50% RH, it has been determined that the repeatability of the sensor in measurement is good, and the minimum detection limit is 60 ppm. The sensor has a relative error rate of less than 3% in the 0-5% vol methane gas measurement. As a result of measurements made at different concentrations in the range of 0-5% vol methane gas, it was determined that the T90 time of the sensor was less than 20 seconds.