Gaasisensor

Gaasisensor on seade, mis mõõdab mingi kindla gaasi kogust, kontsentratsiooni või lihtsalt seda, kas gaas mingis keskkonnas esineb või mitte. Tihti kasutatakse seda ohutuse eesmärgil kohtades, kus sensor saab inimesi hoiatada, kui keskkonda on sattunud ohtlikke gaase või kui hapniku tase muutub ohtlikult madalaks. Gaaside ohtlikkus võib väljenduda nende tuleohtlikkuses, plahvatusohtlikkuses või toksilisuses. Gaasisensorid leiavad laialdast kasutust, kuna ohtlike gaaside olemasolu või keskkonna hapnikuvaesus ei ole tihti inimesele otseselt tajutav. Sensoreid kasutatakse ka teaduslikel eesmärkidel, keskkonnaalastes mõõtmistes, meditsiinis, tööstusprotsesside juures. Gaasisensorite eelis on kasutatavate aparaatide kompaktsus, suur tundlikkus, võimalus mõõta reaalajas ilma proovi ettevalmistuseta ja madal hind. Gaasisensoreid võib liigitada tööpõhimõtte järgi. Järgnevalt on kirjeldatud neist mõnda. Elektrokeemiline gaasisensor tuvastab gaasi elektrokeemilise reaktsiooni põhjal, gaas kas redutseerub või oksüdeerub. Gaas difundeerub sensori elektroodile, kus sellega toimub reaktsioon. Reaktsiooni käigus tekib elektriliste potentsiaalide vahe võrdlus- ja tööelektroodi vahel, mis omakorda põhjustab sensori vooluahelas elektrivoolu. Elektrivoolu või -pinge suuruse põhjal saab määrata analüüsitava gaasi kogust ja kontsentratsiooni. Et hoida süsteemi tasakaalus, toimub samal ajal vastaselektroodil vastasreaktsioon. Elektrokeemiliste gaasisensorite eeliseks on see, et gaasi kontsentratsiooni ja sensori signaali tugevuse vahel on lineaarne sõltuvus. See omadus muudab palju lihtsamaks sensori kalibreerimise (hädavajalik on leida vaid kaks kalibreerimispunkti) ning võimaldab madalatel kontsentratsioonidel suuremat täpsust. Nendega on võimalik ka mõõta väga suurt hulka erinevaid gaase. Infrapuna gaasisensor põhineb infrapunakiirguse neeldumisel. Sellised sensorid koosnevad kahest kambrist. Üks neist on võrdluskamber, teisest voolab läbi analüüsitav gaasisegu. Mõlemast kambrist lastakse läbi võrdne kogus infrapunakiirgust. Mõlema kambri lõpus on ka detektor, mis mõõdab kiirguse intensiivsust, täpsemalt intensiivsuse erinevust kahe kambri vahel. Kui proovikambris on määratavat gaasi, siis see neelab osa kiirgusest ära ning kahe detektori näitude vahel tekib erinevus. Erinevuse põhjal saab määrata gaasi kontsentratsiooni. See mõõtmine ei toimu mitte kõigil lainepikkustel, vaid ainult nendes spektrialades, kus määratav gaas neelab. Vastasel juhul oleks kahe detektori näit erinev, kui ükskõik mis gaas kambrist läbi voolaks. Selliste sensorite miinuseks on see, et kui mingid gaasid neelavad samadel lainepikkustel, siis võib sensor anda vale kõrgendatud näidu. Sensor eeldab, et selles spektrialas neelab ainult määratav gaas, kuid tegelikult võivad neelata ka mingid muud gaasid. Sensori eeliseks on pikk eluiga, vähene tundlikkus keskkonna teguritele ja võime mõõta kaugelt, kuna uuritavat gaasisegu on võimalik sensorisse juhtida voolikute või torudega. Infrapuna gaasisensoritega ei ole võimalik määrata gaase, mis ei neela infrapunakiirgust. Gaasid, mille molekulid on sümmeetrilised, infrapuna ei neela, näiteks hapnik ja lämmastik. On väga sarnase ehitusega ja tööpõhimõttega sensoreid, kus ainus suurem erinevus on see, et jälgitakse kiirust, millega heli läbib kambrit. Pooljuhtsensorid töötavad voolu mõõtmise põhimõttel. Sensori ja gaasi vahel võib toimuda keemiline reaktsioon või gaas võib sensori pinnale adsorbeeruda. Selle protsessi tagajärjel muutub sensori elektritakistus. Muutuse põhjal on võimalik määrata gaasi kontsentratsiooni. Sensorite töötemperatuur on enamasti 200–400 °C ning seetõttu vajavad ka mingisugust kütteelementi. Enamasti koosnevad sensorid ränialusele sadestatud metallioksiidi kihist, tihti on metalliks tina. Sensorid on mehaaniliselt üsna vastupidavad ja tugevad, kuid võivad kergesti reostuda ning signaali tugevus võib tugevalt oleneda keskkonna tingimustest, näiteks niiskusest. Sensori reostumine seisneb ainete adsorbeerumises sensori pinnale, mis segavad mõõtmisi ning mida on sensorilt raske või võimatu eemaldada. Ka määratavat gaasi ennast võib pärast mõõtmisi olla keeruline eemaldada, see vähendab sensori eluiga. Pooljuhtsensorite kalibreerimise teeb keeruliseks fakt, et seos sensori signaali ning adsorbeerunud gaasi vahel ei ole lineaarne. Sarnasel põhimõttel on võimalik mõõtmiseks kasutada ka heli. Sensori ehitus on järgmine: ühes otsas on heli allikas, keskel on õhuke substraat, teises otsas on heli detektor. Allikast saadetakse välja helisignaal, mis liigub läbi substraadi detektorisse. Kuna tegemist on mehaanilise lainega ja laine liigub läbi substraadi, siis substraadi mehaanilised omadused muudavad laine omadusi. Laine omaduste muutuse põhjal on võimalik teha järeldusi substraadi kohta. Sellise analüüsi abil on võimalik määrata väga erinevaid asju, kuid gaaside puhul võimaldab see määrata substraadile adsorbeerunud gaaside hulka. Sellise põhimõttega sensorite eelisteks on madal hind, väike energiakulu ja väike suurus. Kõrge rõhu all hoitavad gaasid tekitavad lekkimisel tihti kõrge sagedusega heli, mida inimkõrv ei taju. Sellise pideva konstantse ultraheli põhjal võib suhteliselt kindlalt väita, et põhjuseks on gaasileke, kuna taustamüras sarnased helid puuduvad. Sensori eeliseks on fakt, et see ei pea olema otseses kontaktis gaasiga, ning sensor säilitab tundlikkuse ka välikeskkonnas, kus gaasid hajuksid liiga kiiresti, et kontakti nõudvad sensorid neid tuvastada suudaks. Ultraheli sensorid ei suuda määrata gaasi kontsentratsiooni keskkonnas, kuid ultraheli tugevuse põhjal suudavad hinnata lekke suurust ja lekkimise kiirust. Sellistest sensoritest on kasu kohtades, kus on palju torustikku, näiteks naftaplatvormidel. Katalüütilised gaasisensorid võib jagada kaheks alatüübiks, pellistori tüüpi ja termoelektrilised sensorid. Pellistori tüüpi sensorid on valmistatud mingisugusest katalüütilise toimega materjalist. Sensorit kuumutatakse ning sellesse juhitakse uuritav gaas. Kuumuse ja katalüsaatori toimel gaas süttib. Gaasi põlemise tulemusena tõuseb sensori temperatuur veel rohkem. Temperatuuri tõusuga kaasneb sensori elektritakistuse suurenemine, mille muutuse põhjal saab määrata gaasi kontsentratsiooni. On ka teist tüüpi pellistori tüüpi sensoreid, kus ei ole tähtis mitte temperatuur ise, vaid temperatuuri muutus. Need sensorid koosnevad kahest elemendist, kus ühte ümbritseb referentsgaas ja teist uuritav gaas. Uuritava gaasi soojusjuhtivus erineb referentsgaasi omast ning erinevad ka kahe elemendi elektritakistused. Ka termoelektrilistes gaasisensorites põletatakse uuritavat gaasi. Selle tõttu tekib sensori eri osade vahel temperatuuri erinevus. Sellest omakorda esineb sensoris termoelektriline efekt, mis tähendab, et temperatuuri erinevuse tõttu tekib sensoris elektriline pinge. Pinge suuruse põhjal saab määrata gaasi kontsentratsiooni. Katalüütilised gaasisensorid on võrdlemisi lihtsad ja odavad, kuid nendega saab määrata ainult põlevaid gaase ning need võivad pika aja peale reostuda. Ilmselt kõige vanemat tüüpi gaasisensorid eelnimetatutest on elektrokeemilised. Vanimad elektrokeemilised rakud on pärit aastast 1885. Katalüütilised sensorid on ka võrdlemisi vanad, esimene leiutati aastal 1923. Seda kasutati kaevandustes, et oleks võimalik inimesi hoiatada, kui plahvatusohtliku metaani kontsentratsioon läks liialt suureks. Ülejäänud gaasisensori liigid on märksa nooremad. Esimene pooljuhtsensor loodi 1968. aastal ning sellega sai mõõta süsivesinikke. Esimeseks optilistel omadustel põhinevaks sensoriks oli 1984. aastal leiutatud vesinikusensor. Ultraheligaasisensorid on tulnud kasutusse viimaste aastakümnete jooksul. Seega võib öelda, et gaasisensori tehnoloogia on võrdlemisi uus ja moodne. J.K.Rath, S.K.Agarawalla ja G.S.Roy (2013). Principles of Gas Sensing Application of Metal Oxide Semiconductor Devices. http://www.sciencepub.net/researcher/research0502/015_16234research0502_75_79.pdf, lk 75, kasutatud 18.11.2015 Z. Yunusa, M. N. Hamidon, A. Kaiser ja Z. Awang (2014). Gas Sensors: A Review. lk 62–63,67,72, kasutatud 18.11.2015 S. Capone, A. Forleo, L. Francioso, R. Rella, P. Siciliano, J. Spadavecchia, D. S. Presicce, A. M. Taurino (2003). Solid State Gas Sensors: State of the Art and Future Activities. https://web.archive.org/web/20151210213757/http://joam.inoe.ro/arhiva/pdf5_5/Capone.pdf, lk 1337–1339, kasutatud 18.11.2015 Xiao Liu, Sitian Cheng, Hong Liu, Sha Hu, Daqiang Zhang ja Huansheng Ning (2012). A Survey on Gas Sensing Technology. lk 9649, kasutatud 18.11.2015 E.Naranjo (2007). Understanding Ultrasonic Gas Leak Detection. Understanding Ultrasonic Gas Leak Detection kasutatud 18.11.2015 Solid-State Gas Sensors lk 47, kasutatud 18.11.2015 Gassoni kasutatud 18.11.2015