MEMS Multi-Gas Sensing der nächsten Generation

Die Erkennung von Gasen ist eine entscheidende Funktion, aber die Technologie hat sich seit Jahrzehnten nicht verändert. Jetzt der brandneue Sensortyp von NevadaNano ist ein Game Changer für den Markt.

MOLEKULAREIGENSCHAFTSSPEKTROMETER

NevadaNano nennt 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 MPS-Methangassensor dient zur Überwachung von Methanlecks in der Öl- und Gasindustrie. Die MPS RefrigerantDer NT-Gassensor erkennt leicht entzündliche Stoffe mit geringer globaler Erwärmung refrigerants – alle basieren auf der gleichen Technologie. Laut Rogers (Technischer Direktor @NevadaNano), ist ihr Sensor weitaus genauer und zuverlässiger als der herkömmliche Pellistor (katalytischer Bead-Sensor) 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 Messstellen, 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 sich dann wieder ab, sodass es laut Rogers 10 Jahre oder länger ohne Kalibrierung halten kann.

ERKENNUNG EINES GAS

Das MPS ist in ein etwa Zoll großes Gehäuse eingebaut. Die zu testende Luft tritt oben durch das Maschensieb ein und trifft auf eine hängende, angebundene Mikroheizplatte mit dem gleichen Durchmesser wie ein menschliches Haar – 100 Mikrometer Durchmesser. Die Kochplatte kann bis zu mehreren Hundert Grad Celsius erhitzt werden. Die Wärmequelle ist eine Joule-Heizung, bei der ein elektrischer Strom durch ein Widerstandselement geleitet wird, wie im Einschub von Abbildung 1 gezeigt. Der Strom kommt an einem der Halteseile an, wirbelt herum und kommt auf dieser Spur wieder heraus. „Wir können den Widerstand der Heizplatte messen, der uns ihre Temperatur und auch die Leistung angibt, die zum Erreichen dieser Temperatur benötigt wurde“, 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. Für exampWenn Methan in der Luft vorhanden ist und die Kochstelle beheizt wird, ist mehr Energie erforderlich, um die Kochstelle auf der richtigen Temperatur zu halten, als wenn kein Methan vorhanden ist, da das Methan wärmeleitfähiger ist als die Luft.
Der Schlüssel zu seinen einzigartigen Eigenschaften ist, dass der MPS ein MEMS-Bauelement ist, das ähnlich wie Siliziumchips hergestellt wird: in einer Gießerei; Da es sich um ein MEMS-Gerät handelt, benötigt es für den Betrieb nur sehr wenig Strom. „Es gab noch nie einen Sensor für brennbare Gase, der Ihnen sagen kann, welche Gasklasse Sie erkennen. Wenn wir eine Erkennung vornehmen, geben wir auch eine Klassifizierung an. Für example, der Sensor meldet die vorhandene Konzentration und dass es sich um Wasserstoff oder ein mittleres Gas 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 Einheit der Konzentration, auf die es ankommt, ist die untere Explosionsgrenze (LEL), das ist die niedrigste Konzentration (in Volumenprozent) eines Gases in der Luft, die in der Lage ist, in Gegenwart einer Zündquelle einen Feuerblitz zu erzeugen. Da die Benutzer wissen möchten, wie nahe sie an 50 % der LEL, die Fähigkeit zu erkennen, welches Gas vorhanden ist, ist wichtig, weil die LEL für jedes Gas ist anders.

ALGORITHMEN

"Wir sind in zwei Dingen gut", sagte Rogers. „Man baut den Kochplattensensor, wofür jahrelange Entwicklung nötig war. Und zweitens, lernen, mit dieser Kochplatte zu sprechen.“ Das Grundgerät ist ganz einfach – nur ein beheizter Widerstand und eine Temperaturmessung. Die Verwendung dieser Informationen ist entscheidend für die Funktion des Sensors. Die von der Kochstelle kommenden Daten werden zusammen mit den Daten eines Umgebungssensors, der Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit misst, verwendet, um die Messwerte zu erhalten. „Alle zwei Sekunden nehmen wir die Daten von der Heizplatte, wir nehmen die Daten vom Umweltsensor und führen eine Reihe von Algorithmen aus, die wir 15 Jahre lang entwickelt haben, und heraus kommt: ‚Es ist dieses Gas, es ist diese Konzentration‘ und das ist der Trick“, sagte Rogers.
Die Verwendung derselben Daten, aber eine Änderung der Algorithmen hat es ermöglicht NevadaNano Dutzende Produkte zu entwickeln, die auf Softwareänderungen basieren. Zum Beispielample, es gibt eine neue Generation von refrigeraStoffe, die eine geringe globale Erwärmung bewirken. Aber viele davon sind neu refrigerants, ​​verwendet in Klimaanlagen und refrigeraMotoren usw. sind brennbar. Daher benötigen alle Klimaanlagen für Privathaushalte Entflammbarkeitssensoren, um einen unsicheren Zustand zu verhindern. Basierend auf den thermodynamischen Eigenschaften dieser refrigerant-Moleküle NevadaNano war in der Lage, durch eine einfache Softwareänderung ein Produkt zu entwickeln, das speziell für diese oder mehrere Gasarten geeignet ist. So hatten sie innerhalb eines Monats ein neues Alpha-Produkt und begannen, es herauszubringen und den Leuten vorzuführen.

KALIBRIERUNG

Ich fragte Rogers, ob sie jeden Sensor für ein bestimmtes Gas kalibrieren müssten. Er antwortete, dass es davon abhängt, welches Gas entdeckt werden muss. Für die brennbaren Standardgase verwenden sie werksseitig Methan als Kalibriergas. „Wenn wir dem Sensor Methan gezeigt haben, müssen wir ihn nicht mehr auf Wasserstoff, Butan, Propan kalibrieren – er erfasst intuitiv auch alle anderen Gase.“ Also zum BeispielampZum Kalibrieren eines wasserstoffspezifischen Sensors müssen sie nicht unbedingt werksseitig Wasserstoff verwenden.

ANWENDUNGEN

Dann fragte ich Rogers nach typischen Anwendungen. „Wir sind nur der Sensor – wir sind dieses kleine eimerförmige Gerät, das an ein Detektorsystem angeschlossen wird. Für exampWenn Sie heute in eine Raffinerie gehen und sich an den Wänden umschauen, sehen Sie viele Dutzend Geräte, 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 sozusagen auf ihrer Schulter sitzt und vier Gassensoren enthält, darunter ein MPS.

ZUSAMMENFASSUNG

Laut Rogers ist MPS die innovativste Technologie zur Gasdetektion seit über 30 Jahren. Es überwindet die Unzulänglichkeiten 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 Vergiftungen.

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